Brevet FR2878779A1 — publié le 20060609

DISPOSITIF DE DRAPAGE DE BANDES SOUPLES PRE-IMPREGNEES DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un dispositif de drapage de bandes souples pré-imprégnées. L'invention a pour objet la fabrication de pièces composites de formes complexes et quelconques nécessitant un fort apport de chaleur en utilisant un mode de chauffage à l'aide d'une source d'énergie dirigée vers une bande pré-imprégnée, et où un moyen d'application de pression composé de rouleaux assure la mise en forme de la bande sur son support. Les structures composites constituées de renforts en fibres longues et d'une matrice en polymère sont généralement fabriquées avec des bandes de pré- imprégnés superposées et drapées dans des directions adéquates manuellement ou automatiquement. Les pré- imprégnés subissent un cycle de transformation finale de durcissement appelée polymérisation pour les résines thermodurcissables et consolidation pour les résines thermoplastiques. Afin de diminuer les cycles et coûts de mise en oeuvre, on cherche à réduire les étapes de fabrication des pièces. Il est ainsi possible de fabriquer en une seule fois la structure en déposant et en durcissant en même temps le pré-imprégné. Les têtes de dépose actuelles utilisent l'association d'un système de déroulement et de guidage de la matière, un système de découpe, un système de chauffage pour accomplir le durcissement et un système d'application de pression de compactage pour assurer le drapage du pré-imprégné sur le support. Certains exemples sont décrits dans les brevets US 6 451 152 B1, 6 390 169 B1, et EP 1 334 819 Al. On s'intéresse ici particulièrement au système de chauffage et à celui d'application de pression. Des systèmes de chauffage connus comprennent des moyens de soufflage d'air pulsé chaud ou d'azote qui ont les inconvénients d'oxyder les résines et de conduire à une mauvaise adhérence des plis de la structure. La zone de chauffage est large et s'étend jusqu'au rouleau d'application de pression, ce qui oblige à utiliser un rouleau métallique résistant à l'échauffement, quoique de tels rouleaux rigides conviennent mal à des formes complexes de courbure variable. Le dispositif environnant est exposé à diverses pollutions thermiques (dégradation de matériaux, etc.). Les sources de chaleur sont peu reproductibles et l'environnement extérieur influe: il est difficile d'assurer la régularité et l'uniformité du chauffage. D'autres systèmes de chauffage comprennent des lasers ou des diodes donnant un chauffage plus précis et mieux concentré ; mais les inconvénients précédents subsistent puisque le faisceau d'énergie est dirigé sensiblement vers le rouleau, afin de produire l'échauffement et le durcissement là où le pré-imprégné est pressé sur le support, et que le rouleau est donc fortement chauffé. De plus, le faisceau est en général dirigé obliquement pour atteindre le pré-imprégné sous le rouleau. On observe alors que la position de la zone d'échappement dépend de la courbure du support et que les conditions de chauffage ne sont donc pas constantes le long du pré-imprégné. Avec l'invention, on cherche à améliorer la qualité des pièces et y réduire les cycles et coûts de transformation associés de la matière. Les problèmes actuellement rencontrés sont résolus, la dépose d'une bande souple de pré-imprégné de largeur quelconque sur des formes complexes peut être complètement automatisée, et l'application de pression est rendue uniforme automatiquement. La source d'énergie utilisée pourra être optique et consiste en un laser de type YAG ou une batterie de diodes, et le faisceau énergétique sera, conformément à l'invention, orienté sensiblement perpendiculairement à la matière à déposer. De plus, il passera entre deux rouleaux. L'incidence perpendiculaire du faisceau lumineux garantit l'uniformité et la constance de la densité d'énergie apportée. Le durcissement de la bande et son intégration au stratifié déjà posé, s'il existe, s'effectuent par conduction thermique dans son épaisseur de l'énergie surfacique apportée par la source énergétique. Le caractère local de l'apport de chaleur présente l'avantage d'éliminer tous les problèmes de pollution thermique et