Brevet FR3068371A1 — publié le 20190104

Procédé de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles La présente invention concerne la fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles. Une nappe de fibres unidirectionnelles est une nappe dont les fibres sont toutes parallèles entre elles. Les nappes de fibres unidirectionnelles sont généralement employées pour la fabrication de composites. En particulier, le parallélisme entre les fibres permet d'atteindre un faible niveau de porosité dans le composite final. En effet, il est possible de comprimer fortement un empilement de nappes de fibres unidirectionnelles de manière à atteindre une densité optimale, pour laquelle la matrice du composite occupe l'intégralité des espaces inter-fibres. Les performances d'un composite fabriqué à partir de nappes de fibres unidirectionnelles sont ainsi particulièrement satisfaisantes. On connaît déjà, dans l'état de la technique, notamment d'après FR 2 982 283, un procédé de fabrication de nappes de fibres unidirectionnelles. Ce procédé est particulièrement adapté aux fibres très longues, notamment supérieures à 80 cm. Bien que ce procédé puisse éventuellement être adapté à des fibres courtes, il demande un grand nombre d'étapes et est particulièrement onéreux à mettre en oeuvre. L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé de fabrication de nappes de fibres unidirectionnelles, adapté aux fibres courtes, et simple et économique à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un procédé de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles, comportant : - une étape de réalisation d'une nappe intermédiaire de fibres courtes, allongée dans une direction longitudinale, par nappage avec entrecroisement des fibres, - une étape de passage de la nappe intermédiaire, le long de la direction longitudinale, à travers un dispositif de bouclage comprenant un ensemble de disques tournants et d'éléments fixes de bouclage, de manière à générer des ondulations dans une direction transversale perpendiculaire à la direction longitudinale, - une étape d'accumulation des ondulations contre un organe de butée, de manière à obtenir une nappe ondulée, caractérisé en ce qu'il comporte, suite à l'étape d'accumulation, une étape d'étirement de la nappe ondulée dans la direction transversale pour aplanir les ondulations et obtenir ainsi une nappe de fibres courtes unidirectionnelles. 2 Les étapes de passage et d'accumulation permettent de paralléliser parfaitement les fibres de la nappe. Ainsi, l'étape d'étirement permet d'obtenir une nappe sensiblement plane à partir de la nappe ondulée dont les fibres sont parallèles. Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir, de manière simple et 5 économique, une nappe sensiblement plane de fibres unidirectionnelles. Un procédé selon l'invention peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables. - Le dispositif de bouclage est configuré pour que les ondulations soient formées 10 par des boucles présentant chacune une largeur G prédéfinie dans la direction transversale, et une hauteur H prédéfinie dans une direction d'élévation perpendiculaire aux directions longitudinale et transversale, l'étape de nappage avec entrecroisement étant réalisée de manière à orienter les fibres parallèlement à une direction générale formant un angle a avec la direction longitudinale, donné par la relation sina=G/2H à +1- 15 5° près. - Le procédé comporte une étape préalable d'alimentation d'un dispositif de cardage avec des fibres courtes afin d'obtenir un voile de carde, l'étape de réalisation de nappe intermédiaire étant réalisée par nappage du voile de carde avec entrecroisement. - Les fibres courtes sont des fibres naturelles, par exemple de lin, de chanvre, de 20 jute ou de sisal. - La nappe ondulée présentant suite à l'étape d'accumulation une masse surfacique W, l'étape d'étirement est réalisée de manière à obtenir une nappe de fibres courtes unidirectionnelles présentant une masse surfacique v = 2.W.G/H. - Les fibres courtes sont en partie constituées de fibres fusibles, le procédé 25 comportant, suite à l'étape d'accumulation, et préalablement à l'étape d'étirement, une étape de chauffage de la base des ondulations pour faire fondre les fibres fusibles. - Le procédé comporte, suite à l'étape d'étirement, une étape de calandrage de la nappe de fibres unidirectionnelles. - Les fibres présentent une longueur inférieure à 150 mm. 30 L'invention concerne également un dispositif de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles, comportant : - un dispositif de nappage avec entrecroisement des fibres, propre à réaliser une nappe intermédiaire de fibres courtes, allongée dans une direction longitudinale, - un dispositif de bouclage comprenant