Brevet FR2907365A1 — publié le 20080425

DISPOSITIF ET PROCEDE DE BOBINAGE FILAMENTAIRE DE TUBES DE GRANDE LONGUEUR ET TUBES DE GRANDE LONGUEUR REALISES PAR CE PROCEDE La présente invention concerne un dispositif et un procédé de bobinage filamentaire adaptés aux procédés de réalisation de tubes de grande longueur par bobinage de filaments de fibres ainsi que les tubes réalisés à partir de ce procédé. Les procédés de bobinage consistent, de façon générale, à déposer un fil en continu pour réaliser des nappes de fils, imprégnés d'une résine sur un mandrin par bobinage puis à faire polymériser la résine pour réaliser les objets bobinés. Les fils utilisés sont réalisés en particulier à partir de filaments dont la longueur peut atteindre plusieurs kilomètres et dont le diamètre est de l'ordre de la 10 dizaine de microns. Ces filaments sont regroupés par paquets de plusieurs milliers qui constituent le produit disponible commercialement en tant que fibre, fil ou mèche. Lors du bobinage, le mandrin est mis en rotation en sorte de dérouler le fil à partir de bobines où il est préalablement stocké. 15 Le ou les fils mis en oeuvre constituent la nappe de bobinage par l'opération de bobinage. Plusieurs fils peuvent être bobinés simultanément, les fils étant mis en oeuvre indépendamment les uns des autres réalisant autant de chemins de fils en parallèle que de fils dans la nappe. 20 Cette technologie est particulièrement adaptée à la réalisation de corps creux, tubes ou réservoirs et en particulier de réservoirs étanches résistant à de fortes pressions. Cette technique est en particulier utilisée pour réaliser un grand nombre de structures creuses telles que des réservoirs d'ergols de satellites, des bonbonnes 2907365 2 d'air comprimé pour la plongée sous-marine, des réservoirs de traitement des eaux de piscines ou des cuves viticoles ou tout type de récipients légers résistants à la pression. Un exemple de réservoir réalisé avec un tel procédé de bobinage est par 5 exemple décrit dans le document FR2 824 892 Al au nom de la demanderesse. Le document FR2 705 655 Al toujours au nom de la demanderesse décrit pour sa part une machine pour le bobinage simultané d'une pluralité de fils individuels déposés au contact selon le procédé énoncé ci-dessus. Les fibres utilisées pour réaliser les fils sont les fibres industrielles usuelles telles que des fibres de verre, de silice, de carbone, de carbure de silicium minéral ou des fibres organiques de type PBO, polyester, propylène ou autres. Ces fibres sont formées sous forme de filaments de très grande longueur (plusieurs kilomètres) et de très faible diamètre (quelques microns), ces filaments étant regroupés au sein de mèches ou fils comportant plusieurs milliers de filaments. Les résines utilisées pour solidariser les fils bobinés en nappes sont des résines polymères telles que les résines époxy, polyester, acrylique, polyamide ou autre. Des résines thermodurcissables, initialement liquides et subissant une opération de polymérisation, ou des résines thermoplastiques, polymérisées avant usage et rendues fluides par chauffage, peuvent être indifféremment utilisées dans les procédés de dépose. Toutefois, pour les pièces à très hautes performances qui utilisent des matériaux composites sous forme de fils bobinés, avec un rendement de fibre au moins égal à 50%, c'est à dire que la pièce réalisée est susceptible de tenir à une sollicitation de près de 50% ou plus de la charge de rupture cumulée de chacun des fils, charge de rupture théorique idéale pour laquelle la pièce aurait une charge de rupture directement liée à la charge de rupture des fils et du nombre de fils, les résines thermodurcissables sont préférées du fait que les rendements obtenus avec les fibres thermoplastiques sont en général inférieurs à ceux obtenus avec les fibres thermodurcissables et du fait que la mise en oeuvre des fibres thermoplastiques est plus complexe et différent. 2907365 3 En outre, a été constaté que tout manque de linéarité du fil ou torsion induit une chute drastique du rendement du bobinage obtenu. Les procédés de dépose doivent être en conséquence les plus précis possible pour garantir une grande rectitude des fils déposés et garantir un rendement de fibre le plus haut possible. 