Brevet FR2865156A1 — publié le 20050722

DISPOSITIF DE DÉPOSE DE NAPPE OU DE FILS DANS UN MOULE POUR LA FABRICATION DE PIÈCES EN MATÉRIAUX COMPOSITES. La présente invention se rapporte au domaine des installations destinées à la fabrication de matériaux composites, présentant de grandes qualités mécaniques. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif et son procédé de fabrication automatisée de pièces de grandes dimensions en matériaux composites à hautes performances mécaniques. L'art antérieur connaît déjà des appareils destinés à réaliser des textiles sophistiqués, comportant en particulier une pluralité de matière différente. Néanmoins, les matériaux qui sont toujours des matières textiles. En effet, à l'heure actuelle, il n'existe aucun processus automatisé de fabrication de pièces en composites à fibres longues, permettant d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées, dans le cadre d'un environnement de fonctionnement à contraintes sévères. Cette constatation s'applique en particulier aux fabricants d'éoliennes et de pales d'éoliennes qui investissent pourtant lourdement depuis plusieurs années pour maîtriser leur propre fabrication de pales et améliorer les rendements. Ainsi, il n'y a pas sur le marché d'appareils destinés à la fabrication de matériaux composites de grandes dimensions, automatisant toutes la chaîne de production de sorte qu'un nombre très limité d'opérateurs est nécessaire, le matériau composite conservant toutes ses qualités mécaniques. 2865156 2 La présente invention entend remédier aux lacunes de l'art antérieur en proposant un système de dépose de matériaux composites à fibres longues dans un moule, à l'identique du travail réalisé par des opérateurs humains. Ce système automatisé de fabrication de matériaux composites est apte à produire des matériaux composites à grande échelle, tels que pour la réalisation de pièces dans des moules de forme gauche de mats ou analogues. Pour ce faire, la présente invention concerne un dispositif pour la fabrication de matériaux composites à hautes performances mécaniques, comportant au moins un moule dans lequel est déposée la matière destinée à la fabrication dudit matériau composite, une machine-outil comprenant un portique mobile, situé au-dessus dudit moule, portant au moins une tourelle de stockage de fils, ladite machine-outil comportant un bras dévidoir pour le dépôt de la matrice du matériau composite, ainsi qu'une interface de dépose, gérée par un moyen de commande, pour la dépose puis la découpe des fils formant le renfort du matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de convoyage desdits fils pour l'acheminement desdits fils dans la susdite interface de dépose à destination d'un moyen d'application dans le moule, ledit moyen de convoyage étant apte à répartir l'effort d'entraînement par contact avec lesdits fils. Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprendra un moyen de mise en tension des fils. Selon un mode d'exécution préféré, le dispositif de l'invention comprendra au moins une nacelle, fixée sur le portique, destinée à translater la susdite tourelle de stockage et le bras dévidoir. Avantageusement, le dispositif de l'invention comprendra un moyen d'imprégnation des fils par la matrice. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen d'imprégnation comprendra une buse de déposante chauffante pour l'acheminement de la matière formant matrice, les fils venant s'enfoncer dans la résine lors de leur passage dans l'interface de dépose. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen d'imprégnation comprendra un bac étanche disposant d'au moins une fente calibrée à la section des fils, ledit bac étanche comportant la matière formant matrice. De préférence, le moyen d'application, fixé à l'interface de dépose, consistera en un rouleau de dépose apte à agir en pression sur les fils déposés. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la tourelle de stockage des fils pourra comprendre une pluralité de pylônes montés rotatifs comportant une pluralité de rouleaux de fils. Avantageusement, le dispositif de l'invention 25 comprendra un collecteur de fils provenant de chacun des rouleaux de fils. De préférence, les fils seront de la fibre de verre et/ou de la fibre de carbone, d'aramide ou tout autre fibre 30 synthétique et/ou végétale. Grâce à l'invention, le dispositif permet d'effectuer toutes les étapes suivantes: 2865156 4 - dépôt d'une nappe ou des fils de fibre de verre (carbone, d'aramide ou tout autre fibre synthétique et/ou végétale), dépôt ou pulvérisation des Gelcoats et des 5 agents de démoulage, définition des points sur la surface du moule, - usinage (découper, ébavurer...), dans deux moules de forme concave, par exemple un moule intrados et un moule extrados pour former une pâle 10 d'éolienne. la présente invention permet également: - la dépose de fils de fibre de verre pré-imprégnés, - la découpe de nappes de fibre de verre pré-15 imprégnées, - l'enroulement filamentaire sur un mandrin (moule longeron) ou tout autre forme de révolution. