Brevet FR2711093A1 — publié le 19950421

PLATEAU CHAUFFANT DE THERNOFORMAGE 80US PRESSION NOTAMMENT DE MATERIAUX COMPOSITES ET SON PROCEDE DE REGULATION THERMIQUE La présente invention a trait à la fabrication en particulier de pièces en matériaux composites par thermocompression, c'est-à-dire l'application conjointe sur un moule dans lequel est placé le matériau à mettre en forme, d'une pression et d'une température, suivant un cycle prédéterminé. Cette technique est bien connue et fait appel à des presses à plateaux chauffants munis de divers équipements assurant le chauffage, tels que fluides caloporteurs ou résistances électriques. Pour la mise en oeuvre de matériaux il est nécessaire d'avoir une très grande maîtrise de la température des plateaux et une homogénéité la plus grande possible de la température sur toute la surface de ces derniers. Les plateaux chauffants connus ne donnent pas pleinement satisfaction sur ces points, du fait de l'existence, à la surface des plateaux, de zones plus ou moins importantes, en bordure des plateaux ou localement dans des parties plus centrales, où sont observées des inhomogénéités de température et du fait également des difficultés de maîtrise des phases de refroidissement qui conduisent à des problèmes de régulation thermiques préjudiciables à la qualité des produits thermocompressés. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une structure perfectionnée de plateau chauffant de type à résistances électriques, assurant une bien meilleure maîtrise de la conduite de la montée, du maintien et de l'ajustement en température, ainsi que de la conduite du refroidissement. A cet effet, l'invention a pour objet un plateau chauffant de thermoformage sous pression, notamment de matériaux composites, du type à résistances électriques, caractérisé en ce qu'il est constitué - d'une plaque métallique de chauffage, plane et d'égale épaisseur, - d'une première série de perçages parallèles entre eux et aux faces de la plaque, réalisés dans l'épaisseur de la plaque, - d'au moins une résistance électrique blindée disposée dans chaque perçage de ladite première série, - d'une seconde série, réalisée dans l'épaisseur de la plaque, de perçages parallèles aux perçages de la première série et dans le même plan que celle-ci, - de moyens de refroidissement agencés dans chacun des perçages de ladite seconde série - de résistances électriques de type galette, accolées à la face interne de la plaque de chauffage sur pratiquement toute sa surface, - d'un circuit résistant électrique de chauffage ceinturant ladite plaque de chauffage sur ses quatre tranches latérales, - de moyens d'isolation thermique enveloppant la plaque de chauffage excepté la face externe, - de moyens de support mécanique de l'ensemble plaque moyens d'isolation, et - de moyens de régulation desdits circuits électriques résistants et moyens de refroidissement. Suivant un mode de mise en oeuvre, les moyens de refroidissement sont constitués par une douchette introduite dans chaque perçage, de préférence borgne, et alimentée par un fluide liquide et/ou un fluide gazeux, régulés en température et en débit, et des moyens de récupération et évacuation du ou des fluides. Le circuit électrique résistant ceinturant la plaque de chauffage est avantageusement constitué par une ou plusieurs résistances électriques blindées plaquées sur la tranche de la plaque de chauffage et montées sur une cale de retour calorifique, elle-même entourée par lesdits moyens d'isolation thermique. De préférence, ladite plaque de chauffage est montée amovible sur un plateau métallique support, à l'aide de vis traversant les moyens d'isolation thermique, une plaque de retour calorifique ainsi que des cales de retour calorifique entretoisant lesdites résistances de type galette, et engagées dans la face interne de ladite plaque de chauffage, des ressorts hélicoïdaux étant enfilés sur lesdites vis, entre lesdites cales de retour calorifique et la face interne de la plaque de chauffage, en sorte de soulever cette dernière au dessus du plateau lors de son dévissage, ce qui facilite son enlèvement. L'invention concerne également un procédé de pilotage du chauffage d'un tel plateau en vue d'amener et maintenir la température d'un matériau placé dans un moule, lui-même disposé entre deux plateaux chauffants identiques d'une presse, à une température de consigne prédéterminée, caractérisé en ce qu'il consiste a) dans une étape préliminaire, à déterminer, pour chaque type de moule, la différence entre une température