d'échauffement excessif du dispositif et des rouleaux d'application de pression. Le faisceau optique sera adapté à la largeur de la bande de la matière à déposer et pourra être transformé grâce à un jeu de lentilles divergentes et convergentes donnant une tache focalisée ou non. Un jeu variable de diodes ou un système de balayage galvanométrique du faisceau permettra aussi d'ajuster la largeur de la bande. On s'efforcera de garantir la constance et l'uniformité de la densité d'énergie appliquée sur la bande à déposer. Un masque pourra aussi être introduit avec l'effet de neutraliser les perturbations latérales du signal optique produites par le laser lui-même ou par sa transformation optique. La densité d'énergie surfacique pourra aussi être contrôlée par un pyromètre réglé sur l'émissivité du polymère et régulée par un algorithme de type PID. Un jet d'azote pourra être projeté constamment à la surface de la matière touchée par le faisceau à l'aide d'une buse de largeur et d'ouverture définies et d'un débit adapté afin de rendre le milieu ambiant d'impact du faisceau optique anaérobie. L'oxydation des polymères est donc éliminée. Un autre aspect primordial de l'invention concerne le système d'application de pression. Il comportera deux rouleaux déformables qui permettront d'assurer une tension de bande, un placage de la bande sur le stratifié déjà déposé ou l'outillage servant de support, une mise en position sensiblement perpendiculaire de la bande par rapport au faisceau optique et l'application d'une pression isostatique à ajuster en fonction du besoin recherché. Les rouleaux de part et d'autre du faisceau énergétique permettent d'appliquer une pression uniforme sur une superficie importante de la bande de pré-imprégné, notamment entre eux, là où tombe le faisceau, tout en étant disposés sans inconvénient plus loin du faisceau que dans les conceptions ordinaires. Ils sont donc soumis à un échauffement moindre qui permet de les élaborer en une matière déformable comme un élastomère. Ils s'adaptent alors aux variations locales de courbure de l'outillage de dépose, sans que l'uniformité de la pression qu'ils appliquent soit compromise. Pour résumer, l'invention concerne sous sa forme la plus générale un dispositif de drapage de bandes souples pré-imprégnées de résine, comprenant un moyen de chauffage de la bande et un moyen d'application de pression de la bande, Caractérisé en ce que le moyen d'application de pression comprend deux rouleaux d'axes parallèles appliqués successivement sur chaque portion de la bande, les rouleaux ayant une surface en matière élastique, et en ce que le moyen de chauffage est disposé entre les rouleaux et apte à délivrer un rayonnement thermique sensiblement perpendiculaire à la bande entre les rouleaux. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures: - la figure 1 est une vue générale d'une 25 réalisation de l'invention, de côté, - la figure 2 est une vue de face de la réalisation de la figure 1, - et les figures 3, 4 et 5 illustrent certains modes de réalisation de l'invention. La description porte d'abord sur la figure 1. Un outillage 1 de dépose, c'est-à-dire un support de la pièce à réaliser et lui conférant sa forme, est disposé. Un composite 2 ou pré-imprégné stratifié a déjà été déposé sur sa surface. Une bande 3 souple de pré-imprégné à déposer ou à consolider est avancée sur le composite 2 au moyen d'un système de déroulement 20 d'un genre connu. Une source 4 d'énergie lumineuse est dirigée vers une section de la bande 3 à déposer. La source 4 peut être un laser de type YAG ou des diodes. Le faisceau qu'elle émet porte la référence 5; il est dirigé sensiblement perpendiculairement à la bande 3 à l'endroit où il l'atteint. Une paire de rouleaux 6a et 6b est disposée en avant et en arrière du faisceau 5 en considérant une direction d'avance du dispositif sur l'outillage 1 (à droite sur la figure 1). Les rouleaux 6a et 6b d'axes parallèles rigides sont en élastomère déformable et s'adaptent donc aux variations locales de courbure de l'outillage 1, notamment en direction transversale, ainsi que la figure 2 l'illustre; une pression uniforme est maintenue à l'entour des rouleaux 6a et 6b et entre eux sur