Brevet FR3009511A1 — publié le 20150213

Rouleau de compactage pour tète de placement de fibres imprégnées de résine thermoplastique et tête de placement de fibres La présente invention concerne les machines et procédés pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques, mettant en oeuvre le placement de fils et/ou l'enroulement filamentaire. Plus particulièrement, l'invention est relative au rouleau, ou galet, mis en 5 oeuvre lors de la dépose des fils ou des nappes pour réaliser le compactage des couches successivement déposées. Les procédés mis en oeuvre consistent globalement à déposer des fils ou des nappes de matériau pré-imprégnés sur un moule, pouvant avoir la forme d'un 10 mandrin de bobinage, qui a la forme de la pièce à réaliser, le matériau déposé étant consolidé soit simultanément soit ultérieurement à sa dépose. On comprendra ici et dans la suite de la description que les matériaux composites concernés sont des matériaux comportant des fibres longues minérales, par exemple verre ou carbone, ou organiques, par exemple aramide, 15 maintenue dans une matrice organique dure, désignée sous le terme générique de résine, par exemple un polymère dont les caractéristiques sont choisies en fonction des performances souhaitées de la pièce réalisée. Dans le cas des matériaux composites thermoplastiques dont il est préférentiellement question dans la présente invention, il est utilisé une résine dite 20 thermoplastique. La résine thermoplastique est une résine qui présente la caractéristique d'être dure à la température ambiante et jusqu'à des températures prévues en utilisation pour la pièce à réaliser. La résine assure en pratique la cohésion des fils entre eux et donne à la pièce une part importante de sa rigidité. La résine 25 thermoplastique présente également la propriété de devenir malléable au dessus d'une certaine température, qui dépend de la résine considérée, et de retrouver ses caractéristiques de dureté lorsque la température est à nouveau abaissée. Cette caractéristique de changement réversible de la dureté et de la malléabilité de la résine thermoplastique d'imprégnation des fils est mise à profit lors de la réalisation des pièces en matériau composite thermoplastique et conduit à mettre en oeuvre des moyens de chauffage de la résine. Les machines utilisées pour déposer les fibres ou les rubans sont connues et comportent en particulier une tête de bobinage et/ou de placement de fibres, qui assure la mise en contact des fibres avec le moule sur lequel sont déposés les fils. Ces têtes de bobinage ou de placement de fibres comportent un rouleau 10 qui exerce une pression à l'emplacement d'une zone de contact où les fibres sont déposées sur la pièce en cours de réalisation ayant pour résultat de plaquer les fils ou nappes sur le moule ou sur les couches déjà déposées. Diverses contraintes s'imposent au rouleau et en particulier, il doit permettre d'appliquer la pression souhaitée sur la zone de dépose des fils ou 15 nappes, y compris dans le cas de surfaces non planes qui peuvent être à simple ou à double courbure, et il ne doit pas adhérer aux fils ou nappes à déposer, afin de ne pas détériorer ces fils ou nappes. En outre, pour la réalisation de pièces en matériau composite thermoplastique, la tête comporte également des moyens de chauffage pour 20 amener les fibres imprégnées de résine à une température supérieure à la température souhaitée pour permettre le placement des fils ou nappes sur le moule et pour assurer une cohésion des couches successivement déposées. Ce chauffage est en pratique très localisé à la zone où les fibres ou nappes sont déposées, c'est-à-dire précisément à l'emplacement où le rouleau est 25 en contact avec la pièce en cours de réalisation. Du fait des températures devant être maintenue dans cette zone de contact, qui peuvent atteindre 400°C à 500°C avec certaines résines thermoplastiques utilisées dans la réalisation de pièces aéronautiques, les moyens de chauffage doivent apporter un flux d'énergie élevé dans la zone et le 30 chauffage est le plus souvent réalisé par une torche à gaz chaud ou un laser. Du fait même de l'énergie apportée de manière continue pendant la réalisation de la pièce dans la zone de contact, le rouleau est soumis lui-même à 3009 5 1 1 3 un flux de chaleur important et absorbe une énergie qui élève sa température qui peut rapidement atteindre une température susceptible d'endommager le matériau déposé et qui peut affecter la durée de vie du rouleau ou ses qualités en fonction du matériau dans lequel il est réalisé. 