Brevet FR3019490A1 — publié le 20151009

Tête de pose de fibres L'invention concerne une tête de pose de fibres pour poser du matériau à base de fibres en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres. L'invention concerne également un procédé pour poser du matériau à base de fibres en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres. En tant que matériau de construction, les matériaux composites renforcés de fibres offrent une possibilité extraordinaire d'obtenir une réduction de poids dans différentes pièces. Les avantages qui en résultent, comme par exemple une consommation de carburant abaissée sur toute la durée de vie de moyens de transport et une usure réduite, ont conduit à une utilisation croissante de ces matériaux même dans des applications critiques sur le plan de la sécurité. Mais par comparaison avec des matériaux isotropes, on ne peut atteindre un potentiel élevé de construction allégée que si les pièces sont produites avec une méthode de fabrication qui convienne aussi bien aux propriétés du matériau à base de fibres qu'à celles de la résine de mise en forme. Actuellement, la fabrication de pièces de grande taille utilisant la technologie du placement de fibres ou la technologie de pose de rubans, comprend la pose d'un composite)à base de fibres et de matière plastique sur un outillage de moulage ou de mise en forme. Le matériau à base de fibres à poser est enroulé sur une bobine, soit sous forme de mèches (tows) (le plus souvent d'une largeur 1/1" ou 1/2"), soit sous forme de rubans (le plus souvent 150 mm ou 300 mm), puis posé en plusieurs bandes côte à côte sur l'outillage de mise en forme. Cela donne la surface complète d'une couche de stratification (pli). Notamment pour la fabrication de structures composites renforcées de fibres, de grande taille, on connaît par exemple d'après le document DE 10 2010 015 027 B1 un dispositif de pose de fibres où les fibres sont posées sur l'outillage à l'aide de têtes de pose de fibres agencées sur des robots. Les robots sont guidés sur un système de rail s'étendant de manière périphérique autour de l'outillage, de sorte que chaque position quelconque sur l'outillage peut être atteinte par les robots. Par ailleurs, on connaît d'après la pratique, des installations à portique dans lesquelles la tête de pose peut être déplacée par-dessus un outillage de mise en forme le plus souvent agencé horizontalement, pour ainsi poser les fibres sur l'outillage de mise en forme. Lors de la fabrication de telles nappes de fibres, il n'est pas rare que le matériau à base de fibres présente différentes orientations de fibres dans le même plan de couche de fibres, ce qui conduit, au niveau des sites d'intersection, à des surépaisseurs d'une hauteur au moins égale à l'épaisseur de couche du matériau à base de fibres. Il a alors été constaté que dans la zone des sites d'intersection, du matériau à base de fibres déjà compacté se détache ou se décolle et constitue ainsi un site défectueux ne pouvant guère être toléré. En outre, de telles surépaisseurs entraînent le problème d'influer négativement sur la surface de la pièce composite renforcée de fibres à fabriquer, puisqu'il peut en résulter io des écarts géométriques. Précisément dans le domaine de la fabrication de corps d'ailes à écoulement laminaire, de telles surépaisseurs peuvent conduire à des écarts sur la surface, qui ne sont plus acceptables en ce qui concerne la capacité à assurer un écoulement laminaire. La surépaisseur produit également une diminution de la rigidité et de la résistance ou stabilité. 15 Aussi, le but de la présente invention consiste à fournir un procédé amélioré de fabrication de nappes de fibres, ainsi qu'une tête de pose de fibres correspondante à cet effet, qui permettent de réduire ou de minimiser des surépaisseurs, notamment au niveau de bandes de matériau à base de fibres qui 20 se croisent avec des orientations de fibres différentes. Le but recherché est atteint, conformément à l'invention à l'aide de la tête de pose de fibres pour poser du matériau à base de fibres en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, 25 comprenant une unité de pose de fibres conçue pour assurer la pose du matériau à base de fibres fourni à la tête de pose de fibres sur un outillage pour la fabrication de la nappe de fibres, caractérisée en ce que la tête de pose de fibres comporte un dispositif actionneur qui est en liaison d'interaction mécanique avec l'unité de pose de fibres, et qui est conçu de manière à pouvoir faire osciller ou 30 vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres pendant la pose du matériau à base de fibres. Le but recherché est également atteint, conformément à l'invention à l'aide du 35 procédé pour poser du matériau à base de fibres en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, au moyen d'une tête de pose de fibres, qui possède une unité de pose de fibres pour assurer la pose du matériau à base de fibres fourni à la tête de pose de fibres, caractérisé par une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres au moyen 40 d'un dispositif actionneur pendant la pose du matériau à base de fibres dans la zone d'une surépaisseur