Brevet FR3109426A1 — publié le 20211022

L’invention concerne un procédé de réalisation d’un réservoir de stockage de fluide sous pression et une installation de mise en œuvre, comprenant les étapes suivantes : a) on fournit un support rigide de révolution (10) comportant une partie centrale (34) et deux parties d’extrémité opposées arrondies (30, 32) ; b) on fournit un ruban composite comprenant un matériau polymère thermoplastique et un matériau fibreux noyé dans ledit matériau polymère ; c) on provoque la fusion du matériau polymère dudit ruban et on enroule ledit ruban autour dudit support rigide (10) en réalisant des spires jointives et des spires superposées de manière à former une couche composite autour dudit support rigide (10). Et on applique en outre localement une pluralité de portions discontinues (40) dudit ruban sur au moins l’une desdites deux parties d’extrémité opposées arrondies (30, 32). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2 Réservoir de stockage de fluide sous pression renforcé La présente invention se rapporte à un procédé de réalisation d’un réservoir de stockage de fluide sous pression. Un domaine d’application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui du stockage de l’hydrogène sous pression pour des véhicules automobiles aptes à fonctionner avec ce carburant. Il est connu de réaliser des réservoirs de stockage d’une seule pièce en partant d’une enveloppe étanche rigide cylindrique et en enroulant autour un ruban composite. Ce dernier est fait de fibres imprégnées d’une résine thermodurcissable par exemple, et il est enroulé hélicoïdalement d’une seule pièce autour de l’enveloppe en réalisant une pluralité de spires jointives et de spires superposées de manière à former une couche composite sensiblement homogène et d’une épaisseur constante. L’enveloppe étanche rigide, dénommée également « liner » est par exemple réalisée en métal pour certains types de réservoir. Elle peut être réalisée dans un matériau polymère pour certains autres types de réservoir où leur allègement est un enjeu important ou bien lorsqu’ils sont sollicités mécaniquement de manière périodique. Pour ce faire, l'enveloppe étanche est installée entre deux mandrins et une tête d'application portée par un robot vient appliquer le ruban contre l'enveloppe à mesure qu'elle est entraînée en rotation en formant des spires autour de l’enveloppe étanche. Ainsi, le ruban composite est appliquée de manière continue, en formant tout d’abord des spires dites « axiales » où elles s’étendent selon des plans moyens peu inclinés par rapport à l’axe de rotation de l’enveloppe, puis des spires circonférentielles qui s’étendent selon des plans moyens voisins de plans perpendiculaires à l’axe de rotation. Autrement dit, les spires axiales s’étendent d’une extrémité à l’autre de l’enveloppe, tandis que les spires circonférentielles sont formées dans la partie cylindrique de l’enveloppe. Le document EP 2 949 449 A1 décrit un tel réservoir et son procédé de fabrication. Cependant, les réservoirs de ce type ne sont pas sollicités mécaniquement de façon homogène sur toute l’étendue de leur paroi. Leurs extrémités peuvent en effet subir des contraintes supérieures à celles qui s’exercent sur la partie centrale cylindrique. Or, les procédés d’enroulement filamentaire usuels ne permettent pas de privilégier le renfort de certaines zones de l’enveloppe cylindrique et en particulier les extrémités arrondies. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un procédé qui permette de renforcer localement la paroi des réservoirs de stockage composites. Dans le but de résoudre ce problème, et selon un premier objet, il est proposé un procédé de réalisation d’un réservoir de stockage de fluide sous pression, comprenant les étapes suivantes : a) on fournit un support rigide de révolution comportant une partie centrale et deux parties d’extrémité opposées arrondies ; b) on fournit un ruban composite comprenant un matériau polymère thermoplastique et un matériau fibreux noyé dans ledit matériau polymère ; c) on provoque la fusion du matériau polymère dudit ruban et on enroule ledit ruban autour dudit support rigide en réalisant des spires jointives et des spires superposées de manière à former une couche composite autour dudit support rigide. Et on applique en outre localement une pluralité de portions discontinues dudit ruban sur au moins l’une desdites deux parties d’extrémité opposées arrondies. Ainsi, une caractéristique de l’invention réside dans la mise en œuvre d’un ruban composite incluant un matériau polymère thermoplastique et dans l’application locale de portions discontinues de ruban composite sur la partie d’extrémité arrondie du support rigide. On applique préférentiellement les portions discontinues de ruban composite avant l’étape c), après avoir provoqué la fusion du matériau polymère. De