5 Il est ainsi connu de réaliser les rouleaux dans un matériau où par un assemblage de matériaux résistant en température et de refroidir le rouleau pendant le fonctionnement de la tête de bobinage ou de placement de fibres et éviter une élévation de température excessive du rouleau. La demande de brevet US2012/0073749 présente un exemple de rouleau comportant un cylindre rigide enveloppé d'une couche d'un matériau céramique fibreux souple qui résiste aux températures élevées, le rouleau étant par ailleurs refroidi par un circuit de fluide caloporteur ou par générateur de froid. Le refroidissement par fluide caloporteur reste cependant difficile à réaliser compte tenu de l'espace disponible dans la tête de bobinage portant le rouleau, en particulier s'il est souhaité obtenir une tête maniable et donc aussi légère que possible et de dimensions aussi réduites que possible, et compte tenu des flux d'énergie en jeu. En outre, avec un rouleau métallique en tout ou partie, il est constaté des problèmes de mise en oeuvre du fait d'une phase transitoire relativement longue au cours de laquelle le système n'est pas en équilibre thermique, et de dilatations thermiques conduisant à des problèmes quant au vieillissement des pièces, la gestion des jeux ... De plus la souplesse du rouleau, apportée par la couche de matériau céramique fibreux dans l'exemple de l'art antérieur cité mais pouvant être obtenu par d'autres solutions telles que des rouleaux segmentés ou des rouleaux comportant un matériau élastomère, si elle s'avère nécessaire pour des formes de moule complexes, en particulier à double courbure, n'apparaît pas indispensable pour la réalisation de pièces de formes moins complexes, par exemple ne comportant que des courbures simples ou des réservoirs cylindriques de révolution. L'utilisation de rouleau en matériaux plastiques ou en élastomères se heurte aux problèmes de fonctionnement et de vieillissement du fait d'une dégradation rapide au contact avec le matériau thermoplastique déposé et en présence du chauffage ou de l'illumination laser. La déformation des matériaux élastomères a également pour conséquence de limiter les forces appliquées pour le compactage du fait même 5 que la déformation du rouleau entraîne une augmentation des surfaces d'appui qui diminue limite l'augmentation recherchée de la pression de contact. Pour apporter une solution aux problèmes rencontrés avec les solutions connues, le rouleau de compactage de l'invention pour une tête de dépose de 10 fibres préimprégnées de résine thermoplastique est constitué principalement d'un cylindre de diamètre extérieur D1, de longueur E et comporte suivant un axe du cylindre un évidement axial de diamètre D2, et le rouleau est formé en un matériau présentant : - une résistance à la compression égale ou supérieure à 20 N/mm2 entre une 15 température de 0°C et une température de 500°C; - un coefficient d'absorption optique inférieure à 0,2 / dm, à une température comprise entre 0°C et 500°C, dans au moins une plage de longueurs d'ondes compatible avec une émission d'un laser de puissance de chauffage. Il est ainsi obtenu un rouleau de compactage non deformable dans son 20 domaine d'utilisation, et qui évite un échauffement excessif par absorption du rayonnement laser utilisé par la tête de dépose pour chauffer localement le matériau thermoplastique. De préférence le matériau dans lequel le rouleau est réalisé a un coefficient de diffusivité thermique égal ou supérieur à 10E-5 m2/s, de préférence 25 supérieur à 10E-4 m2/s. Il est ainsi lors de l'utilisation du rouleau obtenu rapidement une température de fonctionnement stable du rouleau. Dans une forme de réalisation, le matériau a en outre un coefficient de