un ensemble de disques tournants et d'éléments fixes de bouclage, propre à générer des ondulations dans une direction transversale perpendiculaire à la direction longitudinale, 3 - un organe de butée agencé en sortie du dispositif de bouclage, propre à réaliser une accumulation des ondulations, pour former une nappe ondulée, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'étirement de la nappe ondulée dans la direction transversale, propre à aplanir les ondulations et obtenir ainsi une nappe 5 de fibres courtes unidirectionnelles. Ce dispositif permet la mise en oeuvre du procédé tel que défini précédemment. L'invention concerne enfin une nappe 1 de fibres courtes unidirectionnelles), caractérisée en ce qu'elle est réalisée au cours d'un procédé de fabrication tel que défini précédemment. 10 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles selon un exemple de mode de réalisation de 15 l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement, en vue du dessus, des fibres d'une nappe de fibres passant dans le dispositif de fabrication la figure 1, avant passage dans un dispositif de bouclage équipant ce dispositif de fabrication ; - la figure 3 représente schématiquement l'évolution d'une fibre passant dans le 20 dispositif de bouclage ; - la figure 4 représente schématiquement les étapes d'un procédé de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles, utilisant le dispositif de la figure 1. On a représenté, sur la figure 1, un dispositif 10 de fabrication d'une nappe 12 de fibres courtes unidirectionnelles. 25 Habituellement, une fibre est dite courte lorsque sa longueur est inférieure à 500 mm. De préférence, la nappe 12 comporte des fibres courtes de longueur inférieure à 300 mm, par exemple inférieure à 150 mm. Les fibres de la nappe 12 sont de préférence des fibres naturelles, par exemple de lin, de chanvre, de jute ou de sisal, ou un mélange de fibres naturelles de différentes 30 natures. En variante, les fibres de la nappe 12 peuvent également comporter, au moins en partie, des fibres synthétiques. Avantageusement, les fibres de la nappe 12 sont en partie constituées de fibres fusibles, c'est-à-dire susceptibles de rompre lorsqu'elles sont soumises à une température de fusion prédéfinie. Par exemple, la nappe 12 comporte entre 2 et 70% de fibres 35 fusibles. En particulier un taux de 50% à 70% de fibres fusibles est envisagé lorsque la nappe 12 est destinée à la fabrication d'un composite à matrice thermoplastique. 4 Le dispositif de fabrication 10 comporte un dispositif de cardage 14 de type classique. Le dispositif de cardage 14 est alimenté en entrée avec des fibres courtes, telles que définies précédemment, afin d'obtenir en sortie un voile de carde 12a. 5 Le dispositif de cardage 14 est suivi d'un dispositif 16 de nappage avec entrecroisement de fibres, également de type classique. Le voile de carde 12a est fourni en entrée du dispositif de nappage 16. Le dispositif de nappage 16 réalise alors, en fournit en sortie, une nappe intermédiaire de fibres courtes 12b s'étendant dans une direction longitudinale X, qui est la direction d'avancée de la nappe intermédiaire 12b dans le 10 dispositif de nappage 16. Le dispositif de nappage 16 est de type classique, et ne sera donc pas décrit plus en détail. La particularité de l'utilisation de ce dispositif dans le cadre de l'invention est que l'on ne réalise qu'un seul pli, si bien que les fibres entrecroisées par le dispositif de nappage s'étendent parallèlement à une direction formant un angle moyen a d'environ 15 60° avec la direction longitudinale X, dans le cas évidemment où la largeur de nappage correspond à la largeur de cardage. La nappe intermédiaire 12b, à ce stade du procédé, est donc constituée de deux voiles superposés ayant leurs fibres majoritairement orientées avec un angle moyen a de 60° symétriquement par rapport à l'axe longitudinal X matérialisant le sens machine. 20 Comme cela est représenté sur la figure 2, les fibres, désignées par la référence générale 15, sont chacune sensiblement parallèle à une direction générale A, B formant un angle moyen a prédéterminé avec la direction longitudinale X. Les fibres étant entrecroisées, certaines sont alignées parallèlement à une première direction générale A formant un angle a avec la direction longitudinale X dans un sens horaire, et d'autres sont 25 alignées parallèlement à une seconde direction générale B formant un angle a avec la direction longitudinale X dans un sens trigonométrique. Le dispositif de fabrication 10 comporte, en sortie du dispositif de nappage 16, un dispositif de bouclage 18 connu en soi, par exemple en partie similaire à celui décrit dans EP 0 859 077. Un tel dispositif de bouclage 18 est destiné à boucler les fibres 15 de la 30 nappe intermédiaire 12b en les verticalisant, formant ainsi des ondulations. Le dispositif de bouclage 18 comporte un ensemble de disques tournants 20 portés sur un axe commun transversal, s'étendant selon une direction transversale Y perpendiculaire à la direction longitudinale X. Les disques tournants 20 sont entrainés en rotation continue à une vitesse périphérique de préférence égale à la vitesse d'entrée de 35 la nappe intermédiaire 12b dans ce dispositif de bouclage 18. 