de matériau à base de fibres du matériau à base de fibres déjà posé, de manière à faire osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres. Dans la tête de pose de fibres selon l'invention, il est proposé une tête de pose de fibres pour poser du matériau à base de fibres en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, qui possède une unité de pose de fibres configurée pour poser sur un outillage de fabrication de la nappe de fibres le matériau à base de fibres fourni à la tête de pose de fibres. Une telle unité de pose de fibres peut par exemple être un rouleau presseur le long duquel est guidé le matériau à base de fibres à poser. Lors de la pose du matériau à base de fibres, le matériau à base de fibres est guidé longitudinalement entre la surface de mise en forme appartenant à io l'outillage et l'unité de pose de fibres, notamment le rouleau presseur, et posé sur l'outillage à cette occasion. Conformément à l'invention, il est à présent prévu que la tête de pose de fibres comporte un dispositif actionneur, qui est en liaison d'interaction mécanique avec 15 l'unité de pose de fibres, et qui, pour exciter mécaniquement l'unité de pose de fibres pendant la pose du matériau à base de fibres, est conçu de manière à pouvoir faire osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres. En faisant osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres, notamment le rouleau presseur, on permet aux fibres, dans la zone de surépaisseurs de 20 matériau à base de fibres, d'être bien compactées dans cette zone, ce qui réduit la surépaisseur de matériau à base de fibres. Dans la zone des surépaisseurs de matériau à base de fibres il se produit ainsi un élargissement de section transversale des bandes individuelles de fibres, le plus souvent en liaison avec une plus grande teneur volumique en fibres dans ces zones, ce qui conduit à une 25 augmentation de l'adhérence des matériaux à base de fibres qui se croisent, et à une réduction de la probabilité de décollements ou détachements. En outre, en raison de la moindre surépaisseur de matériau avec ce procédé, on améliore la stabilité ou la résistance et la rigidité. 30 Le dispositif actionneur, qui comporte au moins un actionneur, fait osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres de manière telle que le matériau à base de fibres se fait plus fortement compacter dans la zone de surépaisseurs de matériau à base de fibres, pour ainsi réduire, voire éliminer totalement, la différence de hauteur de la surépaisseur. Le dispositif actionneur fait osciller ou 35 vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres de façon telle qu'elle pose les fibres dans cette zone à la manière d'une « plaque vibrante». Le dispositif actionneur fait avantageusement osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres en direction transversale à la direction de pose, notamment dans un plan du produit semi-fini à base de fibres. 40 Il s'avère particulièrement avantageux que le dispositif actionneur fasse osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres pendant la pose du matériau à base de fibres, ce qui permet d'effectuer en une seule étape de processus la pose des matériaux à base de fibres et le compactage des matériaux à base de fibres dans la zone de surépaisseurs de matériau. Une unité de pose de fibres sous la forme d'un rouleau presseur peut présenter notamment une forme ou une section transversale cylindrique ou conique. Au sens de la présente invention, un matériau à base de fibres désigne tout produit semi-fini à base de fibres pouvant être posé à l'aide d'une tête de pose de fibres sur un outillage pour la fabrication d'une nappe de fibres. Il peut notamment s'agir de matériaux à base de fibres sous forme de bandes ou d'un matériau quasi sans fin, qui est fourni en continu à la tête de pose de fibres à partir d'une réserve de matériau à base de fibres. Les matériaux à base de fibres peuvent être des matériaux à base de fibres secs ou pré-imprégnés (prepregs), ou des matériaux à base de fibres déjà consolidés. A partir du matériau à base de fibres, on fabrique alors la nappe de fibres. Les oscillations ou vibrations mécaniques, qui sont produites au moyen du dispositif actionneur sur l'unité de pose de fibres, se situent notamment dans le domaine des hautes fréquences, ou en particulier des ultrasons. Conformément à un mode de réalisation, le dispositif actionneur pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres est conçu de manière à pouvoir faire osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres en direction du matériau à base de fibres à poser ou déjà posé. En d'autres termes, le mouvement de l'unité de pose de fibres dû aux oscillations ou vibrations mécaniques engendrées par le dispositif actionneur se produit en direction des matériaux à base de fibres à poser ou déjà posés, l'unité de pose de fibres oscillant ou vibrant en conséquence en direction des matériaux à base de fibres. Conformément à un autre mode de réalisation avantageux, un rouleau presseur et le dispositif actionneur pour l'excitation mécanique du rouleau presseur sont conçus de manière à pouvoir faire osciller ou vibrer