Brevet FR2692520A1 — publié le 19931224

La présente invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif permettant de réaliser des pièces composites à partir de matériaux fibreux pré-imprégnés de résine. On sait que la réalisation de pièces composites à haute performance consiste à draper dans un moule, selon des orientations et des épaisseurs pré-définies, des bandes pré-découpées de matériaux fibreux pré-imprégnés. Cette opération est désignée sous le terme générique de "nappage" . Cette opération de nappage peut être réalisée automatiquement à l'aide de machines spécialement conçues dans ce but. On connalt à l'heure actuelle deux techniques principales en ce qui concerne la mise en oeuvre de nappes composites par drapage automatisé, chacune utilisant une gamme de machines bien spécifiques. La première technique consiste à dérouler la nappe préimprégnée depuis sa bobine de stockage jusqu'à la tête de drapage qui assure les fonctions de guidage de la nappe, de traction de cette dernière, de positionnement, de découpe et de dépose dans le moule La seconde technique consiste à pré-découper la nappe sur une machine qui la déroule et la découpe selon le programme de drapage puis reconstitue une nappe de panneaux prédécoupés. On réalise ainsi une cassette de panneaux prédécoupés qui est ensuite mise en place sur une machine de nappage dont la fonction est essentiellement de déposer chaque panneau à la position programmée à l'avance. L'un des inconvénients les plus importants de ces deux techniques actuelles réside dans le fait qu'elles sont limitées aux pièces de formes quasi planes présentant des accidents locaux (tels que notamment renforts, trous, etc) limités selon les performances de la technique utilisée. La présente invention se propose d'apporter un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé permettant de réaliser des pièces de formes complexes, avec des rendements très importants. En conséquence, l'invention vise en premier lieu un procédé de réalisation de pièces composites à haute performance à partir de matériaux fibreux préimprégnés de résine, emmagasinés sous la forme d'une bande continue enroulée en bobine caractérisé en ce qu'il consiste - à dérouler, à partir de ladite bobine, une nappe dudit matériau préimprégné et à la positionner sur un mandrin présentant la forme de la pièce à réaliser, ce mandrin étant animé d'un mouvement de rotation, afin de réaliser les renforts locaux selon une orientation voulue en obtenant une ébauche - à découper de façon précise lesdites ébauches de renfort afin d'obtenir les renforts de forme finie - à déposer sur les renforts finis ainsi obtenus, l'ébauche de la peau de la pièce devant être finalement réalisée - à découper de manière précise la peau de ladite pièce sur ledit mandrin afin d'obtenir la peau de la pièce voulue et - à placer ladite pièce finie dans un moule pour en réaliser la polymérisation. L'invention vise en second lieu un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que spécifié ci-dessus. Ce dispositif comprend essentiellement une tête de nappage constituée d'un bâti mobile en translation et en rotation sur lequel est montée à rotation la bobine de matériau préimprégné et ses mécanismes d'entrainement de guidage et de déroulement, ce bâti comprenant en outre un système de coupe orientable de la bande de matériau préimprégné, un galet de nappage et de compactage appliquant la bande sur le mandrin rotatif ayant la forme de la pièce à réaliser et un système de coupe mobile suivant plusieurs directions assurant le découpage précis des ébauches des renforts sur le mandrin puis de la peau de la pièce finie sur ce même mandrin. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la découpe précise des ébauches des renforts puis de la peau de la pièce sur le mandrin est réalisée par un couteau mobile à ultra-sons. Selon un exemple de réalisation de la tête de nappage du dispositif objet de l'invention, le galet de nappage et de compactage est réalisé en une matière élastomère, il est monté sur un axe déformable et l'on prévoit des moyens permettant d'en assurer le cambrage par précontrainte de manière que ce galet de nappage et de compactage puisse épouser les accidents de surface du mandrin ayant la forme de la pièce à réaliser. L'axe déformable peut être par exemple constitué par une tige en acier dont la raideur est adaptée à la précontrainte recherchée. La précontrainte qui selon l'invention est communiquée au galet de nappage et de compactage peut être obtenue par l'intermédiaire d'un système de roulements à pression réglable prenant appui sur la surface du galet de nappage et de compactage. Selon un autre exemple de réalisation de la tête de nappage du dispositif selon l'invention, l'ensemble du galet de nappage et de compactage est supporté par des lames d'acier de très faible largeur dont la raideur est préétablie , de manière que la flexion des lames se traduise par une rotation de l'ensemble dudit galet par rapport à son centre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux déssins annexés qui en illustrent divers exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins - les figures 1 à 5 sont des vues schématiques destinées à illustrer le procédé objet de la présente invention - la figure 6 est une vue en élévation de la tête de nappage du dispositif selon l'invention ; et - les figures 7 et 8 sont des vues partielles respectivement en plan et coupe partielle et en bout d'une variante de réalisation du galet de nappage et de compactage de