Brevet FR3108109A1 — publié le 20210917

La présente innovation est une machine de stratification, visant à envelopper une âme de matériaux composites. Cette machine est conçue de façon à permettre l’enroulement d’un fil de renfort (d’origine synthétique, minérale, naturelle : fil de verre, de carbone, de lin, etc.) imprégné d’une matrice (polymère thermodurcissable ou thermoplastique) autour d’une âme (représentant le volume de la pièce et supportant la ou les couches des dits matériaux composites). Figure pour l’abrégé: Fig. 1 Machine de stratification comprenant une couronne mobile embarquant un applicateur pour la dépose de fibre et procédé de mise en œuvre d’une telle machine La présente innovation est une machine de stratification, visant à envelopper une âme de matériaux composites. Cette machine est conçue de façon à permettre l’enroulement d’un fil de renfort (d’origine synthétique, minérale, naturelle : fil de verre, de carbone, de lin, etc.) imprégné d’une matrice (polymère thermodurcissable ou thermoplastique) autour d’une âme (représentant le volume de la pièce et supportant la ou les couches des dits matériaux composites). La stratification désigne un procédé qui permet d’assurer la cohésion entre plusieurs couches de matériaux superposées. La stratification regroupe un ensemble d’opérations, souvent réalisées manuellement. Un matériau composite est un matériau issu de la combinaison d’au minimum deux matériaux non miscibles qui possède des propriétés mécaniques que les constituants pris seuls n’ont pas. On peut discerner trois méthodes de réalisation d’une pièce en matériau composite : Procédé manuel : L’application de la matrice se fait à la main. Il y a d’abord une étape de mise en forme de l’âme, puis l’opérateur applique une couche de renforts et verse la résine qu’il étale (par exemple à l’aide de spatules, de pinceaux ou de rouleaux), de telle sorte que le renfort en soit complètement imprégné. Après cela, une étape de finition peut être effectuée pour éliminer les irrégularités de la pièce afin d’obtenir une surface lisse au touché. Le placement de fibre : Cette technique utilise un bras poly-articulé avec plusieurs axes pour placer la fibre et appliquer la matrice couche par couche. Contrairement à l’enroulement filamentaire, c’est le système de pose qui se déplace sur le renfort qui lui est fixe. Les fibres sont de préférence continues unidirectionnelles plates et se présentent sous forme de mèches. Ce procédé requiert une tête d’application et un système de déplacement par rapport au support fixe. Les machines disposent généralement d’un châssis qui se déplacer longitudinalement selon un axe. Cela rend possible la fabrication de structures plus complexes. L’enroulement filamentaire : les matériaux composites sont composés d’un renfort rigide supportant les efforts et d’une matrice qui joue le rôle de liant et assure la transmission des efforts au renfort. Quand le liant est un polymère organique, on parle de CMO (composite à matrice organique) et la matrice est appelée résine. Chez les CMO on trouve d’un côté les matrices thermodurcissables, rigides, qui s’appliquent par passage du renfort dans un bain de résine catalysée. De l’autre, on trouve les matrices thermoplastiques, plus flexibles, qui sont enroulées autour du renfort fixé sur un mandrin mis en rotation. Le système de guidage des fibres se déplace d’avant en arrière pendant la rotation du mandrin, de sorte que ces fibres soient enroulées uniformément. D’une façon plus générale, l’enroulement filamentaire est utilisé pour fabriquer des pièces présentant une symétrie de révolution : tubes, réservoirs, bouteilles de gaz, enveloppes cylindriques de fusée ou de missiles, arbres d’orientation automobile, etc... Il s’agit d’une technique automatisée précise et à haute uniformité dans la distribution bien adaptée aux grands volumes de production. La fibre organique est utilisée à l’état de fil et non de tissu comme c’est le cas chez les artisans, ce qui réduit les coûts en matériaux. En revanche, toute absence, même légère, de symétrie de révolution rend problématique l’utilisation de ce procédé. La présente invention a pour but l’automatisation du procédé manuel décrit plus haut. L’automatisation de celui-ci ne