mécaniquement le rouleau presseur axialement en direction du matériau à base de fibres à poser ou déjà posé. Conformément à un autre mode de réalisation avantageux, le dispositif actionneur possède au moins un actionneur piézoélectrique pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres, ce qui permet de produire notamment des oscillations ou vibrations à haute fréquence et faible amplitude sur l'unité de pose de fibres. Un tel actionneur piézoélectrique peut être placé de manière peu encombrante, entre le cadre ou l'ossature de la tête de pose et l'unité de pose de fibres, qui y est agencée. D'après un autre mode de réalisation avantageux, il est prévu un dispositif capteur pour détecter une surépaisseur de matériau à base de fibres sur du matériau à base de fibres déjà posé ou à poser, et une unité de commande, conçue pour activer le dispositif actionneur pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres lors de la détection de la surépaisseur de matériau à base de fibres, lorsque l'unité de pose de fibres pose du matériau à base de fibres dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres détectée. Il est ainsi possible que le dispositif actionneur n'assure l'excitation de l'unité de pose de fibres pour produire des oscillations ou vibrations mécaniques, que lorsque cela est effectivement nécessaire en raison d'une surépaisseur de matériau à base de fibres ayant été détectée. Ainsi, le processus de compactage du matériau à base de fibres en raison d'une surépaisseur de matériau à base de fibres, qui est limité localement, peut être régulé en ligne et en temps réel, et ne nécessite pas de programmation préalable de trajectoire. Au contraire, la tête de pose de fibres est ainsi en mesure d'activer ou de désactiver par elle-même les oscillations ou vibrations mécaniques, lorsque des surépaisseurs de matériau à base de fibres correspondantes sont détectées. Mais il est également envisageable que le dispositif capteur calcule les surépaisseurs de matériau à base de fibres à partir d'une programmation de trajectoire hors ligne, et produise ainsi l'excitation correspondante de l'unité de pose de fibres par le dispositif actionneur, en position prédéterminée de la tête de pose de fibres. Conformément à un autre mode de réalisation avantageux à cet effet, l'unité de commande est en outre conçue pour augmenter, lors de la détection de la surépaisseur de matériau à base de fibres, la force pressante de la tête de pose de fibres pendant la pose du matériau à base de fibres, lorsque l'unité de pose de fibres pose du matériau à base de fibres dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres détectée. Il est ainsi possible, dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres, de prévoir en plus d'une oscillation ou vibration mécanique de l'unité de pose de fibres, une augmentation de la force pressante en direction des matériaux à base de fibres à poser ou posés, ce qui procure un meilleur compactage des matériaux à base de fibres. Il s'est avéré qu'on pourrait ainsi, pour partie, éliminer totalement les surépaisseurs de matériau à base de fibres. Avantageusement, le dispositif capteur comporte un capteur de force, configuré pour détecter la force pressante pendant la pose du matériau à base de fibres, le dispositif capteur étant conçu pour identifier une surépaisseur de matériau à base de fibres en fonction de la force pressante détectée. Il a ainsi été constaté que par analyse de la force pressante instantanée, il était possible de détecter une surépaisseur de matériau à base de fibres, lorsque la force pressante instantanée augmente dans une zone pendant la pose du matériau à base de fibres. Selon un autre développement avantageux, le dispositif capteur comporte un capteur optique, notamment un capteur de coupe optique, configuré pour détecter un profil de hauteur du matériau à base de fibres déjà posé, le dispositif capteur étant conçu pour identifier une surépaisseur de matériau à base de fibres en fonction du profil de hauteur détecté. Un tel capteur de coupe optique peut par exemple être agencé en avance de la tête de pose de fibres et identifie ainsi une surépaisseur de matériau à base de fibres déjà posé, qui peut alors être réduite par compactage et élargissement de section transversale à l'aide des oscillations ou vibrations mécaniques de l'unité de pose de fibres. Conformément à un autre mode de réalisation, la tête de pose de fibres comporte une source de chaleur destinée à échauffer le matériau à base de fibres, pendant que le matériau à base de fibres est posé sur l'outillage. Si l'on utilise par exemple des systèmes de résines thermoplastiques, il est possible de faire varier au point d'intersection l'état du matériau d'un état solide ou résistant à un état plus labile, par un échauffement ciblé au moyen de la source de chaleur, ce qui permet d'obtenir un meilleur compactage et une meilleure adhérence des matériaux à base de fibres posés, en particulier lorsque l'on pose des matériaux à base de fibres déjà consolidés. En conséquence, il s'avère particulièrement avantageux que l'échauffement produit par la source de chaleur pour échauffer le matériau à base de