5 Les disques tournants 20 sont de préférence chacun pourvu sur sa périphérie d'une denture permettant l'entrainement de la nappe intermédiaire 12b. Le dispositif de bouclage 18 comporte également des doigts boudeurs 22, chacun étant disposé entre deux disques 20 adjacents. Les doigts boudeurs 22 s'étendent 5 jusqu'à une extrémité se présentant sensiblement de manière tangentielle par rapport aux disques 20. Ainsi, chaque fibre 15 se retrouve prébouclée en étant entrainée à chaque extrémité par un disque 20 respectif, en surmontant le doigt boudeur 22 correspondant disposé entre ces deux disques 20. Le cheminement d'une fibre 15 entre deux disques adjacents 20 est représenté 10 schématiquement sur la figure 3. La fibre 15 se présente avec un angle a avec la direction longitudinale X, qui est également la direction d'avancée de la nappe intermédiaire 12b dans le dispositif de bouclage 18. Une partie avant de la fibre 15 est entrainée par l'un des disques 20, et une partie 15 arrière de cette fibre 15 est entrainée par l'autre disque 20. Ces deux disques étant solidaires d'un même axe, leurs vitesses de rotation sont identiques. La partie avant de la fibre 15 arrive en premier en bout de course, contre un organe de butée 24 qui sera décrit ultérieurement. Alors que la partie avant est en butée, la partie arrière continue d'avancer jusqu'à venir elle aussi en butée, courbant ainsi la 20 fibre 15 qui forme alors une boucle. Les fibres 15 passant dans le dispositif de bouclage 18 ont toutes le même comportement tel que décrit ci-dessus, si bien que l'ensemble des fibres 15 bouclées forme des ondulations sur la largeur de la nappe intermédiaire 12b, prise dans la direction transversale Y. La nappe issue du dispositif de bouclage 18 sera appelée nappe ondulée 25 12c Chaque boucle présente une hauteur H, prise dans une direction d'élévation Z perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction transversale, et une largeur G prise dans la direction transversale Y comme cela est représenté sur la figure 3. Il est à noter que la largeur G correspond sensiblement à l'intervalle entre deux disques 20 30 adjacents. Il est à noter que la largeur G et la hauteur H des ondulations sont prédéfinies, la largeur G dépendant de l'intervalle entre deux disques tournants 20 adjacents, et la hauteur dépendant notamment de cet intervalle et de la longueur initiale des fibres 15. Avantageusement, le dispositif de bouclage 26 est configuré pour que la largeur G 35 et la hauteur H des boucles formées répondent sensiblement à la relation sina=G/2H. Ceci permet d'optimiser la formation des boucles et la parallélisation des fibres. 6 L'organe de butée 24 est de tout type envisageable. Par exemple, l'organe de butée 24 est formé par un convoyeur dont la vitesse de déplacement est inférieure à la vitesse tangentielle des disques 20. L'organe de buté 24 est par exemple formé par une courroie agencée entre les 5 disques mobiles 20 et dans le plan des doigts boudeurs 18, et faisant partie d'un dispositif d'étirement 26 décrit ci-après. En s'accumulant en sortie du dispositif de bouclage 18, les boucles sont parallélisées, et notamment parallèles à la direction transversale Y. Le dispositif de fabrication 10 comporte par ailleurs, à la suite du dispositif de 10 bouclage 18, un dispositif d'étirement 26, propre à étirer transversalement la nappe ondulée 12c. Par exemple, l'étirement est réalisé selon le principe décrit dans EP 2 998 424. Le dispositif d'étirement 26 comporte alors un ensemble de courroies recueillant les ondulations issues du dispositif de bouclage 18, ces courroies divergeant pour aplanir la 15 nappe ondulée 12c. Tout autre dispositif d'étirement 26 est envisageable, notamment comportant des rouleaux d'axes parallèles à la direction longitudinale X. Avantageusement, comme indiqué précédemment, les fibres 15 comportent des fibres fusibles. Le dispositif de fabrication 10 comporte alors de préférence un dispositif de 20 chauffage 28 agencé en sortie du dispositif de bouclage 18, et propre à chauffer la base des ondulations jusqu'à la température de fusion, afin de faire fondre les fibres fusibles. Cela crée des points de liaison qui évitent une extension de la nappe ondulée 12c dans la direction longitudinale X, et permettent d'étirer les ondulations transversalement sans risque de déchirement de la nappe. 