conduction thermique égal ou supérieur à 50W! m.K. Il est ainsi obtenu une 30 évacuation de la chaleur qui limite l'échauffement du rouleau en fonctionnement. Dans une forme de réalisation, le matériau a un coefficient thermique de dilatation inférieur ou égal à 10E-5 par Kelvin. Il est ainsi obtenu une stabilité 3009 5 1 1 dimensionnelle du rouleau soumis à des températures de plusieurs centaines de OC. Le rouleau, outre ses capacités à ne pas absorber une quantité de chaleur importante en proportion de la chaleur produite dans la zone de dépose 5 des fibres, présente ainsi des dimensions stables dans le domaine de température de fonctionnement, évacue une part importante de la chaleur reçue par conduction thermique et atteint rapidement en fonctionnement des conditions thermiques stables. De préférence, le matériau dans lequel est réalisé le rouleau a une 10 porosité inférieure ou égale à 0,5%, ce qui assure une bonne application de la pression. Dans une forme de réalisation, le matériau dans lequel est réalisé le rouleau est un matériau céramique usinable de sorte qu'il est possible de réaliser un rouleau avec des dimensions précises sans nécessiter de faire appel à des 15 procédé de fabrication complexes ou coûteux. Par exemple le matériau est un matériau céramique parmi les Nitrures d'Aluminium, l'oxyde d'aluminium A1203, des Carbure de Silicium SiC. Dans une forme particulière, le rouleau est réalisé dans un Nitrure d'Aluminium usinable avec un coefficient d'absorption optique inférieur à 0,15 / m 20 dans une plage de longueur d'un rayonnement optique de 900 nm à 1000 nm, à la température de 400°C. Il est ainsi obtenu un rouleau présentant la plupart des qualités recherchées pour le rouleau de l'invention au moyen d'un matériau industriellement économique et aisément disponible. Avantageusement le matériau est un Nitrure d'Aluminium de conductivité 25 thermique égale ou supérieure à 90 W/m. K. L'invention concerne également une tête de dépose de fibres préimprégnées d'une résine thermoplastique pour la réalisation de pièces en matériaux composites, comportant au moins un rouleau comportant toutes ou parties des caractéristiques du rouleau de l'invention. 30 3 0 0 9 5 1 1 6 La description détaillée d'un mode de réalisation est faite en référence aux figures qui représentent de manière non limitative : figure 1 : une vue générale simplifiée d'une tête de dépose de fibres en cours de réalisation d'une pièce en matériau composite thermoplastique ; 5 figures 2a et 2b : une vue de profil, figure 2a, et en coupe axiale d'un rouleau de compactage en céramique adapté à la tête de dépose de fibres de la figure 1. Sur les dessins, les différentes parties ne sont pas nécessairement représentées à la même échelle. La figure 1 montre une vue simplifiée d'une tête 100 de dépose de fils 50 imprégnés d'une résine thermoplastique en cours de bobinage d'une pièce 51 principalement cylindrique de révolution, partiellement visible sur la figure. La tête 100 fait partie d'un ensemble, non visible sur la figure, pour la réalisation de pièces en matériau composite thermoplastique comportant lui-même un dispositif pour supporter la tête 100 de manière à orienter et positionner en permanence la tête comme souhaité et un moule, ici un mandrin de bobinage, sur lequel est réalisé la pièce. La tête 10 comporte un rouleau 10 de compactage pour exercer une 20 pression sur les fils 50 lors de leur application sur le moule ou sur les fils déjà déposés, pression qui est maintenue contre la surface sur laquelle sont déposés les fils avec une valeur souhaitée par un vérin 20 de ladite tête. La tête 10 comporte un moyen de chauffage, ici un laser 21, d'une zone de contact du rouleau avec la pièce en cours de réalisation. 