d'équilibre atteinte par le matériau moulé et la température correspondante fournie par au moins une sonde de température disposée dans le plateau ou dans le moule et mesurée à l'instant de la mise hors service des moyens de chauffage de la plaque, puis b) dans l'étape de thermoformage mettant en oeuvre ladite température de consigne prédéterminée, à alimenter à la puissance maximale l'ensemble des résistances électriques dans, sous et autour de la plaque de chauffage, puis à couper totalement l'alimentation dès que la différence entre la température de consigne et la température mesurée par ladite sonde disposée dans le plateau ou le moule atteint ladite différence déterminée à l'étape a) et, enfin, à compenser les éventuelles pertes calorifiques en alimentant en conséquence uniquement les résistances sous la plaque de chauffage et sur son pourtour, en sorte de maintenir sensiblement nulle la différence entre la température de consigne et la température mesurée par la sonde. Un tel procédé permet d'atteindre le plus rapidement possible et avec une excellente précision la ou les températures de consigne désirées dans le processus de thermoformage sous pression en particulier de matériaux composites. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un plateau conforme à l'invention et de son procédé de pilotage thermique, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels - Figure 1 est une vue en coupe verticale d'un plateau conforme à l'invention - Figure 2 est une vue de dessus partielle et en coupe suivant la ligne II-II de la plaque de chauffage du plateau de la figure 1 - Figure 3 est une vue schématique de dessus de la plaque de chauffage illustrant les moyens de refroidissement - Figure 4 est une vue agrandie d'un détail du plateau de la figure 1, et - Figure 5 est un diagramme des températures en fonction du temps en divers points d'un ensemble plateaux chauffants-moule piloté thermiquement conformément à l'invention. Le plateau chauffant représenté sur les figures 1 et 2, suivant un mode de réalisation préféré, comprend une plaque de chauffage 1, métallique, en acier normal par exemple, plane et d'épaisseur constante, par exemple de forme rectangulaire. La plaque 1 est percée dans son épaisseur d'une première série de passages cylindriques 2, d'axes parallèles entre eux ainsi qu'aux faces interne 3 et externe 4 de la plaque 1. Les perçages 2 sont identiques et à égale distance les uns des autres et des bords opposés de la plaque 1, ainsi que des faces interne et externe (3,4). En outre, les perçages 2 débouchent de chaque côté de la plaque et sont munis, d'un même côté, d'un évidement 5 de diamètre légèrement supérieur pour la fixation de résistances électriques blindées chauffantes. Dans le plan défini par les axes des perçages 2 est réalisée une seconde série de perçages cylindriques borgnes 6, disposés à égale distance des perçages 2, de part et d'autre de ces derniers. Le diamètre des perçages 6 est légèrement inférieur à celui des perçages 2. Les perçages 6 sont destinés à recevoir des moyens de refroidissement décrits plus loin et leur unique orifice est disposé sur la même tranche de la plaque 1 que les évidements 5 des perçages 2 recevant les résistances électriques. La plaque 1 est fixée à un plateau métallique support 7 à l'aide de vis 8 traversant successivement ledit plateau 7, une structure isolante thermiquement formée de deux couches superposées 9 et 10, une plaque de retour calorifique 11 par exemple en cuivre, des cales d'entretoisement 12 par exemple en acier et pénétrant par la face interne 3 dans la plaque 1 sur une certaine épaisseur. Entre les cales d'entretoisement 12, qui font également office de retour calorifique, sont disposées, contre la face interne 3 de la plaque 1, entre cette dernière et la plaque de retour calorifique 11, des résistances électriques plates 13, de type galette. Selon les dimensions du plateau chauffant, une ou plusieurs galettes 13 sont disposées côte à côte entre deux rangées de vis 8. Egalement conformément à l'invention, la plaque 1 est sur tout son pourtour ceinturée par un dispositif à résistance électrique chauffante 14, plaqué contre la tranche de la plaque. Ce dispositif 14 peut être, comme illustré, une résistance double, montée sur une cale de bordure 12, et flanquée, sur tout le pourtour du plateau, d'une masse 15 de matériau isolant thermique, par exemple de la laine de verre ou de roche, recouvrant le dispositif chauffant 14 et venant affleurer le bord supérieur 16 de la plaque 1. Le dispositif