25 Il est à noter que, lorsque l'angle a des fibres 15 du voile intermédiaire 12b est de l'ordre de 60°, l'étirement transversal est relati \ement faible, de l'ordre de 1,2. Cet étirement est donc aisément contrôlable, et ne nécessite pas un dispositif d'étirement complexe. Suite à l'étirement transversal, on obtient la nappe de fibres courtes 30 unidirectionnelles 12, dans laquelle les fibres 15 sont parfaitement alignées et orientées selon la direction transversale. La masse surfacique de la nappe de fibres unidirectionnelles 12 dépend de la masse du voile de carde 12a, et du taux d'accumulation des ondulations. Par exemple, la masse surfacique de la nappe de fibres unidirectionnelles 12 est comprise entre 50 et 200 35 g/m2. 7 Avantageusement, le dispositif de fabrication 10 comporte un dispositif de calandrage 30 en sortie du dispositif d'étirement 26, destiné à fixer la structure du voile 12 en vue d'une manipulation ultérieure. Un tel calandrage est envisageable lorsque les fibres comportent au moins entre 2% et 5% de fibres fusibles. 5 Alternativement, comme cela est représenté sur la figure 5, le dispositif de calandrage 30 est remplacé par un dispositif à double bandes 40, formé par deux convoyeurs 40a et 40b séparé par une distance D, et présentant une zone de chauffage 41 suivie d'une zone de refroidissement 42. Ce dispositif à double bande 40 permet avantageusement une seconde 10 accumulation de la nappe de fibres unidirectionnelles par la formation de plis par rapport à la direction Y, la nappe de fibres unidirectionnelle au sortir du dispositif 26 se positionnant par exemple en zig-zag comme le montre la figure 5. Cette accumulation supplémentaire est utile lorsque l'on recherche des grammages de la nappe unidirectionnelle au sortir du dispositif 40 supérieurs à environ 200g/m2 (cette valeur dépend du titre des fibres 15 employées). En effet la structure issue du dispositif 18 à tendance à s'expanser longitudinalement aléatoirement au-delà d'un certain grammage ce qui conduit à brouiller les fibres qui perdent leur parallélisme. Par ailleurs le dispositif à double bandes 40 permet de faire fusionner les fibres fusibles et de garantir ainsi la cohésion de la nappe unidirectionnelle de la même façon 20 qu'une calandre. Ce dispositif 40 permet, par réglage de la distance D entre bandes, des grammages supérieurs à 200 g/m2 et pouvant atteindre 1000 g/m2 voire au-delà. Comme indiqué précédemment, un taux de 50% de fibres fusibles est envisagé lorsque la nappe 12 est destinée à la fabrication d'un composite à matrice 25 thermoplastique. Ainsi, la nappe 12 est aisément calandrable et le composite pourra être aisément thermoformé. Le dispositif de fabrication 10 permet de mettre en oeuvre un procédé de fabrication qui va maintenant être décrit. Le procédé de fabrication comporte une étape préalable 100 d'alimentation du 30 dispositif de cardage 14 avec des fibres courtes 15 afin d'obtenir un voile de carde 12a. Comme indiqué précédemment, les fibres courtes présentent une longueur inférieure à 50 cm, de préférence inférieure à 30 cm, par exemple inférieure à 15 cm. Le procédé comporte ensuite une étape 110 de réalisation d'une nappe intermédiaire de fibres courtes 12b, allongée dans la direction longitudinale X, par 35 nappage du voile de carde 12a avec entrecroisement des fibres. A cet effet, le voile de carde 12a est passé dans le dispositif de nappage 16. 8 Le nappage 110 est réalisé en un seul pli, si bien que les fibres entrecroisées par le dispositif de nappage 16 s'étendent parallèlement à une direction formant un angle moyen a d'environ 600 avec la direction longitudinale X, dans le cas évidemment où la largeur de nappage correspond à la largeur de cardage. 5 Plus particulièrement, l'étape de nappage 110 avec entrecroisement est réalisée de manière à orienter les fibres 15 parallèlement à une direction générale A, B formant un angle a avec la direction longitudinale X, donné par la relation sina=G/2H à +/- 5° près. Le procédé comporte ensuite une étape 120 de passage de la nappe intermédiaire 12b, le long de la direction longitudinale X, à travers le dispositif de bouclage 28, de 10 manière à générer des ondulations dans la direction transversale Y. Le procédé comporte également une étape 130 d'accumulation des ondulations contre l'organe de butée 24. On obtient ainsi une nappe ondulée 12c, comme décrit précédemment. La nappe ondulée 12c présente, suite à l'étape d'accumulation 130, une masse 15 surfacique W. Avantageusement, le procédé comporte, suite à l'étape d'accumulation, une étape 140 de chauffage de la base des ondulations, destinée à faire fondre les fibres fusibles. Le procédé comporte ensuite une étape 150 d'étirement de la nappe ondulée 12c dans la direction transversale Y pour aplanir les ondulations et obtenir ainsi une nappe de 20 fibres courtes unidirectionnelles 12. L'étape d'étirement 150 est réalisée de manière à obtenir une nappe de fibres courtes unidirectionnelles 12 présentant une masse surfacique v = 2.W.G/H. De manière optionnelle, le procédé comporte ensuite une étape 160 de calandrage de la nappe de fibres unidirectionnelles 12. 