Brevet FR2847564A1 — publié le 20040528

Machine permettant de fabriquer des pièces clindriques en composite par centrifugation et en enroulant une nappe continue de fils de renfort. Domaine technique La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux machines de fabrication de pièces cylindriques en composite utilisant le principe de centrifugation. Ce perfectionnement consiste à permettre la dépose d'une nappe 10 continue de fils de renfort à l'intérieur d'un tube en rotation que l'on appellera dans la suite du document mandrin. Ce principe de dépose de renfort est caractéristique de l'enroulement " filamentaire " mais celle-ci est effectuée sur la surface extérieure du mandrin. Le principe de la présente invention est donc de réaliser cet enroulement de fils continus de renfort à l'intérieur d'un mandrin en rotation. L'idée est donc de combiner les principes des procédés de centrifugation et d'enroulement filamentaire afin d'en cumuler les avantages. Ces avantages étant principalement pour la centrifugation: Des états de surface interne et externe très lisses; * Un parfait dégazage (ou " débullage ") de la stratification améliorant l'adhérence des renforts à la matrice et donc les performances mécaniques du matériau; 25. Les matériaux de renfort étant généralement plus denses que la résine, une répartition des matériaux allant dans le sens d'une meilleure étanchéité aux fluides, la concentration de résine étant plus forte sur la face interne du tube; * Une tension homogène sur toute la longueur des fils de renfort permettant une bonne prise en charges des contraintes; * Un démoulage facile car le retrait d à la polymérisation (environ 1 à 2% pour une résine polyester) s'opère dans le bon sens; ò La possibilité de fermer aisément aux extrémités le mandrin afin d'isoler l'environnement extérieur des émissions de solvant tel que le styrène et de traiter plus facilement ce type de rejet; * La possibilité de faire une structure sandwich. pour l'enroulement " filamentaire " De part la continuité des fils de renfort, l'obtention de performances mécaniques optimales. Techniques antérieures Pour fabriquer des pièces de révolution en composite, on utilise donc généralement deux procédés industriels qui sont: la centrifugation et l'enroulement filamentaire. Pour la centrifugation, le principe peut être le suivant: Après avoir déposé un renfort à l'intérieur du tube sous forme d'un tissu de 15 renforts aux fibres orientées appeler "rowing"; le mandrin est mis en rotation rapide, puis la résine est introduite progressivement à l'aide d'un dispositif d'épandage. Enfin le mandrin est mis en rotation très rapide pour assurer le compactage, l'imprégnation de la résine et le dégazage. La polymérisation s'opère à vitesse de rotation plus faible. Celle-ci peut être 20 accélérée en chauffant le moule ou en insufflant de l'air chaud. L'opération peut être répétée plusieurs fois afin de disposer plusieurs couches ou de réaliser une structure sandwich. Ce processus peut être simplifier par la dépose en simultanée de fibres de renfort coupées et de résine. Exemple de fabrication: Réservoir pétrolier intégrant une âme gravillonnaire Exemple de vitesse de rotation nécessaire: diamètre 200 par 1500 et épaisseur de 4 mm * Introduction de la résine: 500 tr/min. * Imprégnation: 3 mm à 1700 tr/min. Pour l'enroulement filamentaire le principe peut être le suivant: Un mandrin constituant le moule sur lequel se forme la pièce est mis en rotation sur un portique de fabrication appelé vireur. Cette vitesse de rotation permet une vitesse d'enroulement d'une nappe de fils de renforts de l'ordre d'un mètre par seconde. La nappe de fils est enroulée en plusieurs couches sur le mandrin et est distribuée à l'aide d'un chariot d'alimentation. Ce chariot assure l'amené des fils des dévidoirs des bobines, la constitution de 10 la nappe, la tension, son imprégnation par de la résine et enfin sa dépose le long du mandrin. Ce chariot travaille comme celui d'un tour métallurgique en plusieurs passes et avec une avance qui est fonction de la largeur de la nappe. Après polymérisation le mandrin doit pouvoir se rétracter afin de libérer la pièce. Différentes sophistications de ce principe existent qui permettent des enroulements hélicodaux ou des enroulements sur des pièces aux surfaces complexes telles que des réservoirs de fusée ou des pales d'hélicoptère. Ce principe permet la fabrication de très grandes pièces. Il permet surtout d'atteindre des caractéristiques mécaniques très élevées. Les fils de renfort utilisés doivent être non torsadés et sont appelé communément " stratifil ", leur titre (masse en g au km) et de l'ordre de 2200 tex. Exposé de l'invention Le principe de l'invention consiste à combiner les principes des deux procédés précités en créant un dispositif d'amené de fils et de résines capable: * de stocker les bobines de renfort, * de constituer une nappe ou un ensemble de fils et de les amener dans une machine de centrifugation; * de guider et déposer les fils sur la surface interne du mandrin par enroulement, * d'amener la résine à la demande. Pour cela ce dispositif d'amené de fils et de résine que l'on appellera dans la suite du document " dispositif d'alimentation