Brevet FR2688932A1 — publié le 19930924

Procédé de fabrication de pièces détachées pour aimants supraconducteurs par moulage de résine par transfert. La présente invention concerne d'une façon générale un procédé de fabrication de pièces détachées pour aimants supraconducteurs, par moulage de résine par transfert et concerne également la fabrication ultérieure de l'aimant supraconducteur L'invention concerne plus particulière- ment un procédé de moulage d'une résine par transfert pour la fabrication de pièces détachées, telles que des appuis d'extrémité, des pointes en coin, des entretoises et des clavettes, qui sont utilisées dans l'assemblage d'un aimant supraconducteur. La construction et la fabrication des aimants supraconducteurs tels que ceux qui sont utilisés dans les appareils de collision d'ions lourds relativistes (RHIC) exige que les enroulements de ces aimants supraconducteurs soient fabriqués avec des tolérances serrées et avec des matières qui travaillent à des niveaux de radiation relativement élevés et à des températures cryogéniques. Pendant une opération de bobinage d'un enroulement pour aimants supraconducteurs, on a à effectuer une mise en place précise de pièces détachées, telles que des pointes en coin et de appuis d'extrémité, en particulier des surfaces calibrées de ces éléments, ainsi que des entretoises et clavettes En outre, les dimensions de la bobine après le bobinage sont beaucoup plus grandes, en longueur et en dimension azimutale, que les dimensions finales de la bobine finie et la bobine après bobinage est soumise à une compression à une température élevée dans une presse de cuisson pour produire la bobine finie. La position de chaque pointe en coin et de chaque appui d'extrémité, notamment celle des surfaces calibrées de ces organes affecte en particulier le mode selon lequel la bobine supraconductrice fonctionne et il ne faut pas qu'il y ait de vides dans la bobine finie, en raison du fait que les zones de vide engendrent de la chaleur et interrompent la fonction de l'aimant Lorsque ceci se produit, il faut reporter tout l'anneau supraconducteur à la température ambiante et retirer l'aimant qui présente le vide et le remplacer Cette action corrective est très coûteuse et très longue Pendant la fabrication de la bobine, le positionnement correct des surfaces calibrées de la pointe en coin et de l'appui d'extrémité par rapport aux enroulements de la bobine est critique pour éviter les vides dans la bobine supraconductrice finie. Actuellement, les appuis d'extrémité sont usinés dans la matière G-ll CR et les pointes en coin sont usinées dans la matière G-IOCR Les dimensions et courbures d'un appui d'extrémité et d'une pointe en coin sont critiques et exigent que l'usinage du G-ll CR ou du G-1 OCR soit effectué dans une opération d'usinage à cinq axes qui est très complexe En outre, l'usinage des apuis d'extrémité et des pointes en coin induit dans ces pièces des tensions internes qui déforment la géométrie de la pièce De plus, ces matières ne sont pas élastiques, ce qui exige que les pièces soient usinées aux cotes finales En outre, les appuis d'extrémité et pointes en coin sont positionnés sur un enroulement de bobine qui ne prend ses dimensions finales qu'après la fin de l'opération de cuisson En général, la production de ces composants par usinage, comme on l'a décrit se traduit par un taux élevé de rebut et des frais élevés. Le moulage des résines par transfert est un procédé de fabrication bien connu, efficace et très souple (sous l'aspect du dessin de la pièce) des matières plastiques renforcées de fibres Le procédé de transfert comporte la création d'un composite, c'est-à-dire d'une combinaison de deux ou plus de deux matières. L'une des matières est une matrice, le plus fréquemment une résine thermodurcissable qui prend la forme de la pièce finie et lui confère sa couleur et son fini superficiel Le système de résine est généralement sélectionné par le mouleur en fonction des propriétés chimiques, électriques, mécaniques ou thermiques qu'on exige de la pièce finie On peut se procurer des additifs et composés spéciaux pour conférer d'autres propriétés telles que le fini de surface, le ralentissement de la propagation de la flamme, la résistance aux intempéries, le dégré de retrait, la vitesse de gélification et de durcissement, etc La seconde partie du composite est une matière de renforcement, habituellement constituée par une matière à base de polyester ou à base de fibres de verre, mais la matière de renforcement peut inclure des matières à haute résistance spécifique, telles que la matière connue sous la marque "Kevlar" et la fibre de carbone, ainsi que différents types de matières pour noyaux et prisonniers. Le renforcement confère à la pièce composite de la résistance mécanique et de la ténacité Un renforcement fibreux sec présenté sous de nombreuses formes