5 Deux types de procédés de bobinages coexistent à ce jour, un procédé pour lequel des fibres sèches sont imprégnées de résine au moment de leur bobinage et un procédé pour lequel les fibres sont des fibres préalablement pré-imprégnées et commercialisées ainsi en bobines qui sont utilisées sans imprégnation complémentaire lors de l'opération de bobinage. 10 Le premier procédé, à base de fibres sèches imprégnées au moment de leur bobinage, procédé humide, est un procédé économique et ne nécessitant pas de précautions particulières pour le stockage des filaments de fibre. Par contre, ce procédé est un procédé sale et un procédé pour lequel les filaments glissants sont difficiles à maîtriser lors de leur dépose et difficiles à 15 positionner précisément pour réaliser un récipient homogène, la résine ayant en plus tendance à couler sur le mandrin de dépose et dans les locaux. Ceci est du au fait que l'imprégnation doit, selon l'art antérieur être faite avec une résine fluide qui joue le rôle de lubrifiant pour les filaments et les fils constitués avec ces filaments, les fils ayant ainsi tendance à glisser soit sur leur 20 support soit les uns par rapport aux autres ce qui limite la précision de la dépose. Un exemple d'un tel procédé, procédé humide, (procédé "wet" selon la terminologie anglo-saxonne) est illustré par le document US 5 585 414. Un autre exemple de ce premier procédé est donné par le document EP 0 642 416 Al qui traite d'un double moyen de polymérisation actinique et thermique. 25 Ce document illustre le problème de la saleté du procédé wet du fait de la fluidité de la résine lors de l'imprégnation et propose des solutions qui consistent à jouer sur la polymérisation de cette résine par des moyens tels qu'une double polymérisation ou par des moyens d'activation de la polymérisation tels que des moyens thermiques ou lumineux. 30 Le second procédé est le procédé à base de fibres pré-imprégnées. Ce procédé qui utilise une résine à fort pouvoir collant est plus propre et plus précis mais plus coûteux du fait que les filaments sont achetés pré-imprégnés et doivent être stockés dans des conditions maîtrisées particulières nécessitant en 2907365 4 un contrôle de la température et de l'humidité du lieu de stockage et notamment un maintien des bobines en chambre froide à -18 C pour garantir une durée de vie de la résine de quelques mois. Dans ce cadre, le document US 5 011 721 concerne un système à double 5 polymérisation, afin de piloter au mieux la polymérisation lors de la dépose et de limiter les risques de polymérisation en stockage. Ce document illustre la complexité de la fabrication des pré-imprégnés et donc leur coût et montre que la situation nécessite d'être améliorée. Le document FR 2 862 655 Al illustre pour sa part une formulation de 10 résine d'imprégnation. L'ensemble de ces documents montre que les améliorations apportées à ce jour sont complexes et ne sont donc pas totalement satisfaisante. En ce qui concerne les applications des procédés de bobinage, il y a lieu de noter que le bobinage se fait sur un mandrin pris entre pointes sur une machine du 15 type d'un tour. Le contrôle de la dépose des fils est en rapport avec une telle précision et on conçoit aisément que le contrôle de la fluidité de la résine et de sa polymérisation soient critiques pour la dépose, qu'il s'agisse de la platitude des fils déposés, de leur rectitude et de l'absence de glissement des fils lors du dépôt. 20 La présente invention à pour premier objectif de combiner les avantages des technologies procédé humide et procédé à fibres pré-imprégnées à savoir: - avoir un coût de bobinage similaire au procédé humide; - bobiner avec une fibre ayant un fort pouvoir collant, comme pour le procédé à fibres pré-imprégnées, mais sans problème de péremption lors du 25 stockage des fibres; - imprégner juste avant le bobinage des fibres stockées sèches mais sans risquer de coulures de résine telles que dans le procédé humide; - éviter la gestion d'une cinétique de polymérisation comme dans le procédé à base de fibres pré-imprégnées, 30 - garantir une dépose précise des fils sans risque de glissement, de défauts de rectitude et de positionnement des fils. L'invention s'applique en particulier à la réalisation de tubes de grande longueur qui ne sont pas compatibles avec le procédé wet du fait que la résine 2907365 5 dans ce procédé est fluide et que les tubes de grande longueur devant reposer sur des moyens support limitant la flèche d'un mandrin sur lequel le ou les fils sont bobinés, un essorage de la résine au niveau du contact du mandrin avec les moyens support est alors inévitable. 