rotatif ", doit pouvoir fonctionner dans le référentiel tournant du mandrin en rotation. Ce dispositif doit tourner à une vitesse proche du mandrin. Ce décalage de vitesse correspond dans ce référentiel tournant à la vitesse utilisée pour enrouler une nappe de fils de renfort lors d'un procédé d'enroulement filamentaire. Ce décalage de vitesse entre deux machines tournantes peut être facilement réalisé 10 électroniquement par un asservissement par variation de fréquence des alimentations des moteurs d'entraînement. La fabrication d'une pièce simple s'opère alors de la manière suivante: 1. Le mandrin est mis en rotation; 2. Une première couche de résine est répandue par le dispositif d'alimentation rotatif lui-même en rotation à un delta de vitesse donné par rapport à la vitesse de rotation du mandrin. Ce delta correspond à la vitesse d'enroulement de la nappe de fils de renfort à l'intérieur du mandrin; 3. Puis les fils sont amenés et déposés en couche successive sur la surface interne du mandrin ainsi qu'un apport régulé de résine; 4. Lorsque l'épaisseur voulue de stratifié est atteinte, le dispositif d'alimentation rotatif est désengagé du tube; 5. Le mandrin est mis en rotation rapide de compactage, d'imprégnation de résine et de dégazage; 6. La polymérisation est réalisée en rotation plus lente éventuellement aidée par un chauffage. Les avantages principaux de cette innovation sont: * Une fermeture possible des extrémités lors du dépôt de résine permettant de 30 réduire les émissions de styrène (dispositif de chauffage et d'évacuation possible des gaz dans l'axe) La centrifugation et des densités des matériaux utilisés donnant une concentration de résine plus forte à l'intérieur du tube qu'en périphérie et donc une meilleure étanchéité. Un dégazage et compactage important donnant de bonne caractéristique mécanique; U Une tension parfaitement homogène des fils sur toute leur longueur; * La possibilité d'ajouter une âme (structure sandwich) avec une dépose filamentaire; * La possibilité d'ajouter des noyaux dans le mandrin afin de réaliser des réservations, moyennant le réglage de l'équilibrage des ensembles en rotation. Description sommaire des dessins L'invention et les avantages qui en ressortent seront mieux compris grâce à l'exemple de réalisation qui est donné à titre indicatif mais non limitatif, et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels La figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation permettant de réaliser un enroulement filamentaire à l'intérieur d'un mandrin d'une machine de centrifugation; La figure 2 est une vue de détail du dispositif d'alimentation rotatif permettant d'amener la résine et les fils sur la face interne du mandrin en rotation d'une machine de centrifugation. Manière de réaliser l'invention En se reportant aux figures annexées, le dispositif conforme à l'invention est destiné à enrouler une nappe de fils de renfort à l'intérieur du mandrin d'une machine de centrifugation. D'une manière générale, il en ressort de la figure 1, une telle ligne de production se compose donc essentiellement d'une machine de centrifugation, désignée par la référence générale (1) permettant de former la pièce cylindrique. Cette machine est constituée principalement d'un mandrin mis en rotation sur des galets et du dispositif d'alimentation rotatif, désignée par la référence générale (2) permettant d'amener la résine et les fils de renfort et d'enrouler ces derniers sur la surface interne du mandrin. Le dispositif d'alimentation rotatif représenté en détail par la figure 2 est constitué principalement d'un arbre creux monté sur un équipage mobile (4) permettant les mouvements de chariotage à l'intérieur du mandrin (5), Cet arbre creux est équipé d'un barillet (6) permettant de stocker un nombre de bobines (7) de fils de renfort (sur la figure 2 huit bobines sont représentées). On peut envisager plusieurs barillets (6) en série sur le même arbre creux (3) afin d'augmenter le nombre de fils déposés et ainsi réduire les temps d'enroulement. Les bobine de fils (7) étant.installées, chaque fil est tiré de l'intérieur de la bobine et guidé par un ensemble de galets asservis guide fil (8) dont les rôles sont: - de presser le fil; - de réguler la tension du fil - d'être moteur lors de la phase de mise en place du fil au travers de l'arbre creux (3) ceci avant le démarrage des opérations de fabrication. Un systèmes de guidage par jet d'air (9) permettant d'amener le fil jusqu'au guidage final (12) sur le mandrin (5). Ce système est réalisé par un tube cintré avec un revêtement anti-adhérent type téflon au point o il y a un changement de direction (11). Dans une autre réalisation, un système de renvoi à 90 par galet (non représenté) peut être employé. - De sectionner le fil par blocage des galets lorsque la quantité de renforts est atteinte, juste avant la phase dé centrifugation à grande vitesse; - De contrôler par un asservissement la quantité de fil enroul&. Chaque fil est ainsi guidé jusqu'à la zone de dépose (12) sur le mandrin. Le bras de guidage (13) amenant le fil à zone de dépose (12) peut être constitué d'un tube avec en extrémité (12) un oeillet en céramique. Chaque tube peut être démontable et être remplacé