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la 20 description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: - la figure 1 illustre une vue en coupe du dispositif selon l'invention avec son portique, la nacelle, la tourelle 25 et le bras dévidoir; - la figure 2 illustre une vue partielle en coupe de l'interface de dépose suivant un mode de réalisation; - la figure 3 illustre une vue partielle en coupe de l'interface de dépose suivant un deuxième mode de réalisation; et - la figure 4 illustre une vue partielle en coupe de l'interface de dépose suivant un troisième mode de réalisation. 2865156 5 Comme visible sur la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend un portique 1 présentant la forme d'un U évasé inversé. Ce portique 1 comprend, bien entendu, une fente centrale 2 pour le passage notamment du bras dévidoir 4, ledit portique 1 étant placé en surplomb, ou au-dessus, d'un moule, non représenté sur les figures annexées, nécessaire pour réaliser un matériau composite. En effet, la présente invention entend s'appliquer aux procédés de réalisation d'un matériaux composites utilisant au moins un moule. À titre d'exemple, dans le cas de la réalisation d'une pâle de grandes dimensions, il sera nécessaire d'avoir un moule pour l'intrados et un moule pour l'extrados. Le portique 1 portera de part et d'autre de la fente centrale 2 une nacelle 3 permettant d'opérer la direction du bras dévidoir 4 le long de la fente centrale 2. Enfin, sur la nacelle 3 se trouve la tourelle circulaire 5 disposant d'une pluralité de pylônes 5' comportant chacun une pluralité de bobines de fils destinés à former le coeur ou le renfort du matériau composite. Dans un mode de réalisation particulier, le portique 1 effectue un déplacement longitudinal perpendiculairement, ou transversalement, à l'axe de la fente linéaire 2 sur une longueur de 55 mètres. Bien entendu, cette longueur pourra être largement supérieure et dépassée les 100 mètres. Le poids embarqué de ce portique 1 se situera entre 7 et 8 tonnes, tandis que la largeur entre les deux rails de guidage, non visible sur les figures annexées, sera comprise entre 5 et 8 mètres. Le portique 1 a pour fonction de présenter le bras dévidoir 4 et l'interface de dépose 6 dans les différentes positions: de travail, - de maintenance, - d'essais et de contrôle. Ce portique 1 doit pouvoir se déplacer suivant deux 5 vitesses: une vitesse Vt de travail (250mm/s), une vitesse Vr de retour (2 à 4 x Vt). Une échelle et une plate forme aux normes en vigueur permet à l'opérateur de monter sur la nacelle 3. Une pluralité d'éléments est fixée au portique 1, notamment: - la tourelle 5 stockant le filament (fils formant le renfort ou le coeur du matériau composite), - la nacelle 3 supportant le robot 7 actionnant l'interface de dépose 6, la tourelle 5 et le bras dévidoir 4, - le bras dévidoir 4 qui achemine les filaments vers l'interface de dépose 6 géré par le robot 7. La tourelle 5 comporte un magasin de bobines de fils fibre. Le magasin de fibre est constitués de différents éléments 5' permettant de dévider des fils de fibre conditionnés en bobines. Chaque fil part d'une bobine en cours d'utilisation jusqu'à un collecteur, non représenté sur les figures annexées, placé au centre de la tourelle 5. Les bobines ont une masse unitaire d'approximativement 24 kilos et les dimensions suivantes 310 x 165 x 260 (millimètres). Bien entendu, ces dimensions et ce poids ne reflètent qu'un mode de réalisation et ne constituent pas un critère limitatif. Les bobines sont enfilées sur des pylônes rotatifs afin d'éviter le cumul d'enroulement du fil. Le nombre de pylônes 5' correspond au nombre de fils de fibre de verre constituant la nappe finale. La disposition circulaire des pylônes 5' sur le plancher de la tourelle 5 permet un cheminement rectiligne sans renvoi de chaque fil vers le collecteur central. Sur chaque pylône 5' plusieurs bobines sont enfilées les unes sur les autres afin de limiter les phases d'arrêt pour le rechargement du système. Les bobines sont dévidées sur chaque pylône 5', niveau par niveau. Les premières bobines dévidées sont celles qui sont placées en haut de chaque empilement, la bobine du bas supportant la masse des autres bobines. Au fur et à mesure que les bobines se vident, le fil venant du pylône change de niveau (ler niveau, 2ème niveau, 3ème niveau). La position du fil dépend de la position de la bobine dévidée. Un système mécanique et automatique doit assurer un renvoi du fil vers le bas. Ce système limite toujours les écarts angulaires entre l'axe de la bobine et le fil (90 +/15 ) avant qu'il ne descende dans le collecteur central. Le fil de fibre de la bobine vide est lié au fil de la bobine suivante pour assurer la continuité de l'alimentation en fil de fibre. La jonction (ou l'éclissage) des fils de deux bobines différentes doit résister aux efforts de convoyage. Cette jonction se fait par collage de manière quasiinstantanée. Cette jonction ne rend pas les fils rigides ni n'augmente la largeur du fil à plat. 