25 La tête 10 comporte des moyens de soufflage 22 d'un gaz neutre, par exemple de l'azote, permettant d'une part de rendre neutre l'atmosphère de la zone portée à température élevée par le laser et d'autre part de refroidir le matériau composite chauffé par le laser 21 après le dépôt des fils. 30 Dans le cas présent le rouleau 10 est un rouleau réalisé intégralement dans un matériau rigide sous les efforts et aux températures utilisés, c'est-à-dire que le rouleau ne se déforme pas sensiblement lors de son utilisation, et d'autre part qui présente les qualités physiques suivantes : - le matériau à une diffusivité thermique égale ou supérieure à 10E5 m2/s, de préférence supérieure à 10E-4 m2/s ; 5 - le matériau présente une forte transparence dans le domaine du spectre d'émission du laser, de préférence supérieur à 0,2/dm ; - de préférence, le matériau a en outre un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 10E-5 par Kelvin, dans le domaine de température 10 rencontré par le rouleau en utilisation, c'est-à-dire environ de 0°C à 500°C pour les résines thermoplastiques dite "hautes températures" . En outre le matériau, pour être compatible avec une utilisation pour un rouleau de compactage, doit avoir une résistance à la compression suffisante vis à vis des efforts d'application du rouleau sur la pièce en cours de réalisation, de 15 préférence supérieure à 20 N/mm2, et présenter une faible porosité, de préférence inférieure à 0,5 %. Afin de permettre la réalisation du rouleau de compactage aux formes et dimensions voulues, le matériau doit également être adapté à au moins un 20 procédé de façonnage, par exemple le matériau est usinable si le rouleau doit être réalisé par usinage. La réalisation d'un rouleau 10 de compactage suivant les critères exposés 25 s'avère particulièrement avantageuse du fait que ledit rouleau absorbe une énergie très diminuée par rapport aux rouleaux connus et qu'il est atteint rapidement en fonctionnement des conditions thermiques stables.. Dans un exemple de réalisation du rouleau 10, tel qu'illustré sur la figure 2, le rouleau présente la forme d'un cylindre de section circulaire de 30 diamètre extérieur Dl et de longueur E, une surface extérieure dudit cylindre déterminant une surface de roulement 11 du rouleau. 3009 5 1 1 8 Le diamètre extérieur Dl et la longueur E sont fonction de la dimension de la tête 100 et des formes et dimensions de la pièce à réaliser. Dans l'exemple de la réalisation d'un réservoir cylindrique de révolution par enroulement filamentaire de 800mm de diamètre, un rouleau 10 de diamètre extérieur Dl égal à environ 60 mm et de longueur E égale à environ 22 mm permet de réaliser une tête 100 compacte compatible en particulier avec la réalisation des fonds du réservoir, aux extrémité de la partie cylindrique du réservoir, par enroulement filamentaire. Le rouleau 10 présente au centre du disque un évidement axial 12, ici un trou de section circulaire de diamètre intérieur 02 destiné au passage d'un arbre, non représenté sur les figures 2a et 2b, autour duquel le rouleau est monté libre en rotation par exemple par l'intermédiaire d'un roulement à billes ou à rouleaux adapté aux températures de mise en oeuvre du rouleau 10. L'arbre et le roulement sont par exemple réalisés dans un matériau ordinaire ayant une conductivité thermique égale ou supérieure à 50 W/m.K, par exemple un acier ou dans un matériau céramique dont les caractéristiques de diffusivité thermique élevée sont plus favorable à l'obtention rapide d'un équilibre thermique. La transparence du matériau constituant le rouleau 10 aux longueurs d'ondes du faisceau laser de chauffage limite la quantité d'énergie absorbée par ledit rouleau. Le laser mis en oeuvre pour apporter l'énergie de chauffage des fibres préimprégnées est par exemple un laser du domaine infrarouge, par exemple émettant dans le spectre entre 900 nm et 1000 nm de longueur d'onde, d'une puissance de l'ordre du KiloWatt, l'énergie étant en pratique adaptée pour amener la résine dans la zone de dépose à la température souhaitée et donc dépendant du type de résine et de la vitesse de dépose qui conditionnent l'énergie nécessaire. Pour obtenir les caractéristiques recherchées du rouleau, le rouleau 10 est réalisé en céramique telle que du Nitrure d'Aluminium, de l'oxyde d'aluminium 3009 5 1 1 9 A1203, un Carbure de Silicium SiC dans une variété présentant une transparence optique recherchée, matériaux dont les propriétés, mécaniques en particulier, peuvent être ajustées par des éléments additifs connus de l'industrie des céramiques industrielles. 