peut pas être faite par enroulement filamentaire car cette technique s’applique uniquement à des âmes ayant une symétrie de révolution. L’automatisation de celui-ci pourrait être faite par le placement de fibre, néanmoins, cette technique trop couteuse ne serait pas économiquement viable. La machine a pour but l’enroulement d’un fil de renfort (d’origine synthétique, minérale, ou naturelle) imprégné d’une matrice (thermoplastique ou thermodurcissable) autour d’une âme quelconque de façon automatisée. Son application se situe dans le domaine de la dépose de couches de matériaux composites sur tous les types d’âmes: préformes, tubulures, dispositifs aérodynamiques ou hydrodynamiques (comme par exemple les pales d’hélice, pales de rotor, pales d’éolienne ou hydrolienne), flotteurs (notamment pour le nautisme et sports de glisse). Les conditions sur le volume autour duquel le fil est enroulé seront détaillées après avoir expliqué le mode d’enroulement du fil autour dudit volume. Les dessins annexés illustrent l’invention, appliquée à la dépose de couches de matériaux composites sur une planche de glisse : représente la machine dans sa globalité, en vue de côté. représente la machine avec couronne orientée, en vue de haut. représente la machine légendée, en vue de derrière. représente le dispositif d’enroulement (bras articulé, applicateur) avec légendes. représente les supports fixes de la machine, ainsi que les attaches en vue de côté. représente le dispositif de translation/rotation de la couronne. représente une vue rapprochée sur le chariot d’enroulement. représente une étape du processus de dépose du fil. représente une autre étape du processus de dépose du fil. représente une autre étape du processus de dépose du fil. représente une autre étape du processus de dépose du fil. représente une autre étape du processus de dépose du fil. Une âme (3), autour de laquelle est enroulé un fil, présente des première et deuxième extrémités (3.1), (3.2). Selon une application, l’âme (3) correspond à l’âme d’une planche de glisse. Pour la suite de la description, on entend par fil, un ou plusieurs fil(s), une ou plusieurs mèches. Un dispositif d’enroulement comprend deux supports (1), (2), orientés verticalement, supportant des première et deuxième attaches (1’), (2’) auxquelles sont reliées les première et deuxième extrémités (3.1), (3.2) de l’âme (3) lors de l’enroulement. A titre d’exemple et de manière non limitative, les première et deuxième attaches (1’), (2’) se présentent sous la forme de pointes qui pénètrent dans l’âme (3). Lors de l’enroulement, les première et deuxième attaches (1’), (2’) sont fixes. Toutefois, leurs positions le long des supports pourraient être ajustées en hauteur entre chaque enroulement. Quel que soit le mode de réalisation, l’âme (3) est maintenue immobile lors de l’enroulement du fil. Pour la suite de la description, une direction longitudinale X ou direction d’enroulement est parallèle à un axe d’enroulement passant par les première et deuxième attaches (1’), (2’) ou les première et deuxième extrémités de l’âme (3). La direction Z est verticale. Selon une configuration, parmi les premier et deuxième supports (1), (2), le premier support (1) est fixe et positionné sur un rail (4). Le deuxième support (2) peut coulisser le long du rail (4) de manière à pouvoir ajuster l’écartement entre les premier et deuxième supports (1), (2) en fonction de la longueur de l’âme (3). Ainsi, le deuxième support (2) est relié au rail (4) par une liaison lui permettant de coulisser le long du rail (4) et d’être immobilisé par rapport au rail (4) lorsque la distance entre les deux supports (1), (2) est réglée. Le rail (4) repose généralement au sol. La longueur du rail (4) est fixe, de plus, les deux supports (1), (2) ne peuvent pas être fixés en dehors du rail (4). Ainsi, l’écart entre les deux supports (1), (2) ne peut excéder la longueur du rail (4). Le positionnement des deux supports (1), (2) sur le rail horizontal (4) est préalablement réglé de sorte que les deux attaches (1’) et (2’), assurant la liaison entre les deux supports (1) et (2) et l’âme (3), coïncident avec les deux extrémités (3.1), (3.2) de l’âme (3) afin de la fixer. Le dispositif d’enroulement comprend un premier chemin