résistif chauffant 14 est ainsi retenu prisonnier entre la plaque 1, le matériau isolant 15 et la cale 12 de bordure de plaque. Le matériau isolant 15 est fixé sur le plateau support 7 par un carter métallique 17. Suivant une autre caractéristique du dispositif de l'invention, les deux couches 9,10 ont des caractéristiques différentes, la couche interne 9 (côté plateau 7) présentant une isolation thermique meilleure, mais une résistance à la pression moindre, que la couche 10 au contact avec la plaque de retour calorifique 11. La couche 9 est par exemple réalisée à l'aide du matériau dénommé commercialement MONOLUX 500 et la couche 10 à l'aide du matériau dénommée commercialement DURATEC 1000, les deux couches étant d'une même épaisseur, de l'ordre de 25 mm. Dans les perçages 2 sont insérés des résistances électriques blindées conventionnelles, symbolisées en R sur la figure 4, à raison d'une ou plusieurs par perçage 2 suivant sa longueur. Les connexions de sorties des résistances sont regroupées sur la même tranche de la plaque 1 ou sur les deux tranches opposées. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement les moyens de refroidissement selon l'invention, constitués de douchettes 18, à savoir de simples tubes métalliques munis d'un fond 18a et dont la paroi est percée d'une multitude de petits trous 19, introduits chacun dans ' un perçage 6, le diamètre des douchettes 18 étant sensiblement inférieur à celui des perçages pour ménager entre eux un intervalle annulaire suffisant. Les douchettes 18 sont reliées intérieurement, en parallèle, à deux systèmes de délivrance de deux fluides de refroidissement distincts, à savoir de l'eau, délivrée à l'aide d'une électrovanne 20 et de l'air délivré par une électrovanne 21. La sortie des perçages borgnes 6 est reliée à un collecteur 22 de récupération-évacuation du fluide de refroidissement, lequel est constitué entièrement d'eau (vaporisée) ou entièrement d'air, ou d'un mélange des deux, les deux fluides étant régulés en température et en débit selon le processus de refroidissement. Le positionnement correct à l'entrée des perçages 6 des conduits d'amenée et d'évacuation des fluides est assuré par un dispositif de bridage fixé dans la tranche de la plaque 1 à l'aide de vis et de trous taraudés 23 réalisés entre les perçages 2 et 6. Le dispositif de refroidissement décrit ci-dessus assure une plus grande maîtrise des processus de refroidissement du plateau. Suivant une autre caractéristique du plateau de l'invention, illustrée par la figure 4, la plaque 1 est montée amovible à des fins de remplacement des résistances 13 et des résistances disposées dans les perçages 2 et, pour faciliter cet enlèvement, la plaque 1 est montée sur des ressorts hélicoïdaux 24 enfilés sur les extrémités des vis 8 et prenant appui entre la face supérieure des cales 12 et un lamage 25 réalisé dans la face interne 3 de la plaque. Le logement des ressorts 24 est calculé pour qu'en position de serrage des vis 8, les ressorts soient confinés dans leur logement en sorte que la face interne 3 de la plaque 1 et la face supérieure des galettes résistantes 13 soient bien plaquées l'une contre 1' autre. Lorsque les vis 8 sont desserrées, les ressorts 24 soulèvent légèrement la plaque 1 dès que les vis 8 libèrent cette dernière. L'invention vise également un procédé de régulation thermique du plateau ci-dessus, que l'on va maintenant décrire plus en détail en se référant à la figure 5 qui est un diagramme des températures en fonction du temps, concernant un processus de thermoformage sous pression à l'aide d'une presse conventionnelle à deux plateaux opposés pressant l'un contre l'autre deux demi-moules dans lesquels est placé le matériau, notamment un matériau composite, à mettre en forme. Dans le diagramme de la figure 5, on a représenté en T p la courbe d'évolution de la température régnant sur la face interne 3 de la plaque, prise par une sonde appropriée placée à l'endroit approprié, en TCOM la courbe d'évolution de la température régnant à l'interface plaque 1-moule porté par le plateau chauffant et prélevée dans des conditions similaires de celles de Top, en TREG la courbe d'évolution de la température détectée par une ou plusieurs sondes, dites de régulation, placées dans le plateau chauffant ou dans le moule, aux endroits les plus appropriés, et en TAD la courbe d'évolution de la température dans le plan médian du système de moule, mesurée par une sonde, ce plan médian étant considéré comme adiabatique dans la mesure où on a un moule