la sorte, on vient appliquer des couches de ruban composite supplémentaires, sur la partie d’extrémité exclusivement, de manière à obtenir localement une épaisseur de paroi du réservoir plus importante. De la sorte, on obtient une meilleure résistance mécanique de l’extrémité arrondie. On observera que les portions discontinues de ruban composite peuvent également être appliquées durant l’étape c). Autrement dit, on vient appliquer localement des portions de ruban composite sur les spires hélicoïdales dudit ruban déjà formées. Et au surplus, on vient recouvrir à leur tour ces portions discontinues de ruban par des spires hélicoïdales, comme on l’expliquera ci-après. On obtient de la sorte une meilleure liaison entre les portions discontinues de ruban et les spires hélicoïdales, et partant une meilleure résistance mécanique de la couche composite du réservoir. Aussi, on observera que le support de révolution peut être considéré dans son ensemble comme un solide de révolution, mais qu’il peut aussi présenter des portions qui n’entrent pas rigoureusement dans cette définition. Par exemple, il peut présenter des portions méplates. Préférentiellement, les portions discontinues de ladite pluralité de portions présentent des extrémités de ruban s’étendant dans ladite partie centrale dudit support. La partie centrale du support présente deux bordures circulaires opposées longeant les parties d’extrémité opposées. Et les extrémités des portions discontinues de ruban sont appliquées dans la bordure circulaire correspondante. Aussi, de manière particulièrement avantageuse, on enroule ledit ruban autour dudit support en recouvrant lesdites extrémités de ruban desdites portions discontinues. De la sorte, après que le matériau polymère du ruban et celui des extrémités des portions discontinues de ruban redevient rigide, la paroi d’extrémité du réservoir et la paroi centrale sont liées mécaniquement entre elles. Selon un mode de mise en œuvre de l’invention particulièrement avantageux, on applique localement ladite pluralité de portions discontinues dudit ruban suivant une pluralité de plans moyens respectivement compris entre des plans axiaux et des plans inclinés par rapport auxdits plans axiaux. Ainsi, chaque portion discontinue de ruban composite appliquée sur l’extrémité arrondie définit un plan moyen, lequel plan moyen est sensiblement incliné par rapport au plan axial contenant l’axe de rotation du support ou bien est confondu avec le plan axial. Autrement dit, et comme on l’expliquera plus en détail dans la suite de la description, les portions discontinues de ruban peuvent s’étendre radialement ou bien selon des cordes si l’on considère la projection de l’extrémité arrondie sur un plan radial. Dans le second cas, les deux extrémités opposées de la portion de ruban composite peut alors venir s’appliquer dans la bordure circulaire de la partie centrale. Par exemple, lesdits plans moyens sont compris entre des plans inclinés d’un angle de 45° par rapport auxdits plans axiaux. Préférentiellement, lesdits plans moyens sont compris entre des plans inclinés d’un angle de 30° par rapport auxdits plans axiaux. Selon un mode de réalisation de l’invention particulièrement avantageux, on applique localement une pluralité de portions discontinues dudit ruban sur lesdites deux parties d’extrémité opposées arrondies. On renforce ainsi la paroi des deux extrémités arrondies opposées dudit réservoir. En outre, et selon un mode préféré de mise en œuvre de l’invention, nullement limitatif, ledit support est une enveloppe étanche. Cette enveloppe étanche est par exemple réalisée dans un matériau polymère et elle constitue le « liner » du réservoir. Elle présente au moins une ouverture pratiquée dans l’une de ses deux extrémités opposées arrondies. Par ailleurs, selon un autre mode de mise en œuvre de l’invention, le support est un support fusible. Autrement dit, il est dénaturé et extrait de l’intérieur de la paroi du réservoir après sa réalisation. Le support est par exemple un élément gonflable ou bien il est réalisé en cire ou en tout autre matériau pouvant être extrait du réservoir après qu’il a été réalisé. Selon un autre objet, l’invention concerne une installation de mise en œuvre du procédé de réalisation d’un réservoir de stockage tel que décrit ci-dessus, comprenant : a) au moins un support pour supporter un support rigide de révolution comportant une partie centrale et deux parties d’extrémité opposées arrondies et au moins une ouverture ménagée dans l’une desdites deux parties d’extrémité opposées ; b) une tête d’application comportant d’une part une bobine de stockage d’un ruban composite comprenant un matériau polymère thermoplastique et un matériau fibreux noyé dans ledit matériau polymère, et d’autre part un dispositif de production d’énergie thermique ; c) un robot de commande adapté à recevoir ladite