fibres s'effectue en fonction d'une surépaisseur de matériau à base de fibres détectée par le dispositif capteur, dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres. L'invention va être explicitée sous forme d'exemple, au regard des dessins annexés. Ceux-ci montrent : Figure 1 une représentation schématique d'une surépaisseur de Figure 2 matériau en des sites d'intersection ; Figure 3 une représentation schématique d'un dispositif de pose de fibres ; une représentation schématique de la tête de pose de fibres conforme à l'invention. La figure 1 montre schématiquement l'apparition de surépaisseurs de matériau en des sites d'intersection. Cela est produit par la pose de deux bandes de matériau à base de fibres 2 et 3 sur un outillage de mise en forme 1. La bande de matériau à base de fibres 2 a été posée avant la pose de la bande de matériau à base de fibres 3. Il en résulte une surépaisseur de matériau dans la zone d'intersection 4 des deux bandes de matériau à base de fibres 2 et 3. Comme les deux bandes de matériau à base de fibres 2 et 3 sont posées dans le même plan de matériau à base de fibres, il en résulte dans la zone d'intersection une surépaisseur qui présente une hauteur correspondant au moins à l'épaisseur de la bande de matériau à base de fibres 3. La figure 2 montre schématiquement un dispositif de pose de fibres 10 comprenant une unité de fabrication robotisée 11, sur laquelle est agencée une tête de pose de fibres 12 en guise d'effecteur terminal. A l'aide de l'unité de fabrication robotisée, la tête de pose de fibres 12 peut être déplacée par rapport à un outillage de mise en forme 13 en position fixe, de sorte que la tête de pose de fibres 12 permet de poser du matériau à base de fibres sur l'outillage de mise en forme 13. La figure 3 montre schématiquement une tête de pose de fibres 20 comportant un rouleau presseur 21 permettant la pose de matériau à base de fibres 22. Le rouleau presseur 21 est ici agencé sur la tête de pose de fibres 20 par l'intermédiaire d'un dispositif actionneur 23 configuré pour produire une excitation mécanique du rouleau presseur 21 de manière à faire osciller ou vibrer mécaniquement le rouleau presseur pendant la pose du matériau à base de fibres 22. La direction de l'oscillation ou de la vibration mécanique est ici avantageusement transversale à la direction de pose. Sur la tête de pose de fibres 20 peuvent être prévus, en outre, des capteurs de force 24, qui sont en liaison avec une unité de commande 25 et par ailleurs conçus pour détecter la force pressante instantanée lors de la pose des matériaux à base de fibres 22. Un accroissement de la force pressante instantanée lors de la pose des matériaux à base de fibres 22 permet ainsi d'identifier l'existence de surépaisseurs de matériau à base de fibres 26, qui peuvent par exemple représenter des points d'intersection de bandes de matériau à base de fibres se croisant dans le même plan de matériau à base de fibres. Si une telle surépaisseur de matériau à base de fibres 26 est détectée, l'unité de commande 25 peut piloter le dispositif actionneur 23 de façon qu'il se produise une excitation du rouleau presseur 21 pour faire osciller ou vibrer mécaniquement le rouleau presseur 21. Il est également envisageable de prévoir un capteur de coupe optique 27, agencé en avance de la tête de pose de fibres 20 et générant un profil de hauteur du contour de surface, des surélévations caractéristiques à l'intérieur des matériaux à base de fibres déjà posés permettant également de détecter une surépaisseur 26 correspondante. Si à présent on fait osciller ou vibrer mécaniquement le rouleau presseur 21 en raison de la surépaisseur de matériau 26 détectée, l'unité de commande 25 peut en outre piloter la tête de pose de fibres 20 de manière à augmenter la force pressante dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres 26, pour améliorer ainsi l'effet de compactage du matériau à base de fibres par les oscillations ou vibrations mécaniques. Nomenclature des repères : 1 Outillage de mise en forme 2 Bande de matériau à base de fibres 3 Bande de matériau à base de fibres 4 Site d'intersection Dispositif de pose de fibres 11 Unité de fabrication robotisée 12 Tête de pose de fibres 10 13 Outillage de mise en forme 20 Tête de pose de fibres 21 Rouleau presseur 22 Matériau à base de fibres 23 Dispositif actionneur 24 Capteurs de force 25 Unité de commande 26 Surépaisseur de matériau 27 Capteur de coupe optique REVENDICATIONS: 1. Tête de pose de fibres (20) pour poser du matériau à base de fibres (22) en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, comprenant une unité de pose de fibres (21) conçue pour assurer la pose du matériau à base de fibres (22) fourni à la tête de pose de fibres sur un outillage (13) pour la fabrication de la nappe de fibres, caractérisée en ce que la tête de pose de fibres (20) comporte un dispositif actionneur (23) qui est en liaison d'interaction mécanique avec l'unité de pose de fibres (21), et qui est conçu de manière à pouvoir faire osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres (21) pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres (21) pendant la pose du matériau à base de fibres (22). 