et applicable au moulage par transfert est placé dans le moule avant la fermeture et l'injection Les préformes sont des structures fibreuses sèches, préformées (des nids d'oiseaux préfabriqués) qui ressemblent à la pièce moulée finale moins la matrice et constituent une solution qui remplace avantageusement la mise en place manuelle du mat fibreux souple, qui est lente et laborieuse. Les rapports résistance mécanique/poids des structures composites bien conçues peuvent être plusieurs fois supérieurs à celui de l'acier à haute résistance à la traction En outre, il est possible d'adapter "sur mesure" les propriétés d'une structure composite de manière à correspondre exactement aux spécifications de l'étude du produit. Dans sa forme la plus simple, le procédé de moulage des résines par transfert est un procédé de moulage de pièces à partir de résines renforcées de fibres dans un moule à empreintes complémentaires, en deux demi-moules, en utilisant la pression Pendant que le moule de transfert est ouvert, on met en place la matière de renforcement sous forme sèche dans l'un des demi-moules, habituellement le demi-moule femelle Ensuite, on ferme les deux demi-moules et le moule est serré, soit manuellement, soit hydrauliquement. A ce stade, une résine vive ou catalysée est injectée sous pression dans l'empreinte chargée de fibres Selon le temps de réaction ou de gélification de la résine, et selon que les moules sont ou non chauffés intérieurement pour favoriser le processus de réaction, les demi- moules peuvent être ouverts après un court temps de cuisson et la pièce finie peut être démoulée Le moule de transfert est maintenant prêt à être envoyé à une autre opération de moulage, comme décrit plus haut. La présente invention remplace la fabrication par usinage, précitée, des pièces détachées pour aimants supraconducteurs et, au contraire, elle fabrique les composants des enroulements de bobine par un procédé de moulage de résines par transfert, dont les caractéristiques sont aussi mises à profit dans la fabrication ultérieure de l'aimant supraconducteur Ce processus de fabrication produit des pièces possédant la configuration finale des pièces En outre, aucune contrainte n'est introduite dans les pièces pendant la fabrication, comme cela se produit dans le cas de l'usinage Les pièces sont fabriquées avec une préforme, une telle préforme pouvant être fabriquée et fournie par la firme Cooper Composites, 1840 S Michigan Avenue, Chicago, IL 60616, E U A, avec un système résineux appelé Cryorad, que l'on peut se procurer dans le commerce chez Allied-Signal Inc, P O Box 1021 R, Morisstown, NJ 07960, E.U A. Ce procédé de fabrication élimine les opérations d'usinage à cinq axes et, en outre, toutes les spécifications des bureaux d'études relatives aux pièces détachées sont satisfaites. Le système de résine Cryorad est conçu pour un procédé de cuisson en deux états qui est appelé l'état B. Cette procédure de cuisson à deux états permet aux surfaces calibrées de l'appui d'extrémité et de la pointe en coin de se conformer avec précision à la forme de l'enroulement de bobine pendant la cuisson finale En outre, l'aptitude de la résine à devenir élastique pendant l'étape de cuisson finale permet aux différents éléments constitutifs de se conformer mutuellement les uns aux autres pour former une bobine unifiée et elle élimine par ce moyen les vides potentiels entre l'enroulement de la bobine et l'appui d'extrémité ou la pointe en coin. La fabrication de pièces détachées telles que les appuis d'extrémité et les pointes en coin, ainsi que d'autres pièces détachées telles que les entretoises d'extrémité et les clavettes, effectuée selon les principes de la présente invention, permet de réduire le prix par pièce à un niveau considérablement inférieur à celui de la fabrication par usinage de ces pièces détachées conforme à la technique antérieure. Un but principal de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication de pièces détachées pour aimants supraconducteurs par moulage d'une résine par transfert. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de telles pièces détachées par un procédé de moulage de résine par transfert dont les caractéristiques peuvent aussi être utilisées pour la fabrication ultérieure de l'aimant supraconducteur. Selon les principes décrits dans le présent mémoire, la présente invention a pour objet un procédé cie fabrication d'une pièce détachée pour un aimant supraconducteur et aussi un procédé de fabrication d'un aimant supraconducteur Initialement, on applique les spécifications de bureaux d'études relatives à la pièce détachée pour produire un modèle pour la pièce détachée, tout en prenant en compte le coefficient de retrait calculé de la résine Le modèle est ensuite utilisé pour fabriquer un moule de transfert de résine pour la pièce détachée Ensuite, on place une préforme