5 Dans ce but et dans le cadre de la réalisation de tubes de grande longueur, l'invention propose un dispositif de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur caractérisé en ce qu'il comporte un mandrin disposé entre pointes d'un tour, un système support du mandrin à rouleaux, un dispositif de déroulement de fils formés à partir de filaments de fibres, un dispositif d'imprégnation des fils par 10 de la résine et un dispositif de bobinage, et des moyens d'augmentation de viscosité de la résine déposée sur les fils entre le dispositif d'imprégnation et le dispositif de bobinage. L'invention propose en outre un procédé de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur comportant une étape de déroulement de fils, une étape 15 d'imprégnation des filaments par de la résine, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de positionnement d'un mandrin entre pointes d'un tour, une étape de mise en appui du mandrin sur un système support rotatif, une étape de mise en rotation du tour et une étape de bobinage de fils imprégnés sur le mandrin. Le procédé selon l'invention s'applique en particulier à un tube de grande 20 longueur caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un composite bobiné comportant des fils imprégnés avec un taux de résine de 30 à 35%. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés qui représentent: 25 en figure 1: un synoptique des étapes d'un procédé selon l'invention; en figure 2: une vue schématique d'une première partie d'un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention; en figure 3: une vue de dessus d'un dispositif de bobinage, seconde partie du dispositif de la figure 2; 30 en figure 4: une vue en perspective schématique d'un dispositif selon l'invention; en figure 5: une vue en perspective coupe du dispositif de bobinage de la figure 4. 2907365 6 L'invention concerne un dispositif de bobinage de tubes de grande longueur et les tubes résultants. L'enchaînement des étapes d'un procédé de bobinage filamentaire selon l'invention est schématisé à la figure 1. 5 Le procédé schématisé en figure 1 comporte pour commencer une étape 4 de déroulement de fils 12 réalisés à partir de filaments de fibres enroulés sur une bobine distributrice 10 représentée à la figure 2. Le procédé détaillé à la figure 1 comporte ensuite une étape 1 d'imprégnation des fils par de la résine 13 de type résine thermodurcissable et une 10 étape 2 de bobinage et comporte, selon l'invention, une étape 3 d'adaptation de viscosité de la résine en vue de l'étape d'imprégnation 1. L'étape d'imprégnation est réalisée avec une résine non polymérisée sur les fils après leur déroulement. La résine est fluidifiée par l'étape 3 d'adaptation de la viscosité qui 15 comporte un chauffage de la résine. Après l'étape d'imprégnation, et avant l'étape de bobinage 2, le procédé de l'invention comporte une étape 5 d'augmentation de viscosité de la résine. Ainsi le procédé, qui comporte une fluidification de la résine pour l'imprégnation des fils et une augmentation de la viscosité de la résine pour le 20 bobinage en sorte d'éviter les glissements des fils sur le mandrin, de conserver un positionnement précis de ces fils sur le mandrin, d'éviter l'essorage des filaments de fibres et en sorte de conserver l'espace de bobinage propre et exempt de coulures de résine, cumule les avantages des procédés antérieurs puisqu'il utilise des fibres sèches pour les fils comme dans le procédé wet et une résine 25 visqueuse à température ambiante comme dans le procédé pré-imprégné. Pour conserver les caractéristiques de la résine au long du procédé, l'étape d'adaptation de viscosité 3 est préférablement réalisée sans provoquer d'avancement de la polymérisation de la résine 13. Pour cette étape, on part d'une résine de forte viscosité que l'on chauffe, à 30 partir de la température ambiante, à une température au-dessous de la température de début de polymérisation. Cette étape