2865156 8 Les magasins comportant la pluralité de bobines de fil disposent de points de levage pour être déposés et mis au sol pour rechargement des bobines par un opérateur. Toute la mécanique et la motorisation de la tourelle sont protégées par étanchéité contre les petits morceaux de fils de verre, ou de carbone, qui sont disséminés dans l'air. La nacelle 3 est montée sur un axe transversal par rapport à l'axe de déplacement longitudinal du portique 1, qui permet au robot 7 d'accéder à toute la largeur du portique 1. Cet axe transversal permet d'éviter les positions extrêmes des axes du robot 7. La nacelle supporte la charge du robot 7, de la tourelle 5, des bobines de filaments, du bras dévidoir 4 ainsi que de divers équipements (hydrauliques, électriques, pneumatique... ). Le bras dévidoir 4 est composé de plusieurs éléments: - le corps du bras, - le système d'entraînement des fils, - le tendeur d'extrémité. Le corps du bras dévidoir 4 est solidaire de la tourelle 5 et suit les déplacements angulaires de la tourelle 5. Le corps du bras dévidoir 4 intègre, par sa géométrie, le système d'entraînement des fils venant du collecteur. Le système d'entraînement des fils constitue un élément clé de la présente invention. Il est composé de différents 30 ensembles: - un tapis roulant motorisé, - un tapis roulant fou (libre de rotation), - un réglage de tension des tapis, - un réglage de pression entre les tapis, un système d'accès rapide aux fils entre les tapis. Le système d'entraînement des fils, à la sortie du collecteur, est placé dans la partie du corps du bras 5 dévidoir 4 située sous la tourelle 5. Le système d'entraînement des fils s'effectue à plat. Chaque fil doit être guidé à l'entrée et à la sortie du système pour que tous les fils cheminent parallèlement. Un capteur doit permettre de détecter toute surtension des fils à l'entrée du système d'entraînement des fils de fibre. Le tendeur d'extrémité assure la tension des fils quelle que soit la position du robot, ainsi à chaque fil 15 correspond un guide tendeur (pièce flexible équipée d' oeillets) . L'interface de dépose des fils comprend une pluralité d'éléments, non représentés sur les figures anexées: - un ensemble de perches à oeillets équipées de passes fils réceptionne les fils venant du bras dévidoir 4 (même principe que le bras dévidoir), - un premier tapis roulant qui entraîne les fils de fibre venant du bras dévidoir 4, - un ensemble mécanique assure la découpe de la nappe, - un deuxième tapis roulant de réamorçage après découpe, - un système d'imprégnation de matrice, en 30 l'occurrence de la résine époxy, - un ensemble mécanique assure le réamorçage du renfort, ou de la nappe, après découpe, 2865156 10 De façon optionnelle, on pourra également prévoir un ensemble d'encollage de thermoplastique (assemblage des fils pour la découpe). L'interface réceptionne les fils par un collecteur; les tiges flexibles équipées d'oeillets (type canne à pêche) reprenant le principe utilisé sur le tendeur d'extrémité du bras dévidoir 4. Les fils sont réceptionnés et repositionnés sous forme de nappe (placement des fils en bord à bord des fils mis à plat et parallèles) puis les fils sont ensuite entraînés par un premier ensemble de tapis roulant 12 en élastomère. La nappe de fils passe entre deux tapis roulants 13 flasqués pour assurer l'entraînement de la nappe (courroies fabriquées en élastomère, type courroie crantée). De façon accessoire, on pourra prévoir que la nappe, lors de son assemblage, est collée par un fils thermoplastique déposé à 70 /90 par rapport au sens de la fibre. Dans un mode de réalisation représenté sur la figure 2, Les fils de fibre secs arrivant à l'entrée du convoyeur de l'interface (convoyeur interface) entrent en contact avec le film de résine 9 semi-liquide, ou pâteux. La résine 9 est acheminée en phase liquide (visqueuse) par des tuyaux réchauffés 10 jusqu'à la buse de dépose 11. La buse de dépose 11 est chauffante et calibre la résine en film de section rectangulaire (extrusion). La température de la buse 11 doit être régulée en permanence pour conserver la bonne consistance de la résine 9 (consistance de la cire calibrée). La section du film est déterminée par la largeur de la nappe d'une part et par le taux d'imprégnation désiré d'autre part. Les fils de fibre 8 disposés parallèlement et bord à bord vont lors de leur passage dans le convoyeur d'interface s'enfoncer légèrement dans le film de résine. La cohésion des fils 8 entre eux à la sortie du convoyeur d'interface est assurée par le film de résine 9. Le déroulement de la nappe commande l'alimentation en résine 9 du système. Selon un autre mode de réalisation de l'imprégnation de fils de fibre 8, représenté sur la figure 3, on pourra prévoir que les fils de fibre 8 secs pénètrent dans un bac 14 par une fente calibrée à la section des fils de fibre 8 secs. Dans ce cas, le bac 14 contient la matrice (résine époxy et durcisseur), qui est régulée (température, niveau, pression...). La nappe imprégnée ressort par une fente calibrée. L'imprégnation