de guidage rectiligne parallèle à la direction d’enroulement. Selon un mode de réalisation, le rail (4) assure la fonction du premier chemin de guidage. Le dispositif d’enroulement comprend également un premier chariot (5) mobile le long du premier chemin de guidage, un deuxième chemin de guidage (6) décrivant une boucle autour de l’âme (3), supporté par le premier chariot (5) ainsi qu’un deuxième chariot mobile (7) le long du deuxième chemin de guidage. Ainsi, le premier chariot (5) se déplace parallèlement à l’axe d’enroulement et le deuxième chariot se déplace autour de l’axe d’enroulement, soit autour de l’âme (3). Selon une configuration, la course du premier chariot (5) est strictement comprise entre les positions des deux supports (1) et (2). La base (5.1) du premier chariot (5) est motorisé de façon à lui permettre de se déplacer sur le premier chemin de guidage, selon deux sens, à une vitesse de déplacement réglable. Selon un mode de réalisation, le deuxième chemin de guidage (6) est circulaire ou ovale. Il présente un diamètre intérieur de l’ordre du double de la distance séparant l’axe d’enroulement et le premier chemin de guidage. Selon un mode de réalisation, le deuxième chemin de guidage (6) est orientable. Il est relié au premier chariot (5) par une embase (5.3) elle-même reliée à une liaison pivotante (5.2) configuré pour faire pivoter le deuxième chemin de guidage (6) autour d’un axe de pivotement vertical passant par l’axe d’enroulement. orienté verticalement. Selon cette configuration, le deuxième chemin de guidage (6) s’inscrit dans un plan d’enroulement pivotant autour de l’axe de pivotement formant un angle α avec un plan (OX, OZ) contenant les axes d’enroulement et de pivotement. Selon un mode de réalisation, le dispositif d’enroulement comprend une motorisation pour contrôler l’orientation du plan d’enroulement en faisant pivoter le deuxième chemin de guidage (6) par rapport au premier chariot (5). Selon un mode de réalisation, le deuxième chemin de guidage (6) comprend une couronne qui présente un rail de circulation (6.1) positionné sur sa surface extérieure. Cette couronne est suffisamment rigide au regard du procédé qu’elle réalise. Le deuxième chariot (7) est motorisé de façon à pouvoir se déplacer sur le deuxième chemin de guidage (6) selon une vitesse de déplacement ajustable. La trajectoire du deuxième chariot (7) est un cercle de rayon proche de celui du deuxième chemin de guidage (6). Le dispositif d’enroulement comprend une tête d’application (9) directement en contact avec l’âme (3) en fonctionnement configurée pour y plaquer au moins un fil (11). Selon un mode de réalisation, la tête d’application (9) comprend un système de polymérisation permettant la polymérisation d’une matrice thermodurcissable ou la fusion d’une matrice thermoplastique suivant le type de matrice utilisée pour le fil (11). Le dispositif d’enroulement comprend au moins une réserve (10) à partir de laquelle est dévidé le fil (11). Selon une configuration, la réserve (10) est positionnée sur le deuxième chariot (7) et le dispositif d’enroulement comprend au moins un guide pour faire cheminer le fil (11) de la réserve (10) jusqu’à l’entrée de la tête d’application (9). Le dispositif d’enroulement comprend au moins un bras articulé (8.1), (8.2) qui présente une première extrémité reliée au deuxième chariot (7) et une deuxième extrémité reliée à la tête d’application (9). Chaque bras articulé (8.1), (8.2) est construit de sorte à pouvoir s’adapter pour qu’à tout moment la tête d’application (9) soit en contact avec la surface de l’âme (3). Selon une configuration, chaque bras articulé (8.1), (8.2) comprend un système de rappel qui tend à écarter la deuxième extrémité de la première extrémité afin de maintenir la tête d’application (9) plaquée contre l’âme (3). Chaque bras articulé (8.1), (8.2) comprend au moins deux segments. Pour le premier bras (8.1), le premier segment (8.1.2) est relié au deuxième chariot (7) par une articulation (8.1.1) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à une première direction. Le deuxième segment (8.1.4) est relié au premier segment (8.1.2) par une articulation (8.1.3) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à la première direction et