5 Les céramiques présentent en général une dureté élevée et leur porosité peut être inférieure à 0,5% comme par exemple dans le cas du Nitrure d'Aluminium usinable diffusé par la société GoodFellow sous la référence TM Shapal M . 10 Le Nitrure d'Aluminium sous cette forme usinable s'avère particulièrement adapté à la réalisation du rouleau de l'invention en raison de sa stabilité jusqu'à des températures de 1000°C, donc bien supérieures aux températures nécessaires, d'une conductivité thermique de l'ordre de 90 W/m.K, c'est-à-dire plus de 10 fois celle d'un acier inoxydable ordinaire et d'une diffusivité thermique 15 supérieure à 4x10E-5 supérieure à 10 fois celle d'un acier inoxydable ordinaire. De préférence, il sera préféré un matériau céramique présentant une diffusivité thermique supérieure à au moins 10E-5 m2/s et de préférence supérieure à 10E-4 m2/s, et présentant une conductivité thermique supérieure à 20 90 W/m.K, en pratique comprise entre 90 et 180 W/m.K. La diffusivité d'un matériau est égale à À/pCp, où À est la conductivité thermique, p la densité et Cp sa capacité calorifique volumique. Cette valeur caractérise le comportement thermique transitoire du matériau, et détermine le temps nécessaire pour que le matériau atteigne un état thermique stable. 25 Une telle conductivité thermique permet d'une part d'obtenir une mise en température rapide du rouleau 10 et ainsi de réduire la phase transitoire de mise en température en début de fonctionnement de la tête 100 et d'autre part de conduire l'énergie thermique vers les structures de ladite tête portant le rouleau et constituant un puits thermique et un radiateur de sorte que la température 30 d'équilibre du rouleau en fonctionnement est limitée. Le Nitrure d'Aluminium possède également un coefficient de dilatation thermique de 4,4. 10E-6 à la température de 400°C relativement faible par rapport aux coefficients équivalents de la plupart des matériaux courant présentant des caractéristiques mécaniques adaptées au rouleau, par exemple par rapport à celui d'un acier ordinaire environ trois fois plus élevé. Un tel coefficient de dilatation permet d'améliorer le comportement au 5 vieillissement du rouleau 10 fortement sollicité en contraintes mécaniques et en cycles thermiques. Dans une forme de réalisation, le diamètre intérieur 02 est légèrement supérieur, à température ambiante, à un diamètre du roulement destiné à être placé dans l'évidement axial 12. 10 Plus particulièrement le diamètre intérieur 02 est sensiblement égal au diamètre du roulement destiné à être placé dans le trou lorsque le rouleau 10 et le roulement sont portés à la température d'équilibre en fonctionnement de la tête 100. Il est ainsi possible à la température ambiante d'un atelier, du fait d'un 15 coefficient de dilatation supérieur du roulement, par exemple en acier, d'insérer sans effort, et donc sans risque d'endommagement du rouleau, l'arbre et le roulement dans le trou 12. A température de fonctionnement du rouleau 10, par exemple à environ 400°C, le roulement en raison de sa dilatation différentielle s'appuie sur une surface de l'évidement axial 12 avec un léger serrage de sorte à 20 assurer un transfert de chaleur du rouleau vers le roulement et l'arbre puis vers les autres parties de la tête 100, sans toutefois exercer sur les parois dudit évidement axial une pression qui serait susceptible de fragiliser mécaniquement le rouleau 10. 25 Le Nitrure d'Aluminium, ainsi que l'oxyde d'aluminium l'A1203, présente également une transparence proche de 100% pour les longueurs d'ondes du domaine infrarouge comprises entre 900 nm et 1000 nm. Sur les épaisseurs considérées de Nitrure d'Aluminium pour le rouleau 10, 30 soit environ 40 mm, l'énergie absorbée du rayonnement laser traversant ledit rouleau est donc quasiment nulle. 