homogène et une puissance de chauffe identique sur les deux plateaux de la presse. Lors de la mise en route des plateaux chauffants (point T0 sur la figure 5), on constate que les courbes Tp, TCoMt TREG et TAD ont des pentes qui évoluent différemment en fonction des inerties thermiques initiales des différentes parties où sont disposées les sondes et qu'à partir d'un certain moment, lesdites pentes sont identiques et les courbes sont parallèles. Cet état étant atteint, si l'on coupe totalement, comme illustré à l'instant T1, l'alimentation de toutes les résistances de chauffage, les différentes températures mesurées par les sondes vont tendre à un équilibre final TUONS, comme illustré à l'instant TF. Conformément à l'invention, on va déterminer, dans une étape dite préliminaire, la différence AT entre ladite température finale d'équilibre TCONS et la température mesurée, à l'instant T1 de mise hors service du chauffage, par la ou les sondes dites de régulation (TREG). Cette étape préliminaire s'opère avec le moule et le matériau qui feront l'objet du thermoformage sous pression ultérieur, l'instant T1 de coupure du chauffage et la température finale d'équilibre étant quelconques, pourvu que ladite coupure s'effectue à un temps T1 correspondant à un moment où lesdites courbes de température ont la même pente ascensionnelle. Le différentiel QT TCONS'TREG déterminé comme indiqué ci-dessus, étant indépendant de la valeur de la température finale d'équilibre TCONS. Une fois cette étape préliminaire effectuée, on peut lancer la fabrication réelle, avec le même moule et le même matériau, toujours conformément au procédé de la présente invention. Au temps T0 du processus, on alimente à la puissance maximale toutes les résistances dans les perçages 2 de la plaque 1, toutes les résistances plates 13, ainsi que les résistances de ceinture 14. Le temps T1 d'arrêt total de l'alimentation des résistances ci-dessus est commandé par un micro-processeur ou analogue, à partir d'une température de consigne pré-affichée TUONS, spécifique de la pièce à former et du différentiel AT déterminé dans ladite phase préliminaire et également préaffiché. Lorsqu'au cours du chauffage la différence entre TCONS affichée et la température réelle TREG de ladite ou lesdites sondes de régulation placées dans l'un des plateaux chauffants ou dans le moule, atteint en se réduisant ladite valeur AT, le micro-processeur coupe le chauffage. Dès lors, l'on atteindra avec précision la température finale d'équilibre qui est la température de consigne TCONS. Cette température est stable si l'ensemble est parfaitement isolé, mais peut diminuer plus ou moins rapidement suivant l'importance des éventuelles pertes caloriques. Généralement, l'isolation n'étant pas parfaite, il faudra compenser les pertes par un apport calorique régulé par le micro-processeur, au cours duquel seules les résistances plates 13 sous la plaque 1, ainsi que les résistances de son pourtour (14), seront mises en service. Il n'est pas nécessaire d'effectuer cette compensation dès l'instant T1, mais seulement au bout d'un laps de temps At après T1, correspondant à une égalisation approximative des différentes températures. Grâce à cette compensation, on maintient au-delà du temps TF la différence TCONS - TREG nulle ou quasi-nulle. Pour chaque type ou modification dimensionnelle du système de moule et pour chaque type de matériau à thermoformer, il faut bien entendu réaliser une étape préliminaire de détermination dudit paramètre AT. La structure du plateau, en particulier l'agencement des différentes résistances électriques de chauffage et des moyens de refroidissement combinés air/eau également pilotés par le micro-processeur, confèrent à la plaque 1 une très grande homogénéité de température sur toute sa surface, y compris les zones de bordure et une très grande précision de la température d'équilibre et, ce, dans le minimum de temps, grâce au processus particulier de régulation thermique exposé plus haut et permettent une très bonne maîtrise des phases de refroidissement du plateau. Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne la nature, le nombre et la disposition des différents circuits résistants électriques, tant dans l'épaisseur de la plaque 1 que sous cette dernière (galettes 13) ou sur son pourtour (14). REVENDICATIONS =:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:= 1. Plateau chauffant de thermoformage sous pression notamment de matériaux composites, du type à résistances électriques, caractérisé en ce qu'il est constitué - d'une plaque métallique de chauffage (1), plane et d'égale épaisseur, - d'une première série de perçages (2) parallèles entre eux et aux faces de la plaque, réalisés dans l'épaisseur de la plaque, - d'au moins une résistance électrique blindée (R) disposée dans chaque perçage de ladite première série, - d'une seconde série, réalisée dans l'épaisseur de la plaque, de perçages (6) parallèles aux perçages de la première série (2) et dans le même plan que celle-ci, - de moyens (18 à 21) de refroidissement agencés dans chacun des perçages de ladite seconde série (6) - de résistances électriques de type galette (13), accolées à la face interne de la plaque de chauffage (1) sur pratiquement toute sa surface, - d'un circuit résistant électrique de chauffage (14) ceinturant ladite plaque de chauffage (1) sur ses quatre tranches latérales, - de moyens (9,10,15) d'isolation thermique envelop pant la plaque de chauffage excepté la face externe (4), - de moyens (7,8) de support mécanique de l'ensemble plaque (1)-moyens d'isolation (9,10,15), et - de moyens de régulation desdits circuits électriques résistants et moyens de refroidissement. 2. Plateau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement sont constitués par une douchette (18) introduite dans chaque perçage (6), de préférence borgne, et alimentée par un fluide liquide et/ou un fluide gazeux, régulés en température et en débit, et des moyens (22) de récupération et évacuation du ou des fluides. 3. Plateau suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit électrique résistant ceinturant la plaque de chauffage (1) est constitué par une ou plusieurs résistances électriques blindées (14) plaquées sur la tranche de la plaque de chauffage (11) et montées sur une cale (12) de retour calorifique, elle-même entourée par lesdits moyens (9,10,15) d' isolation thermique. 4. Plateau suivant l'une des revendications 1 å 3, caractérisé en ce que ladite plaque de chauffage (1) est montée amovible sur un plateau métallique support (7), & l'aide de vis (8) traversant les moyens d'isolation thermique (9,10), une plaque de retour calorifique (11) ainsi que des cales de retour calorifique (12) entretoisant lesdites résistances de type galette (13), et engagées dans la face interne (3) de ladite plaque de chauffage, des ressorts hélicoïdaux (24) étant enfilés sur lesdites vis (8), entre lesdites cales de retour calorifique (12) et la face interne (3) de la plaque de chauffage, en sorte de soulever cette dernière au dessus du plateau lors de son dévissage. 5. Plateau suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau d'isolation thermique est constitué de deux couches superposées (9,10) interposées entre une plaque de retour calorifique (11), elle-même disposée sous lesdites résistances de type galette (13) et lesdits moyens de support (7), la couche (9), côté support (7), ayant une capacité d'isolation thermique et une résistance à la pression respectivement inférieure et supérieure à celles de la couche (10), côté plaque de chauffage (1). 6. Procédé de régulation thermique du plateau selon l'une des revendications 1 à 5, en vue d'amener et maintenir la température d'un matériau placé dans un moule, lui-même disposé entre deux plateaux chauffants identiques d'une presse, à une température de consigne prédéterminée, caractérisé en ce qu'il consiste a) dans une étape préliminaire, à déterminer, pour chaque type de moule, la différence ( AT) entre une température d'équilibre (TCONS) atteinte par le matériau moulé et la température (TREG) correspondante fournie par une ou plusieurs sondes de température disposées dans le plateau ou dans le moule et mesurée à l'instant de la mise hors service des moyens de chauffage de la plaque (1), puis b) dans 1' étape de thermoformage mettant en oeuvre ladite température de consigne prédéterminée (TCONS), à alimenter à la puissance maximale l'ensemble des résistances électriques dans, sous et autour de la plaque de chauffage (1), puis å couper totalement l'alimentation dès que la différence entre la température de consigne (TCONS) et la température (TREG) mesurée par ladite sonde disposée dans le plateau ou le moule atteint ladite différence ( au) déterminée à l'étape a) et, enfin, à compenser les éventuelles pertes calorifiques en alimentant en conséquence uniquement les résistances (13,14) sous la plaque de chauffage (1) et sur son pourtour, en sorte de maintenir sensiblement nulle la différence entre la température de consigne (TCONS) et la température mesurée par la sonde (TREG).