d'adaptation de viscosité de la résine a pour but de la fluidifier et la rendre compatible avec l'imprégnation de filaments de fils selon un taux de 2907365 7 résine adapté de l'ordre de 30 à 35%. Elle comporte avantageusement une étape de refroidissement rapide des fils imprégnés 12' qui augmente la viscosité de la résine à une valeur adaptée au dépôt des fils imprégnés, notamment une valeur de viscosité de l'ordre de 500 000 mPa.s à 1 000 000 mPa.s. 5 Le refroidissement est notamment adapté à stopper tout début de polymérisation de la résine dans le cas où l'étape d'adaptation de viscosité aurait tendance à initier un début de polymérisation de la résine. Pour ce faire, pour l'étape de refroidissement rapide, le dispositif de l'invention prévoit des moyens de refroidissement 17 constitués par un tunnel de refroidissement faisant passer 10 rapidement la résine d'une température de l'ordre de 70 à 75 C à la température ambiante. Selon un mode de réalisation particulier du procédé, la résine utilisée est une résine d'une viscosité de l'ordre de 500 000 mPa.s à 1 000 000 mPa.s à température ambiante. 15 Pour permettre une bonne imprégnation des fibres, la résine est une résine d'une viscosité inférieure ou égale à 2000 mPa.s à une température supérieure ou égale à 30 C et préférablement une résine d'une viscosité inférieure ou égale à 2000 mPa.s à une température supérieure ou égale à 70 C Ces différences de viscosité en fonction de la température permettent une 20 bonne différentiation des conditions des étapes d'imprégnation, avec bonne fluidité de la résine et haute température, et de bobinage après refroidissement, avec une résine faiblement fluide. Les résines utilisables sont en particulier des résines époxy, polyester ou vinylester respectant les critères de viscosité décrits précédemment 25 L'étape d'adaptation de la viscosité de la résine du procédé selon l'invention consiste à porter la résine à une température de l'ordre de 30 à 80 C et préférablement à porter la résine à une température de l'ordre de 70 C à 75 C pour la fluidifier. Le dispositif de bobinage filamentaire à partir de fils secs réalisés à partir de 30 filaments de fibres sèches selon l'invention est schématisé à la figure 2 pour la partie du dispositif permettant de réaliser les étapes du procédé comprenant le déroulement du fil, l'adaptation de viscosité de la résine, l'imprégnation et l'étape 2907365 8 d'augmentation de la viscosité alors que la partie du dispositif permettant de réaliser l'étape de bobinage est décrite en figure 3. Le dispositif représenté à la figure 2 comporte une bobine 10 d'alimentation en fils secs constitués de filaments de fibres sèches, un bac 11, d'imprégnation 5 des fils par de la résine 13, disposé en sortie de la bobine d'alimentation, un module 22 de préchauffage des fils secs 12 avant imprégnation, de façon à ce que le fil ne refroidisse pas localement la résine lors de son imprégnation, et, de façon à ce que l'imprégnation soit la plus homogène et la plus rapide possible. Le bac d'imprégnation est chauffé, selon l'exemple, par un dispositif de bain 10 thermostaté 17 à eau ou à huile qui permet de réguler en température le bac d'imprégnation, le chauffage étant complété, au niveau d'un rouleau encreur 18 plongeant dans le bac d'imprégnation et en contact avec les fils pour réaliser l'imprégnation 1 des filaments des fils, par un dispositif de chauffage à air chaud 16. 15 En aval du bac d'imprégnation, le dispositif comporte des moyens 17, de refroidissement des fils imprégnés, qui sont disposés entre le bac d'imprégnation 11 et le mandrin de bobinage 12. Ces moyens de refroidissement 17 sont, comme il a été vu plus haut, constitués par un tunnel de refroidissement assurant un refroidissement rapide du 20 fil en cours de bobinage. Le tunnel est préférablement dimensionné pour que, à la vitesse maximale de bobinage, la température du fil en sortie du tunnel de refroidissement soit la température ambiante. Pour délivrer la résine, le dispositif comporte une unité d'injection/dosage 25 19 pourvue d'un doseur multi-composants et d'un canal 20 d'injection de la résine dans le bac d'imprégnation 11. L'utilisation d'une unité d'injection pourvue d'un doseur multi-composants permet de mélanger les divers composants de la résine en fonction de la consommation de résine dans le bac. 30 Ce dernier est avantageusement pourvu d'un contrôleur de niveau permettant de réguler le débit de résine injectée en fonction de la consommation du dispositif. 