par un autre plus court ou plus long selon le diamètre du mandrin (5). Il y a bien entendu autant de tubes que de fils répartis en extrémité sur la circonférence de l'arbre creux (3). Le fil ressortant de l'oeillet en céramique (12) est plaqué sur la surface interne du mandrin par la force centrifuge. Le jet d'air (9) ne sert que lors de la phase de départ afin de positionner le fil en lui faisant traverser l'arbre creux (3) et le bras de guidage (13). La résine est stockée à l'extérieur du dispositif d'alimentation rotatif ainsi que la pompe d'alimentation qui est elle aussi externe. Un flexible muni d'un raccord rotatif est branché à l'extrémité de l'arbre creux (3) au tube de transport (14> qui alimente la tête de projection de résine (15). L'ensemble est supporté par un bâti lourd et renforcé (16). Un équilibrage dynamique du barillet (6) est réalisé au moyen de vérins déplaçant des masselottes, ceux-ci étant asservis à des paliers dits intelligents munis de capteurs de contrainte. La course de l'ensemble d'alimentation correspond à la longueur de la pièce usinée (L) 1 Procédé de fabrication de pièce cylindrique en composite par centrifugation du type à faire tourner un mandrin à grande vitesse, à amener une résine à l'intérieur du dit mandrin, puis à réaliser la mise en forme et le compactage et le dégazage de la résine, puis à assurer une polymérisation à vitesse de rotation plus faible, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, après qu'une première couche de résine ai été répandue, à amener de la résine de manière régulée et 10 des fils de renfort et à les déposer en couches successives sur la surface interne du mandrin déjà enduit de résine par une distribution rotative selon une vitesse proche de celle du mandrin avec un décalage de vitesse correspondant dans ce référentiel tournant à la vitesse utilisée pour enrouler la nappe de fil et une avance des moyens d'alimentation par un mouvement de chariotage, moyens se désengageant lorsque l'épaisseur voulue de stratifié est atteinte. 2 Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il se compose d'une machine de centrifugation (1) permettant de former la pièce cylindrique, constituée principalement d'un mandrin mis en rotation sur des galets et du dispositif 20 d'alimentation rotatif formé d'un arbre creux (2) permettant d'amener la résine et les fils de renfort et d'enrouler ces derniers sur la surface interne du mandrin, le dit arbre creux étant monté sur un équipage mobile (4> permettant des mouvements de chariotage à l'intérieur du mandrin (5), le dit arbre creux étant équipé d'au moins un barillet (6) permettant de stocker un nombre de bobines (7> de fils de renfort. 3 Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque fil est tiré de l'intérieur de la bobine correspondante. et guidé par un ensemble de galets asservis guide fil (8) permettant de presser le fil, de réguler la tension du fil, d'être moteur lors de la phase de mise en place du fil au travers de l'arbre creux (3) ceci avant le démarrage des opérations de fabrication. 4 Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système de guidage par jet d'air (9) permettant d'amener le fil jusqu'à un guidage final (12) sur le mandrin (5). Dispositif selon les revendications 2, 3 et 4 caractérisé en ce que le système de guidage comporte en outre pour chaque fil guidé, un tube cintré avec un revêtement anti-adhérent type " TEFLON " au point o il y a un changement de direction (11). 60 Dispositif selon les revendications 2, 3 et 4 caractérisé en ce que le système de guidage comporte en outre un système de renvoi à 900 par galet. Dispositif selon revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que chaque tube comporte en extrémité un oeillet en céramique (12) Dispositif selon revendication 5 ou 6 et 7 caractérisé en ce que chaque tube est démontable de sorte à pouvoir être remplacé par un autrq plus long ou plus court selon le diamètre du mandrin (5). 90 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs barillets (6) en série sur le même arbre creux (3) afin d'augmenter le nombre de fils déposé et ainsi réduire le temps d'enroulement avec autant de tubes que de fils répartis. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 caractérisé en ce que la résine 10 est stockée à l'extérieur du dispositif d'alimentation rotatif (3) ainsi que la pompe d'alimentation de la dite résine qui est elle aussi externe et en ce qu'un flexible muni d'un raccord rotatif est branché à l'extrémité de l'arbre creux (3) à un tube de transport (14) qui alimente une tête de projection de résine (15). 110 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 caractérisé en ce que l'ensemble est supporté par un bâti lourd et en ce qu'un équilibrage dynamique du barillet (6) est réalisé au moyen de vérins déplaçant des masselottes, ceux-ci étant asservis à des paliers dits intelligents munis de capteurs de contrainte. 12 Dispositif selon l'une des revendications 2 à 11 caractérisé en ce que le mandrin (1) et l'arbre creux (3) sont entraînés par des moteurs distincts dont le décalage de vitesse de rotation est réalisée électroniquement par un asservissement par variation de fréquence des dits moteurs d'entraînement.