la tête de nappage selon l'invention. On se réfère en premier lieu aux figures 1 à 5 illustrant les diverses étapes du procédé selon l'invention tel qu'il a été défini ci-dessus Etape 1 (figure 1): au cours de cette étape on dépose des ébauches 10 des renforts en matériau préimprégné sur un mandrin 12, entrainé en rotation et dont la forme correspond à celle de la pièce devant être réalisée. Les nappes de matériau pré imprégné peuvent être déposées sur les ébauches selon toute orientation voulue.Dans cet exemple qui n'a aucun caractère limitatif, le mandrin 12 présente une forme de révolution mais l'invention peut s'appliquer à toute autre forme qu'elle qu'en soit la complexité. Les ébauches 10 sont déposées au moyen d'un galet de nappage et de compactage schématiquement représenté en 14 et qui sera décrit de manière plus complète ci-après. Etape 2 (figure 2) : lors de cette étape on procède à une découpe précise des ébauches des renforts précédemment déposées sur le mandrin 12 de manière à obtenir des renforts 16, 16' présentant les contours voulus. Cette découpe est réalisée à l'aide d'un couteau représenté de façon schématique en 18 et qui sera décrit plus complètement ci-après. Etape 3 (figure 3) : au cours de cette étape on dépose l'ébauche 20 de la peau de la pièce devant être obtenue par dessus les renforts finis 16 précédemment réalisés, le dépôt de cette ébauche étant réalisé au moyen du galet de nappage et de compactage 14. Etape 4 (figure 4) : dans cette étape, on procède à une découpe précise de l'ébauche de peau 20 précédemment réalisée sur le mandrin 12 de manière à obtenir la peau de la pièce finie 22 présentant la forme désirée. Cette découpe est réalisée à l'aide du couteau 18 qui est utilisé lors de l'étape 2. Etape 5 (figure 5) : durant cette étape finale, le mandrin 12 portant la pièce finie 22 est positionné dans un moule 24 de manière à réaliser la polymérisation de la pièce munie de ces renforts selon des emplacements et épaisseurs déterminés, cette pièce finie étant ensuite démoulée de façon connue. Le procédé spécifié ci-dessus est mis en oeuvre sur une machine automatique dont l'élément principal est constitué par la tête de nappage dont la figure 6 représente un exemple de réalisation non limitatif. Cette tête de nappage est conçue de façon à remplir les fonctions suivantes - guidage de la nappe de matériau préimprégné depuis sa bobine de stockage jusqu'au mandrin 12 sur lequel on va déposer les renforts puis la peau de la pièce finie comme on l'a spécifié ci-dessus - positionnement de la nappe sur le mandrin pour obtenir d'une part les ébauches de renforts et d'autre part, la peau de la pièce finie, ce positionnement devant être effectué de manière que les nappes successives puissent être déposées selon des orientations différentes voulues (00, +450, -450, 900). - prédécoupage de la bande avant son application sur le mandrin, afin d'obtenir des éléments de bande présentant la longueur nécessaire à l'obtention d'une part des ébauches de renforts et d'autre part, de la peau de la pièce finie - récupération du ruban assurant la protection de la bande de matériau préimprégné. La tête de nappage selon 1 invention comporte donc un bâti 26 mobile en translation et en rotation sur lequel est montée la bobine 28 de stockage de la nappe de matériau préimprégné. Cette bobine est entralnée en rotation par l'intermédiaire d'un moteur 30 également monté sur le bâti 26. Celui-ci comporte également la bobine 32 qui assure la récupération du ruban 34 de protection de la nappe 36 de matériau préimprégné, cette bobine étant entralnée par l'intermédiaire d'un moteur 38. La nappe 36, dévidée à partir de la bobine 28, passe sur un tambour de régulation de tension 42 entralné d'un moteur 44 puis elle est guidée par l'intermédiaire par d'un certain nombre de galets tels que 40, qui peuvent également être utilisés pour assurer la mesure de la longueur de nappe dévidée. L'entralnement de la nappe 36 s'effectue par l'intermédiaire de galets 46 entralnés par un moteur 48 et dont l'application sur chaque côté de la nappe est assurée par un vérin 50. La découpe de la nappe à la longueur voulue est réalisée à l'aide d'un système de coupe orientable désigné dans son ensemble par la référence 52 qui, dans cet exemple de réalisation se présente sous la forme d'un système à guillotine. La nappe est ensuite guidée à l'aide d'une goulotte 54 pouvant servir également de buse d'alimentation d'air chaud soufflé sur la nappe lors de son application sur le mandrin rotatif 12. Cette application de la nappe 36 sur le mandrin 12 s'effectue à l'aide du galet de nappage et de compactage désigné par la référence 56 qui, dans cet exemple de réalisation est appliqué à l'aide d'un vérin 58. Ce galet de nappage et de compactage correspond au galet 14 de la figure 1 qui assure la dépose des ébauches des renforts sur le mandrin 12 (étape 1) puis la dépose de l'ébauche de la peau de la pièce sur les renforts finis (étape 3). La découpe précise d'une part des ébauches des renforts (étape 2) et de la peau de la pièce (étape 4)sur le mandrin 12 par dessus les renforts finis est réalisée à l'aide d'un système de coupe 60 qui, de préférence et selon l'invention est réalisé sous la forme d'un couteau à ultra sons. Ce couteau correspond au couteau 18 représenté schématiquement sur la figure 2. Le fonctionnement du dispositif ainsi décrit ressort clairement de l'examen de la figure 6 en référence au diverses étapes illustrées par les figures 1 à 5 et de la lecture du paragraphe