de la nappe est directement fonction: - des dimensions de la fente de sortie, - de la pression dans le bac, - de la température du système époxydique (ou autre). Le dernier mode d'imprégnation choisi pour illustrer l'invention, et représenté sur la figure 4, consiste en la dépose d'un film époxy liquide sur une des faces de la nappe: l'objectif est ici de rendre le système époxy électrostatique (chargé négativement) à l'aide d'une électrode 15. Cette électrode 15 est placée dans une buse extrudeuse qui fabrique le film de matrice 9. Cette buse peut chauffer la matrice 9. La découpe des fils de fibre, formant le renfort ou le coeur du matériau composite, est effectuée par cisaillement grâce à une lame de découpe 16. Dans les variantes d'imprégnation des fils de fibre 8 représentées sur les figures 2 et 3: l'imbrication des fils 8 dans le film de résine 9 permet d'effectuer des coupes franches. La résine 9 assure le maintien des fils 8 entre eux. Les fils de fibre 8 restent solidaires du film 9 après la coupe et peuvent ainsi être entraînés vers le deuxième convoyeur d'interface pour être placés sous le rouleau applicateur 17. Dans la variante d'imprégnation des fils de fibre représentée sur la figure 4: il est nécessaire de tenir compte de l'absence de liaison entre les fils de fibre 8. En effet, la coupe s'effectue avant la phase d'encollage avec la résine 9. De façon optionnelle et afin d'assurer une découpe parfaite, il est prévu d'imprégner la nappe d'un cordon de polymère thermoplastique disposé en amont du tapis roulant 12. Ce dernier appliquera une pression sur le cordon en fusion le faisant migrer dans la fibre 8. Le cordon se solidifiera lors du parcours de la nappe entre les deux tapis 12. La découpe est effectuée par cisaillement de la nappe au droit de l'encollage du thermoplastique. L'emplacement de la découpe se situe après le tapis 12, c'est-à-dire avant que les fils 8 ne soient imprégnés de matrice 9. Un système mécanique de réamorçage permet à cette nappe de se positionner entre le moule et le rouleau applicateur 17. Dans un mode de réalisation, le système d'axe mobile suit une trajectoire elliptique (bielle-manivelle) et dans un autre mode de réalisation, une plaque courbée au rayon du rouleau qui vient plaquer la nappe sur le rouleau 17 2865156 13 (mouvement de rotation), le robot 7 adoptera une position inclinée au départ de la trajectoire pour pincer la chute. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. 2865156 14 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la fabrication de matériaux composites à hautes performances mécaniques, comportant au moins un moule dans lequel est déposée la matière destinée à la fabrication dudit matériau composite, une machine-outil comprenant un portique (1) mobile, situé au-dessus dudit moule, portant au moins une tourelle (5) de stockage de fils (8), ladite machine-outil comportant un bras dévidoir (4) pour le dépôt de la matrice (9) du matériau composite, ainsi qu'une interface de dépose (6), gérée par un moyen de commande (7), pour la dépose puis la découpe des fils (8) formant le renfort du matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de convoyage (12, 13) desdits fils pour l'acheminement desdits fils dans la susdite interface de dépose (6) à destination d'un moyen convoyage (12, 13) dans le moule, ledit moyen de convoyage (12, 13) étant apte à répartir l'effort d'entraînement par contact avec lesdits fils (8). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de mise en tension des fils. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une nacelle (3), fixée sur le portique (1), destinée à translater la susdite tourelle (5) de stockage et le bras dévidoir (4) perpendiculaire à l'axe de déplacement du portique (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'imprégnation (11, 14 ou 15) des fils (8) par la matrice (9). 2865156 15 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'imprégnation (11) comprend une buse de déposante chauffante pour l'acheminement de la matière formant matrice (9), les fils (8) venant s'enfoncer dans la résine (9) lors de leur passage dans l'interface de dépose (6). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'imprégnation (14) comprend un bac étanche disposant d'au moins une fente calibrée à la section des fils (8), ledit bac (14) étanche comportant la matière formant matrice (9). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'application, fixé à l'interface de dépose (6), consiste en un rouleau de dépose (17) apte à agir en pression sur les fils (8) déposés. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tourelle (5) de stockage des fils comprend une pluralité de pylônes (5') montés rotatif comportant une pluralité de rouleaux de fils (8). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un collecteur de fils provenant de chacun des rouleaux de fils (8). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils (8) sont de la fibre de verre et/ou de la fibre de carbone, d'aramide ou tout autre fibre synthétique et/ou végétale.