3009 5 1 1 11 Pour un laser de chauffage d'une puissance de l'ordre de 1000W, il en résulte que la puissance lumineuse infrarouge absorbée par le rouleau est quasiment nulle, tout au plus de l'ordre de 10W, valeur négligeable par rapport à la chaleur transmise par conduction depuis les parties de la pièce en cours de fabrication et chauffée par le faisceau du laser. En outre la transparence du rouleau permet de réaliser un chauffage des fibres en cours de dépôt et des fibres déjà déposées au moyen du faisceau laser infrarouge y compris au travers du rouleau 10, et ceci sans induire un chauffage excessif du rouleau, ce qui permet d'améliorer l'homogénéité des flux d'énergie apportés pour le chauffage local de la pièce et des fibres déposées. L'utilisation d'un Nitrure d'Aluminium usinable permet de réaliser le rouleau 10 avec des dimensions précises par usinage d'un bloc de Nitrure d'Aluminium. La mise en oeuvre d'un rouleau en Nitrure d'Aluminium de diamètre extérieur D1 = 57 mm, de diamètre intérieur D2 = 22 mm et de longueur E = 22 mm, avec un laser infrarouge de 1100 Watts, avec une tête de dépose de fibres opérant avec 3 mèches de 5 mm de large sous une tension de 2,5 daN par mèche et une force d'appui du rouleau de 65 daN a permis de constater qu'il est possible dans ces conditions opératoires de réaliser des pièces en matériau composite thermoplastique avec des vitesses de défilement des mèches de 10 m/ min sans qu'il soit noté un échauffement excessif ou une dégradation de l'état du rouleau tout en constatant un très bon résultat dans la dépose des fibres. Outre les performances propres au rouleau, le faible échauffement du rouleau en utilisation et sa transparence aux rayonnements laser utilisés pour le chauffage localisé de la pièce permet la réalisation d'une tête de dépose particulièrement compacte et dont les mouvements permis par la compacité de la tête permettent d'utiliser le rouleau, bien que rigide, pour le bobinage de fond bombés de réservoirs à corps cylindriques. Bien que particulièrement adapté à la dépose de fibres imprégnées de résine thermoplastique, le rouleau de l'invention peut être mis en oeuvre pour le dépôt de fibres imprégnées d'une résine thermodurcissable. REVENDICATIONS1. Rouleau (10) de compactage de tête de dépose (100) de fibres préimprégnées de résine thermoplastique constitué d'un cylindre de diamètre extérieur D1, de longueur E et comportant suivant un axe du cylindre un évidement axial de diamètre D2, caractérisé en ce que le rouleau est formé en un matériau présentant : - une résistance à la compression égale ou supérieure à 20 N/mm2 entre une température de 0°C et une température de 500°C ; - un coefficient d'absorption optique inférieure à 0,2 / dm, à une température comprise entre 0°C et 500°C, dans au moins une plage de longueurs d'ondes compatible avec une émission d'un laser de puissance de chauffage. 2 - Rouleau suivant la revendication 1 dans lequel le matériau a en outre un coefficient de diffusivité thermique égal ou supérieur à 10E-5 m2/s, de préférence supérieur à 10E-4 m2/s. 3 - Rouleau suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le matériau a en outre un coefficient de conduction thermique égal ou supérieur à 50W! m.K. 4 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau a un coefficient thermique de dilatation inférieur ou égal à 10E-5 par Kelvin. 5 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau a une porosité inférieure ou égale à 0,5%. 6 - Rouleau suivant la revendication 5 dans lequel le matériau est un matériau céramique usinable. 7 - Rouleau suivant l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel le matériau est un matériau céramique parmi les Nitrures d'Aluminium' l'oxyde d'aluminium A1203, les Carbures de Silicium SiC. 8 - Rouleau suivant la revendication 7 dans lequel le matériau est un Nitrure d'Aluminium usinable avec un coefficient d'absorption optique inférieur à 0,15 / m dans une plage de longueur d'un rayonnement optique de 900 nm à 1000 nm, à la température de 400°C. 9 - Rouleau suivant la revendication 8 dans lequel le matériau est un Nitrure d'Aluminium de conductivité thermique égale ou supérieure à 90 W/m.K. 10 - Tête de dépose (100) de fibres préimprégnées d'une résine thermoplastique pour la réalisation de pièces en matériaux composites, comportant au moins un rouleau (10) conforme à l'une des revendications précédentes.