qui précède. On se réfère maintenant aux figures 7 et 8 qui illustrent des variantes du galet de nappage et de compactage 56 du dispositif objet de l'invention. Sur la figure 7 on voit que ce galet 56 réalisé en un matériau élastomère est monté sur un axe déformable 56 réalisé ici sous la forme d'une tige d'acier 62. On prévoit des moyens permettant d'assurer le cambrage du galet 56 par précontrainte. Dans cet exemple de réalisation, cette précontrainte est obtenue à l'aide de roulements tels que 64 montés sur un tige 66 de manière que la surface externe de ces roulements 64 viennent appuyer sur le galet 56 ainsi qu'on le voit sur la figure 7. On prévoit des moyens permettant de régler la valeur de la précontrainte par modification de la distance séparant la tige 66 de l'axe de rotation du galet 56. Grâce à ce montage, la surface du mandrin 12 peut présenter des accidents de relief relativement importants ceux-ci étant épousés par la surface du galet 56. Dans la variante illustrée par la figure 8,l'ensemble de la tête du galet de nappage et de compactage est supportée par des lames 68 de faible largeur à flexion limitée et à raideur préétablie de manière à permettre un déplacement de l'axe de rotation du galet 56. Cette variante concourt également à la caractéristique selon laquelle le galet de nappage et de compactage de la tête de nappage selon l'invention peut s'adapter à des mandrins présentant des formes complexes. Bien entendu, le dispostif selon l'invention, comprend des systèmes de commande automatiques permettant d'automatiser totalement la fabrication de pièces intégrant des renforts de forme complexe, ce qui était jusque à présent impossible à réaliser selon les techniques spécifiées dans le préambule de la présente description ou seulement réalisable au détriment d'une productivité qui devient tellement faible que l'automatisation n'est plus justifiée. La présente invention apporte, par rapport aux techniques antérieures, un gain de productivité de l'ordre d'un facteur 3. Elle permet des taux de production de 4 à 5 kg/h. alors que les meilleures machines actuellement disponibles sur le marché présentent des taux de production de 2 kgs seulement au mieux. La présente invention apporte en outre les avantages suivants - possibilité de réaliser tous renforts possibles (trous, bossages, etc) - réalisation de nappages de formes complexes (tonneau, cône) même de forme non de révolution - pas de système annexe pour réaliser le prédécoupage de la nappe , celui-ci étant effectué grâce au système de coupe 52 (figure 6) ; - technologie de drapage simplifiée et - productivité accrue ainsi qu'on la vu ci-dessus par rapport aux techniques actuelles. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et ou représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de réalisation de pièces composites à haute performance à partir de matériaux fibreux préimprégnés de résine, emmagasinés sous la forme d'une bande continue enroulée en bobine caractérisé en ce qu'il consiste - à dérouler, à partir de ladite bobine, une nappe dudit matériau préimprégné et à la positionner sur un mandrin présentant la forme de la pièce à réaliser, ce mandrin étant animé d'un mouvement de rotation, afin de réaliser les renforts locaux selon une orientation voulue en obtenant une ébauche - à découper de façon précise lesdites ébauches de renfort afin d'obtenir les renforts de forme finie - à déposer sur les renforts finis ainsi obtenus, l'ébauche de la peau de la pièce devant être finalement réalisée ; - à découper de manière précise la peau de ladite pièce sur ledit mandrin afin d'obtenir la peau de la pièce voulue et - à placer ladite pièce finie dans un moule pour en réaliser la polymérisation. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement une tête de nappage constituée d'un bâti (26) mobile en translation et en rotation sur lequel est montée à rotation la bobine (28) de matériau préimprégné et ses mécanismes d'entrainement, de déroulement et de guidage (30, 40, 42, 44, 46), ce bâti comprenant en outre un système de coupe orientable (52) de la bande (36) de matériau préimprégné, un galet de nappage et de compactage (56) appliquant la nappe sur le mandrin rotatif (12) ayant la forme de la pièce à réaliser et un système de coupe (60) orientable assurant le découpage précis des ébauches des renforts sur le mandrin puis de la peau de la pièce finie sur ce même mandrin. 3 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système de coupe (60) des ébauches des renforts et de la peau de la pièce est un système à ultra-sons. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le galet de nappage et de compactage (56) est réalisé en une matière élastomère, il est monté sur un axe déformable (62) et l'on prévoit des moyens (64) permettant d'en assurer le cambrage par précontrainte. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit axe déformable (62) est constitué par une tige en acier dont la raideur est adaptée à la précontrainte recherchée. 6 - Dispositif selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que les moyens permettant d'assurer le cambrage par précontrainte du galet de nappage et de compactage (56) sont réalisés sous la forme d'un système de roulements (64) à pression réglable prenant appui sur la surface du galet de nappage et de compactage. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que l'ensemble du galet de nappage et de compactage est supporté par des lames d'acier de très faible largeur (68) dont la raideur est préétablie