de la pièce détachée dans le moule de transfert et on ferme le moule avec la préforme placée à l'intérieur Une résine cuisant en deux états est ensuite injectée dans le moule et le moule est chauffé pour cuire la pièce détachée moulée à l'état B La pièce détachée partiellement cuite est ensuite extraite du moule de moulage de transfert On fabrique ensuite un ensemble d'enroulement de bobine, en positionnant exactement chaque pièce détachée partiellement cuite en bonne place par rapport aux enroulements de la bobine pour produire un ensemble d'enroulement de bobine Celui-ci est ensuite placé dans une pièce de cuisson puis il est placé et chauffé dans la presse de cuisson, phase pendant laquelle chaque pièce détachée se conforme à l'enroulement de bobine et cuit pour produire un ensemble d'enroulement de bobine final. De façon plus détaillée, le modèle est produit par usinage à l'aide d'un programme de commande numérique par ordinateur qui prend en compte le retrait calculé de la résine et, en outre, le modèle est usiné en une matière ayant un faible coefficient de dilatation thermique, telle que la matière 6061-T 6 Le moule de transfert comprend un composant de moule inférieur femelle, un composant de moule supérieur mâle et un composant de moule de fermeture d'extrémité dans lesquels sont usinées des rainures d'étanchéité, et il comprend en outre un passage d'injection de la résine servant à injecter de préférence une résine Cryorad à l'état B et des évents de fuite de résine La préforme est formée à partir d'une matière de fibres de polyester ou de fibres de verre La pièce détachée qu'il s'agit de fabriquer peut être constituée par l'une quelconque d'un groupe de pièces détachées comprenant un appui d'extrémité, une pointe en coin, une entretoise et une clavette, ainsi qu'une autre pièce constitutive appropriée analogue. Les buts et avantages que la présente invention apporte à la fabrication de pièces détachées pour aimants supraconducteurs par moulage par transfert peuvent être plus facilement compris par l'homme de l'art en se reportant à la description détaillée de plusieurs formes préférées de réalisation qui sera donnée ci-après, prise en regard des dessins annexés, sur lesquels les éléments analogues sont désignés par les mêmes numéros de référence sur toutes les différentes vues et sur lesquels: Les figures la à id montrent plusieurs vues d'un dessin d'étude d'un appui d'extrémité pris pour exemple, tel que celui qui pourrait être utilisé pour usiner un appui d'extrémité et qui sert de référence pour réaliser un programme de commande numérique par ordinateur pour usiner un modèle dans le procédé selon l'invention; La figure 2 représente un modèle usiné conformément au programme de commande numérique par ordinateur; Les figures 3 a et 3 b montrent le modèle de la figure 2 utilisé pour fabriquer un moule de transfert; La figure 4 montre une préforme d'appui d'extrémité telle qu'elle est fournie par un fournisseur conformément aux spécifications de l'appui d'extrémité; La figure 5 représente un moule de transfert complet, avec une préforme d'appui d'extrémité telle que celle représentée sur la figure 4 placée à l'intérieur, et avec des garnitures d'étanchéité placées dans les rainures d'étanchéité du moule de transfert; et La figure 6 montre un ensemble de bobine complet, avec un appui d'extrémité fabriqué conformément à un procédé de fabrication en résine, positionné adjacent aux enroulements de bobine et elle montre également d'autres pièces détachées produites par un procédé de fabrication en résine conformément à la présente invention, qui est positionné et monté adjacent aux enroulements de bobine. On se reportera en détail aux dessins, et tout d'abord à la figure 6 qui montre un appui d'extrémité 62 fabriqué conformément à un procédé de fabrication en résine, positionné adjacent à une extrémité d'un ensemble final 60 de bobine d'aimant supraconducteur, qui a typiquement une longueur de 31 pieds ( 9,55 m) pour des aimants bipôles RHIC et de 50 pieds ( 15,24 m) pour des aimants bipôles SSC Une extrémité opposée symétriquement de l'ensemble de bobine possède les mêmes composants que ceux représentés sur la figure 6, agencés d'une façon symétrique mais en opposition L'ensemble de bobine complet, tel qu'il est décrit, est assemblé à un ou plusieurs ensembles de bobines additionnels pour former un aimant supraconducteur complet, ainsi que ceci est bien connu dans la technique La figure 6 montre aussi d'autres pièces détachées produites par un procédé de fabrication en résine conforme à l'invention, qui sont positionnées et ajustées adjacentes aux enroulements de bobine. De façon plus détaillée, pendant une opération d'enroulement de bobine, on place tout d'abord une clavette 64 en position sur un mandrin d'enroulement de bobine, et on enroule un certain nombre (par exemple 10) d'enroulements