25 Le procédé comporte enfin de manière optionnelle, une étape 170 d'enroulement de la nappe 12 ainsi formée, en vue de sa manutention. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir, en continu, REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles (12), comportant : - une étape (110) de réalisation d'une nappe intermédiaire de fibres courtes (12b), allongée dans une direction longitudinale (X), par nappage avec entrecroisement des fibres, - une étape (120) de passage de la nappe intermédiaire (12b), le long de la direction longitudinale (X), à travers un dispositif de bouclage (18) comprenant un ensemble de disques tournants (20) et d'éléments fixes de bouclage (22), de manière à générer des ondulations dans une direction transversale (Y) perpendiculaire à la direction longitudinale (X), - une étape (130) d'accumulation des ondulations contre un organe de butée (24), de manière à obtenir une nappe ondulée (12c), caractérisé en ce qu'il comporte, suite à l'étape d'accumulation (130), une étape (150) d'étirement de la nappe ondulée (12c) dans la direction transversale (Y) pour aplanir les ondulations et obtenir ainsi une nappe de fibres courtes unidirectionnelles (12). 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de bouclage (18) est configuré pour que les ondulations soient formées par des boucles présentant chacune une largeur G prédéfinie dans la direction transversale (Y), et une hauteur H prédéfinie dans une direction d'élévation (Z) perpendiculaire aux directions longitudinale (X) et transversale (Y), l'étape de nappage avec entrecroisement (110) étant réalisée de manière à orienter les fibres (15) parallèlement à une direction générale (A, B) formant un angle a avec la direction longitudinale (X), donné par la relation sina=G/2H à +/- 5° près. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, comportant une étape préalable (100) d'alimentation d'un dispositif de cardage (14) avec des fibres courtes afin d'obtenir un voile de carde (12a), l'étape (110) de réalisation de nappe intermédiaire étant réalisée par nappage du voile de carde (12a) avec entrecroisement. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les fibres courtes (15) sont des fibres naturelles, par exemple de lin, de chanvre, de jute ou de sisal. 10 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, la nappe ondulée (12c) présentant suite à l'étape d'accumulation une masse surfacique W, l'étape d'étirement est réalisée de manière à obtenir une nappe de fibres courtes unidirectionnelles (12) présentant une masse surfacique v = 2.W.G/H. 5 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les fibres courtes (15) sont en partie constituées de fibres fusibles, le procédé comportant, suite à l'étape d'accumulation (130), et préalablement à l'étape d'étirement (150), une étape (140) de chauffage de la base des ondulations pour faire fondre les 10 fibres fusibles. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, comportant, suite à l'étape d'étirement (150), une étape (160) de calandrage de la nappe de fibres unidirectionnelles (12) 15 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les fibres (15) présentent une longueur inférieure à 150 mm. 9. Dispositif (10) de fabrication d'une nappe de fibres courtes unidirectionnelles 20 (12), comportant : - un dispositif (16) de nappage avec entrecroisement des fibres (15), propre à réaliser une nappe intermédiaire (12b) de fibres courtes, allongée dans une direction longitudinale (X), - un dispositif de bouclage (18) comprenant un ensemble de disques tournants 25 (20) et d'éléments fixes de bouclage (22), propre à générer des ondulations dans une direction transversale (Y) perpendiculaire à la direction longitudinale (X), - un organe de butée (24) agencé en sortie du dispositif de bouclage (18), propre à réaliser une accumulation des ondulations, pour former une nappe ondulée (12c), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (26) d'étirement de la nappe ondulée 30 (12c) dans la direction transversale, propre à aplanir les ondulations et obtenir ainsi une nappe de fibres courtes unidirectionnelles (12). 10. Nappe de fibres courtes unidirectionnelles (12), caractérisée en ce qu'elle est réalisée au cours d'un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 35 à8.