2. Tête de pose de fibres (20) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif actionneur (23) pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres est conçu de manière à pouvoir faire osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres en direction du matériau à base de fibres à poser ou déjà posé. 3. Tête de pose de fibres (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'unité de pose de fibres (21) est un rouleau presseur, et le dispositif actionneur (23) pour produire une excitation mécanique du rouleau presseur est conçu de manière à pouvoir faire osciller ou vibrer mécaniquement le rouleau presseur axialement en direction du matériau à base de fibres à poser ou déjà posé. 4. Tête de pose de fibres (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif actionneur (23) possède au moins un actionneur piézoélectrique pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres. 5. Tête de pose de fibres (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il est prévu un dispositif capteur pour détecter une surépaisseur de matériau à base de fibres (26) sur du matériau à base de fibres (22) déjà posé ou à poser, et une unité de commande (25) conçue pour activer le dispositif actionneur (23) pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres lors de la détection de la surépaisseur de matériau à base defibres, lorsque l'unité de pose de fibres pose du matériau à base de fibres dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres détectée. 6. Tête de pose de fibres (20) selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'unité de commande (25) est en outre conçue pour augmenter, la force pressante de la tête de pose de fibres (20) pendant la pose du matériau à base de fibres en cas de détection de la surépaisseur de matériau à base de fibres, lorsque l'unité de pose de fibres pose du matériau à base de fibres dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres détectée. 7. Tête de pose de fibres (20) selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le dispositif capteur comporte un capteur de force (24) configuré pour détecter la force pressante pendant la pose du matériau à base de fibres, le dispositif capteur étant conçu pour identifier une surépaisseur de matériau à base de fibres en fonction de la force pressante détectée. 8. Tête de pose de fibres (20) selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le dispositif capteur comporte un capteur optique (27), configuré pour détecter un profil de hauteur de matériau à base de fibres déjà posé, le dispositif capteur étant conçu pour identifier une surépaisseur de matériau à base de fibres en fonction du profil de hauteur détecté. 9. Tête de pose de fibres (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il est prévu une source de chaleur pour échauffer le matériau à base de fibres. 10. Dispositif de pose de fibres (10) comprenant un robot (11) et, en tant qu'effecteur terminal, une tête de pose de fibres (20, 12) selon l'une des revendications précédentes. 11. Procédé pour poser du matériau à base de fibres (22) en vue de fabriquer une nappe de fibres pour la fabrication d'une pièce composite renforcée de fibres, au moyen d'une tête de pose de fibres, qui possède une unité de pose de fibres pour assurer la pose du matériau à base de fibres fourni à la tête de pose de fibres, caractérisé par une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres au moyen d'un dispositif actionneur pendant la pose du matériau à base de fibres dans la zone d'une surépaisseur de matériau à base de fibres du matériau à base de fibres déjà posé, de manière à faire osciller ou vibrer mécaniquement l'unité de pose de fibres. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on détecte, au moyen d'un dispositif capteur, une surépaisseur de matériau à base de fibres lors de la pose du matériau à base de fibres, et au moyen d'une unité de commande on active le dispositif actionneur pour produire une excitation mécanique de l'unité de pose de fibres en fonction de la détection de la surépaisseur de matériau à base de fibres, lorsque l'unité de pose de fibres pose le matériau à base de fibres dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres détectée. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moyen de l'unité de commande, on augmente la force pressante de la tête de pose de fibres pendant la pose du matériau à base de fibres, lors de la détection de la surépaisseur de matériau à base de fibres, lorsque l'unité de pose de fibres pose le matériau à base de fibres dans la zone de la surépaisseur de matériau à base de fibres détectée. 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'au moyen d'un capteur de force, on détecte la force pressante pendant la pose du matériau à base de fibres, et l'on identifie une surépaisseur de matériau à base de fibres en fonction de la force pressante détectée. 15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'au moyen d'un capteur optique on détecte un profil de hauteur de matériau à base de fibres déjà posé, et l'on identifie une surépaisseur de matériau à base de fibres en fonction du profil de hauteur détecté.