2907365 9 De cette façon, la résine n'a pas le temps d'évoluer pendant l'imprégnation ce qui permet de travailler sur de longues périodes en continu. La résine peut éventuellement être préchauffée dans l'unité d'injection/dosage en vue de son injection dans le bac. 5 Le dispositif de la figure 2 comporte en outre un système 21 de rattrapage de boucles et plusieurs poulies disposées pour assurer le cheminement du fil et une tension constante du fil déposé malgré les variations de vitesse de dépose liées à la forme à réaliser. Le procédé de bobinage filamentaire est en particulier réalisé en continu et 10 la figure 3 représente la fin du dispositif, à savoir les moyens de bobinage qui comportent un dispositif mécanique 30, 33 de déplacement du point de dépose du fil et le mandrin 14. La partie gauche de la figure 3 représente un bobinage de type enroulement hélicoïdal 31, permettant d'obtenir une tenue longitudinale du 15 réservoir, et la partie droite un enroulement de type circonférentiel 32, très favorable à la tenue en pression interne d'un réservoir. Le fil est préférablement déposé sous forme de mèche plate sans torsion. Une fibre utilisée dans le cadre de l'invention est une fibre dénommée T700 24K de la société Toray et la résine une résine époxy de classe 180 C de 20 référence de base LMB 6458 de la société Huntsman, comprenant des composants référencés LMB 6459 (100pp) et LY 556 (50pp). Cette base est catalysée avec un catalyseur XB 3515 à raison de 22pp de catalyseur pour 100pp de base. L'imprégnation a été faite à 75 C dans le bac d'imprégnation. 25 Un exemple de dispositif de bobinage de tubes de grande longueur est donné en figure 5. Le mandrin doit être suffisamment résistant pour ne pas se déformer et, pour que le bobinage soit de bonne qualité, la flèche du mandrin ne doit pas dépasser environ 5mm pour une portée de mandrin de 10m. 30 Le mandrin 14 sur lequel sera bobiné le tube est fixé entre pointes 34, 35 d'un tour, une pointe étant solidaire d'une poupée de tour 26 et entraîné en rotation par un moteur dont le volant 27 est visible sur la figure. 2907365 10 Le mandrin repose sur un système support rotatif 36 réalisé selon l'exemple par un support à rouleaux à rouleaux dont un rouleau 24 au moins est monté sur ressorts et qui comporte un bâti 25 et un pied 29 comme représenté en figure 5. Le système à rouleaux est pourvu d'un degré de liberté pour permettre aux 5 rouleaux de rester parallèles au tube lors du bobinage. De même, les rouleaux sont agencés pour assurer une pression contrôlée sur la pièce en cours de bobinage alors même que le diamètre de la pièce augmente au fur et à mesure du dépôt des couches de fils de fibres. Il est nécessaire que les rouleaux puissent être appliqués sur les fils en 10 cours de bobinage. Le cas des tubes de grandes longueurs est donc un cas typique pour lequel l'utilisation d'un procédé humide n'est pas appropriée, du fait que la fabrication de tels tubes nécessite la présence de supports ou de rouleaux pour soutenir le mandrin et le tube en cours de réalisation, et, du fait que le procédé humide d'une 15 part conduirait à un essorage des fibres au contact des rouleaux et, d'autre part, conduirait à un positionnement incontrôlé des fibres déplacées par ces rouleaux. En outre, tenter de réduire le taux de résine du procédé humide n'est pas une solution envisageable car, si le taux de résine est diminué au-dessous de 25%, les propriétés mécaniques du matériau se dégradent du fait que les 20 filaments de fibres des fils ne sont plus assez liés entre eux. Il est donc traditionnellement établi dans le métier du bobinage que seul le procédé utilisant des fibres pré-imprégnées est adapté à réaliser de tels tubes. Contrairement à cette idée traditionnelle, avec le procédé selon la présente invention, le bobinage de fils circonférentiels et longitudinaux à partir de fils 25 réalisés à partir de filaments de fibres sèches peut être employé sans problème sur des tubes de grande longueur reposant sur des rouleaux et avec un taux de résine inférieur à 35%. Dans ce cadre, de préférence, les étapes de d'adaptation de viscosité et d'augmentation de viscosité sont réglées pour obtenir une imprégnation avec un 30 taux de résine de 30 à 35%, adapté à la réalisation de tubes de grande longueur de hautes performances à partir d'un composite bobiné imprégné d'une résine thermodurcissable. 