à la tête d’application (9) par une articulation (8.1.5) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à la première direction. Ainsi, le premier arbre (8.1) peut se déformer dans un plan perpendiculaire à la première direction. Pour le deuxième bras (8.2), le premier segment (8.2.2) est relié au deuxième chariot (7) par une articulation (8.2.1) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à une deuxième direction. Le deuxième segment (8.2.4) est relié au premier segment (8.2.2) par une articulation (8.2.3) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à la deuxième direction et à la tête d’application (9) par une articulation (8.2.5) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à la deuxième direction. Ainsi, le deuxième bras (8.2) peut se déformer dans un plan perpendiculaire à la deuxième direction. Selon une configuration, les première et deuxième directions sont approximativement perpendiculaires. Ainsi, le premier bras (8.1) se déforme dans un premier plan de déformation perpendiculaire à un deuxième plan de déformation dans lequel se déforme le deuxième bras (8.2). Selon une configuration, le premier plan de déformation du premier bras (8.1) est parallèle ou confondu avec le plan d’enroulement dans lequel est inscrit le deuxième chemin de guidage. Le deuxième plan de déformation du deuxième bras (8.2) est perpendiculaire au plan d’enroulement dans lequel est inscrite le deuxième chemin de guidage. Les bras articulés (8.1), (8.2) sont construits de sorte que pour une révolution du deuxième chariot (7) autour du deuxième chemin de guidage (6), la tête d’application (9) parcourt exactement la surface de la section de l’âme (3) correspondant à l’intersection entre l’âme (3) et le plan d’enroulement. Il existe des contraintes à respecter sur le volume géométrique, représentant l’âme (3) autour duquel le fil (11) est enroulé. Considérons la section de l’âme (3) contenue dans le plan d’enroulement et la droite passant par le centre de ladite section et étant dirigée par le vecteur orthogonal à l’axe Z et contenue dans le plan d’enroulement, il faut que le maximum du nombre d’intersections entre les perpendiculaires à la droite considérée et la section considérée soit inférieur ou égale à deux pour que le fil (11) soit enroulé. En effet, si le nombre d’intersections est strictement supérieur à deux la section fait un retour sur elle-même suivant l’axe d’enroulement et le fil (11) a de grandes chances d’être tendu entre deux sommets sans coïncider partout avec la surface de la section considérée. Un exemple d’application du dispositif d’enroulement, ainsi décrit, est l’enroulement de renforts, de type fil de fibre de verre, autour d’une planche de glisse, afin de réaliser l’étape de la construction appelée stratification. Les figure , [Fig. 9], [Fig. 10], [Fig. 11] et [Fig. 12] illustrent le déroulement du cycle de fonctionnement à cinq instants caractéristiques, pris dans l’ordre chronologique. Le premier chariot (5.1) est préalablement placé sur le premier chemin de guidage, contre le premier support (1). L’âme (3) qui est dans ce cas une planche de glisse est préalablement fixée entre les premier et deuxième supports (1) et (2) avec les première et deuxième attaches (1’) et (2’). Le cycle d’enroulement se fait en deux parties. La première partie du cycle d’enroulement est l’ensemble des événements suivants : L’angle α entre le plan d’enroulement formé par le chemin de guidage (6) et l’axe d’enroulement X est fixé à +45°. Le deuxième chariot (7) se déplace à vitesse constante le long du deuxième chemin de guidage (6). Le premier chariot (5.1) parcourt à pas constant le premier chemin parallèlement à l’axe d’enroulement dans un premier sens du premier support 1 jusqu’au deuxième support (2). Voir . Le pas du premier chariot est pris faible devant l’écart entre les premier et deuxième supports (1) et (2). Le fil (11) s’enroule donc suivant une hélice sur l’âme (3). Le déplacement du premier chariot (5.1) ainsi que la vitesse du deuxième chariot (7) sont réglés de sorte qu’à chaque avancée du premier chariot (5.1) une spire de l’hélice soit réalisée. Voir et [Fig. 10]. La première partie d’un cycle d’enroulement se termine lorsque le premier chariot (5.1) arrive au