une superficie assez grande de la bande 3. Un système de poussée 7 sur les rouleaux 6a et 6b est prévu; il pourrait consister en des ressorts comprimés entre une platine 21 supérieure et un support des rouleaux 6a et 6b, qui peut être composé d'un masque 8 pourvu d'une ouverture 22 de délimitation de la section du faisceau 5 et de barrettes 23 unies au masque 8 et soutenant des axes 11 rigides des rouleaux 6a et 6b. Le dispositif comprend encore ici un moyen de contrôle 9 à pyromètre associé à un moyen de régulation 24 de la source 4 d'énergie optique, par exemple par un algorithme d'asservissement PID. Il comprend encore un système de propulsion d'un jet d'azote tel qu'une buse 10 reliée à un réservoir 25 et placée entre les rouleaux 6a et 6b. Tous ces éléments, sauf éventuellement le réservoir 25 et le système de régulation 24, sont reliés entre eux ou à la platine 21 et déplacés en commun sur l'outillage 1 par un moyen non représenté et pouvant consister en un bras de robot ou un portique mobile. On passe maintenant à la description des figures 3, 4 et 5. Elles montrent que le faisceau 5 peut être émis de l'extrémité d'une fibre optique 12. Le faisceau porte ici la référence 13 mais n'est pas de nature différente du faisceau 5. Il peut être élargi et aminci par une paire de lentilles comprenant une lentille convergente 16 dans une direction longitudinale ou d'avance du dispositif et une lentille divergente 17 dans la direction transversale, ce qui donne un élargissement 14 du faisceau 13 suivi d'un amincissement 15 dans l'autre direction, et pour finir une tache très allongée. Au lieu de cela, on peut utiliser un système à galvanomètre de balayage 18 du faisceau optique 13, ce qu'illustre la figure 4, afin de balayer transversalement la bande 3 sur toute la largeur voulue, qu'on peut évidemment régler. D'autres agencements de lentilles peuvent être envisagés. La figure 5 illustre un réseau de diodes 19 luminescentes toutes raccordées à une source commune 26 et dont on peut faire varier le nombre, et donc la largeur du réseau, par exemple en en collant de nouvelles sur un rail 27 solidaire de la platine 21. Les rouleaux complètement en élastomère pourraient être remplacés par des rouleaux de même dimension comprenant un noyau central dur, métallique par exemple, et seulement une bande périphérique souple. REVENDICATIONS 1) Dispositif de drapage de bandes (3) souples pré-imprégnées de résine, comprenant un moyen 5 de chauffage de la bande et un moyen d'application de pression de la bande, caractérisé en ce que le moyen d'application de pression comprend deux rouleaux (6a, 6b) d'axes parallèles appliqués successivement sur chaque portion de la bande, les rouleaux ayant une surface en matière élastique, et en ce que le moyen de chauffage (4) est disposé entre les rouleaux et apte à délivrer un rayonnement thermique sensiblement perpendiculaire à la bande entre les rouleaux. 2) Dispositif de drapage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un masque (8) disposé au-dessus des rouleaux (6a, 6b) et au-dessous du moyen de chauffage (4) et pourvu d'une ouverture (22) de délimitation de section du rayonnement. 3) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de chauffage comprend un laser. 4) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de chauffage comprend une rangée de diodes (19). 5) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une lentille d'ajustement (16, 17) de dimension du faisceau thermique. 6) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les rouleaux comprennent un noyau métallique entouré d'une bande en élastomère. 7) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système (9, 24) d'ajustement asservi de puissance du moyen de chauffage. 8) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de balayage (18) d'un faisceau produit par un moyen de chauffage dans une direction transversale à une direction d'avance des rouleaux (6a, 6b). 9) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen élastique (7) de poussée sur les rouleaux vers un outillage (1) de support de la bande. 10) Dispositif de drapage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de soufflage de gaz sur la bande entre les rouleaux.