de bobines 66, ayant chacun un diamètre ou une hauteur d'environ 3/8 pouce (soit environ 9,5 mm) autour de la clavette 64 Ensuite, on place une entretoise 68 adjacente aux enroulements de bobines déjà bobinés et on bobine ensuite un certain nombre (par exemple 10 à 20) d'enroulements de bobines 70 autour de l'entretoise 68 On place ensuite un appui d'extrémité 62 adjacent à l'extrémité des enroulements de bobine Dans des variantes de réalisation d'un ensemble de bobine d'aimant supraconducteur, on peut placer une série (par exemple 6) de pointes en coin en position au lieu de l'entretoise 68. Après l'achèvement de l'assemblage des pièces et de l'enroulement de l'ensemble de bobine supraconductrice, les dimensions de l'ensemble de bobine sont beaucoup plus grandes, en longueur et en dimension azimutale, que les dimensions finales de l'ensemble de bobine fini, et l'ensemble de bobine après bobinage est soumis à une compression à une température élevée (par exemple 1350 C pendant 90 minutes) dans une presse de cuisson pour produire une bobine finie. Un procédé de fabrication pour la confection d'une pièce détachée pour un aimant supraconducteur, telle qu'un appui d'extrémité, conforme à l'invention, comporte la séquence d'opérations suivantes, d'autres pièces détachées pouvant être fabriquées avec une séquence d'opérations similaires: une référence d'appui d'extrémité telle qu'un dessin de bureau d'études et des spécifications telles que celles représentées sur les vues des figures la à ld, sont utilisées pour réaliser un programme d'usinage à commande numérique par ordinateur (CNO) en prenant en compte un coefficient calculé de retrait de la résine Les figures la à id montrent un exemple d'un dessin de bureau d'études pour un appui d'extrémité sur lequel on a omis de donner un grand nombre des détails et de spécifications Ces figures sont un exemple d'un dessin de bureau d'études typique qui illustre les courbes et formes complexes d'un appui d'extrémité typique Le modèle 20 représenté sur la figure 2, est de préférence usiné dans la matière 6061-T 6. Cette matière est choisie en raison de son faible coefficient de dilatation thermique Le modèle est ensuite contrôlé sur une machine de mesure des coordonnées pour vérifier sa conformité avec toutes les spécifications. Ce modèle 20 est ensuite utilisé d'une façon connue dans la technique pour fabriquer un moule de moulage de résine par transfert 30 dans un système de résine époxy pouvant être coulée en masse, résistant aux hautes températures, comme représenté par les figures 3 a et 3 b, et le modèle est ensuite extrait du moule de moulage de résine par transfert Comme on peut le voir en se reportant aux figures 3 a, 3 b et 5, le moule de transfert comprend un composant de moule inférieur femelle 32, un composant de moule supérieur mâle 34 et un composant de moule de fermeture d'extrémité 36, et il présente en outre un passage 38 d'injection de la résine et des échancrures d'écoulement de la résine pour effectuer l'injection d'une résine qui est de préférence une résine Cryorad à l'état B, ainsi que des évents de fuite de résine à l'extrémité du composant de moule inférieur qui est à l'opposé de l'extrémité par le passage d'injection de la résine Des rainures d'étanchéité 42 sont aussi usinées dans les surfaces du moule de transfert, comme représenté sur les figures 3 a, 3 b et 5. Des préformes fournies par un fournisseur, telles que celle qui est désignée dans son ensemble par 44 sur la figure 4, sont généralement fabriquées par le fournisseur en utilisant une machine automatisée de placement des fibres en filet Un agent de démoulage (Freekote 700) est appliqué sur les composants du moule pour permettre le démoulage, la préforme 44 est positionnée dans le moule de transfert comme représenté sur la figure 5 et le moule est ensuite fermé La résine Cryorad est dégazée par le vide et ensuite, chauffée à 1701 F ( 76,70 C) en même temps que sa température est surveillée à l'aide de thermocouples On utilise des tampons de silicium pour serrer le moule de moulage de résine par transfert pour permettre sa dilatation Le moule de moulage de résine par transfert est ensuite chauffé dans un four à une température de 2200 F ( 1040 C),en même temps qu'on surveille sa température à l'aide de thermocouples Le moule -de transfert ainsi chauffé est ensuite extrait du four et raccordé à l'équipement d'injection de la résine La résine Cryorad chauffée est ensuite injectée dans le moule à 40 psi ( 24 000 Pa) pendant 8 à Il minutes jusqu'à ce que la résine s'échappe par les évents du moule et, après l'aération et la fuite désirée les évents sont fermés Le moule de transfert est ensuite désaccouplé de l'équipement d'injection de résine. Le moule de transfert est ensuite placé dans un four à 2501 F ( 1210 C) pendant deux heures, en même temps que sa température est surveillée à