niveau du deuxième support (2). La deuxième partie du cycle d’enroulement commence par le changement d’orientation du plan d’enroulement à l’aide de la liaison pivotante reliant le deuxième chemin de guidage et le premier chariot (5.1). L’angle α est maintenant fixé à -45° (ou 135°). La vitesse du deuxième chariot (7) est toujours la même. La valeur du pas du premier chariot (5.1) est toujours la même mais cette fois le premier chariot (5.1) se déplace le long du premier chemin de guidage parallèlement à l’axe d’enroulement dans un deuxième sens, opposé au premier sens, du deuxième support (2) jusqu’au premier support (1). Voir et [Fig. 12]. La deuxième partie du cycle d’enroulement se termine lorsque le premier chariot (5.1) arrive au niveau du premier support 1. Cela termine alors le cycle d’enroulement. Le cycle d’enroulement est répété une unique fois ou plusieurs fois selon la quantité de renfort voulu. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à ces valeurs pour l’angle α. De même, les valeurs de l’angle α et/ou du pas du premier chariot peuvent varier d’un cycle à l’autre. Dispositif d’enroulement d’un fil de renfort autour d’une âme (3) comprenant des première et deuxième extrémités, caractérisé en ce qu’il comporte : Un premier support (1) présentant une première attache (1’) à laquelle est reliée la première extrémité de l’âme (3) en fonctionnement, Un deuxième support (2) présentant une deuxième attache (2’) à laquelle est reliée la deuxième extrémité de l’âme (3) en fonctionnement, un axe d’enroulement passant par les première et deuxième attaches (1’, 2’), Une tête d’application (9) configurée pour déposer un fil sur l’âme (3), Un premier chemin de guidage (4), parallèle à l’axe d’enroulement, Un deuxième chemin de guidage (6) décrivant une boucle entourant l’axe d’enroulement, solidaire d’un premier chariot (5) mobile le long du premier chemin de guidage, Un deuxième chariot (7) mobile le long du deuxième chemin de guidage (6), Au moins un bras articulé (8.1, 8.2) présentant une première extrémité reliée au deuxième chariot (7) et une deuxième extrémité relié à la tête d’application (9), ledit bras (8.1, 8.2) étant déformable et configuré pour maintenir la tête d’application (9) en contact avec l’âme (3). Dispositif d’enroulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bras articulé (8.1, 8.2) comprend un système de rappel qui tend à écarter la deuxième extrémité de la première extrémité afin de maintenir la tête d’application (9) contre l’âme (3). Dispositif d’enroulement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque bras articulé (8.1, 8.2) comprend un premier segment (8.1.2) est relié au deuxième chariot (7) par une articulation (8.1.1) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à une première direction ainsi qu’un deuxième segment (8.1.4) est relié au premier segment (8.1.2) par une articulation (8.1.3) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à la première direction et à la tête d’application (9) par une articulation (8.1.5) de type liaison pivot autour d’un axe de pivotement parallèle à la première direction. Dispositif d’enroulement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un premier bras (8.1) présentant des axes de pivotement parallèles à une première direction de sorte que le premier bras (8.1) se déforme dans un premier plan de déformation perpendiculaire à la première direction ainsi qu’un deuxième bras (8.2) présentant des axes de pivotement parallèles à une deuxième direction de sorte que le deuxième bras (8.2) se déforme dans un deuxième plan de déformation perpendiculaire à la deuxième direction, les première et deuxième direction étant approximativement perpendiculaires. Dispositif d’enroulement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier plan de déformation du premier bras (8.1) est parallèle ou confondu avec le plan d’enroulement dans lequel est inscrit le deuxième chemin de guidage. Dispositif d’enroulement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième chemin de guidage (6) est orientable et relié au premier chariot (5.1) par une liaison pivotante configuré pour faire pivoter le deuxième chemin de guidage (6) autour d’un axe de pivotement vertical passant par l’axe d’enroulement.