2907365 11 La qualité de dépose obtenue est semblable à celle obtenue avec un pré-imprégné, en particulier la dépose se fait sans effilochage des fibres qui traduirait une détérioration de ces fibres. Le procédé de l'invention permet donc d'éviter l'emploi de fibres pré- 5 imprégnées onéreuses pour bobiner des réservoirs ou des tubes de grande longueur tout en conservant une qualité de bobinage de grande précision qui ne peut être obtenue avec le procédé humide de base. L'invention ne se limite pas aux exemples représentés et notamment, une installation de bobinage selon l'invention peut comprendre le traitement de 10 plusieurs fils en parallèle pour constituer une nappe de bobinage contenant jusqu'à plusieurs dizaines de fils. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur caractérisé en ce qu'il comporte un mandrin (14) disposé entre pointes (34, 35) d'un tour (26), un système support du mandrin (14) à rouleaux (36), un dispositif de déroulement de fils (12) formés à partir de filaments de fibres, un dispositif d'imprégnation des fils par de la résine et un dispositif de bobinage, et des moyens d'augmentation de viscosité de la résine déposée sur les fils entre le dispositif d'imprégnation et le dispositif de bobinage (2). 2 - dispositif selon la revendication 1 pour lequel au moins un rouleau (24) est monté sur ressorts. 3 - dispositif selon la revendication 1 ou 2 pour lequel les rouleaux sont agencés pour assurer une pression contrôlée sur la pièce en cours de bobinage alors même que le diamètre de la pièce augmente au fur et à mesure du dépôt des couches de fils de fibres. 4 - dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 pour lequel les moyens d'augmentation de la viscosité sont des moyens de refroidissement (17) constitués par un tunnel de refroidissement assurant un refroidissement rapide du fil en cours de bobinage. 5 - dispositif selon l'une des revendications précédentes pour lequel le système à rouleaux est pourvu d'un degré de liberté pour permettre aux rouleaux 20 de rester parallèles au tube lors du bobinage. 6 - Procédé de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur comportant une étape (4) de déroulement de fils (12), une étape (1) d'imprégnation des filaments par de la résine (13), caractérisé en ce qu'il comporte une étape de positionnement d'un mandrin (14) entre pointes (34, 35) d'un tour 25 (26), une étape de mise en appui du mandrin sur un système support rotatif (36), une étape de mise en rotation du tour et une étape (2) de bobinage de fils imprégnés sur le mandrin. 7 - procédé de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape (3) d'adaptation de 30 viscosité de la résine en vue de l'étape d'imprégnation (1), en ce que l'étape d'imprégnation est réalisée sur les fils après déroulement avec une résine non 2907365 13 polymérisée, fluidifiée par ladite étape (3) d'adaptation de la viscosité, et en ce qu'il comporte une étape (5) d'augmentation de viscosité de la résine entre l'étape d'imprégnation (1) et l'étape de bobinage (2). 8 - procédé de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur selon 5 la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape d'augmentation de viscosité est adaptée à rendre la résine collante et visqueuse. 9 - procédé de bobinage filamentaire de tubes de grande longueur selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape d'adaptation de viscosité et l'étape d'augmentation de viscosité sont réglées pour obtenir une imprégnation 10 des fils avec un taux de résine de 30 à 35%. 10 - tube de grande longueur réalisé à partir d'un procédé de bobinage filamentaire selon l'une des revendications 6 à 9 caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un composite bobiné comportant des fils imprégnés avec un taux de résine de 30 à 35%. 15 11 - tube de grande longueur selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'un composite bobiné imprégné d'une résine thermodurcissable.