l'aide de thermocouples Le moule de transfert est ensuite extrait du moule, puis on le laisse atteindre la température ambiante, et la pièce moulée est ensuite extraite du moule de transfert Les bavures sont ensuite séparées de la pièce moulée et la pièce moulée est sablée à la main pour la dépolir La pièce moulée est ensuite soumise à un contrôle de conformité pour vérifier sa géométrie de point initial. Pendant la fabrication de l'ensemble d'enroulement de bobine, tous les appareils d'extrémité, les pointes en coin, entretoises et clavettes, sont placés dans les positions précises par rapport aux enroulements de bobines pour produire un ensemble d'enroulement de bobine partiellement fini, comme décrit plus haut L'ensemble d'enroulement de bobine partiellement fini est ensuite placé dans une presse de cuisson et soumis à une il compression à une température élevée (par exemple 1350 C pendant 90 minutes) pour produire une bobine finie 60 comme représenté sur la figure 6 Pendant la cuisson, les surfaces calibrées de l'appui d'extrémité et des pointes en coin entrent entièrement en contact avec l'enroulement de bobine du fait que la résine Cryorad devient souple pendant son opération de cuisson finale, ce qui permet aux pièces composantes individuelles de se conformer les unes aux autres et de se mouler en une bobine unitaire finale 60. Le modèle est usiné en une matière à base d'aluminium ayant un faible coefficient de dilatation thermique. Bien que différentes formes de réalisation et variantes de l'invention prévues pour la fabrication de pièces détachées pour aimants supraconducteurs par moulage de résine par transfert soient décrites en détail ci- dessus, il va de soi que la description et les principes de la présente invention suggéreront à l'homme de l'art de nombreuses constructions de variantes. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une pièce détachée pour aimant supraconducteur et de fabrication d'un ensemble d'enroulement de bobine pour aimant supraconducteur comprenant les phases consistant à: a utiliser des spécifications de bureaux d'études pour une pièce détachée pour produire un modèle ( 20) de la pièce détachée, en prenant en compte un coefficient calculé de retrait de la résine; b utiliser le modèle ( 20) pour fabriquer un moule de moulage de résine par transfert ( 30) pour la pièce détachée; c placer une préforme ( 44) pour la pièce détachée dans le moule de moulage de résine par transfert et fermer le moule avec la préforme ( 44) placée à l'intérieur; d injecter une résine durcissant en deux états, dans le moule de moulage de résine par transfert; e chauffer le moule de moulage de résine par transfert ( 30) pour cuire partiellement la pièce détachée moulée; f extraire la pièce détachée partiellement cuite du moule de moulage de résine par transfert; g fabriquer un ensemble d'enroulement de bobine ( 60) en même temps qu'on positionne avec précision la pièce détachée partiellement cuite par rapport aux enroulements de bobines pour produire un ensemble d'enroulement de bobine; h placer l'ensemble d'enroulement de bobine dans une presse de cuisson, l'y presser et l'y chauffer, phase pendant laquelle la pièce détachée se conforme à l'enroulement de bobine et cuit complètement pour produire un ensemble d'enroulement de bobine final pour aimant supraconducteur. 2 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase d'injection s'effectue avec une résine à l'état B. 3 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle est produit par usinage à l'aide d'un programme de commande numérique par ordinateur qui tient compte d'un retrait calculé de la résine. 4 Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle est usiné dans une matière possédant un faible coefficient de dilatation thermique. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que le modèle est usiné en une matière à base d'aluminium ayant un faible coefficient de dilatation thermique. 6 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de fabrication du moule de moulage de résine par transfert consiste à fabriquer un moule ayant une partie de moule inférieure femelle ( 32), une partie de moule supérieure mâle ( 34) et une partie de moule de fermeture d'extrémité ( 36), qui présentent des rainures ( 40) d'étanchéité qui y sont usinées. 7 Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moule de moulage de résine par transfert comprend un passage ( 38) d'injection de la résine et des évents de fuite de la résine. 8 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme ( 64) est formée à partir d'une matière à base de fibres de polyester. 9 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme est formée à partir d'une matière de fibres de verre. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce détachée constitue un appui d'extrémité, une pointe en coin, une entretoise ou une clavette.