tête de manière à pouvoir enrouler ledit ruban autour dudit support rigide tandis que ledit dispositif de production d’énergie thermique provoque la fusion du matériau polymère dudit ruban, de façon à réaliser des spires jointives et des spires superposées pour former une couche composite autour dudit support rigide. Ladite installation comprend en outre un dispositif de coupe dudit ruban composite installé sur ladite tête d’application pour pouvoir couper ledit ruban et appliquer localement une pluralité de portions discontinues dudit ruban sur au moins l’une desdites parties arrondies. Ainsi, une caractéristique de l’invention réside dans la mise en œuvre d’un dispositif de coupe du ruban composite permettant de couper le ruban, puis de commander la tête d’application et le support de manière à appliquer successivement des portions de ruban contiguës sur la partie arrondie. Aussi, ladite tête d’application comprend en outre un organe de maintien dudit ruban coupé. D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue schématique partielle axiale d’une installation permettant la mise en œuvre du procédé selon invention ; et, est une vue schématique de côté d’un réservoir de stockage en cours de réalisation selon le procédé conforme à l’invention. La figure montre en coupe radiale, un support rigide de révolution 10 et une tête d’application 12 s’étendant transversalement par rapport au support rigide 10, et portée par un robot non représenté. Le support rigide 10 est ici une enveloppe étanche réalisée dans un matériau polymère. On observera que l’enveloppe étanche rigide 10 est munie de deux embouts 15 installés respectivement dans ses deux extrémités opposées. Et ces deux embouts sont maintenus en prise dans deux mandrins opposés coaxiaux, non représentés. La tête d’application 12 comprend à l’une de ses extrémités, un galet d’appui 14, tandis qu’à l’opposé, elle comprend une bobine de réception 16. Le galet d’appui 14 est ici porté en appui contre l’enveloppe étanche rigide de révolution 10 et son axe de rotation est sensiblement incliné par rapport à l’axe de rotation A de l’enveloppe 10 comme on l’expliquera ci-après. Sur la bobine de réception 16, est enroulé un ruban composite thermoplastique 18 renforcé de fibres de verre longitudinales. Le ruban composite thermoplastique 18 présente une matrice polymère, par exemple en polyamide. D’autres polymères thermoplastiques peuvent être avantageusement mis en œuvre, par exemple le Polyétheréthercétone (PEEK) ou bien encore le Polyéthercétonecétone (PEKK). La bobine de réception 16 présente un axe de rotation parallèle à l’axe du galet d’appui 14, et le ruban composite thermoplastique 18 s’étend de la bobine de réception 16, jusqu’au galet d’appui 14 par l’intermédiaire d’un galet de renvoi 20. Ainsi, le ruban composite thermoplastique 18 est ici pressé à plat contre la surface externe 22 de l’enveloppe 10 par l’intermédiaire du galet d’appui 14. Aussi, l’enveloppe 10 est adaptée à être entraînée en rotation, autour de son axe longitudinal, selon le sens horaire R tel que représenté sur la figure . Partant, le ruban composite thermoplastique 18 peut venir s’enrouler sur la surface externe 22, tandis que la bobine de réception 16 se dévide dans le sens anti-horaire AR. Par ailleurs, la tête d’application 12 comporte un dispositif laser 24 permettant de focaliser un rayon laser guidé par une fibre optique 26, dans l’angle formé par le ruban composite thermoplastique 18 et la surface externe 22 de l’enveloppe 10, en amont du galet d’appui 14. Le dispositif laser 24 permet alors de fournir de l’énergie thermique au ruban thermoplastique 18 de manière à ce que la matrice polymère thermoplastique puisse être portée en fusion, comme on va l’expliquer ci-après. Par ailleurs, on observera que le dispositif laser 24 permet également de fournir de l’énergie thermique aux couches de ruban composite 18 précédemment enroulées. De plus, la tête d’application 12 est équipée d’un dispositif de coupe, non représenté, et situé en amont du galet d’appui 14. En outre, elle comprend un organe de maintien dudit ruban coupé situé au voisinage du galet d’appui 14. Aussi, comme on l’expliquera ci-après, on forme une couche composite autour de l’enveloppe étanche 10 en entraînant en mouvement la tête d’application 12 et l’enveloppe étanche 10 l’une par rapport à l’autre en formant des spires jointives et des spires superposées. Ces spires constituent un enroulement primaire. Le support de révolution 10 peut également être un support fusible et le procédé selon invention permet alors de réaliser des réservoirs de stockage de fluide sous pression dépourvus de « liner ». On expliquera dans la suite de la description la mise en œuvre d’une telle possibilité. On se reportera sur la figure , laquelle illustre vu de côté, l'enveloppe étanche rigide 10 présentant deux extrémités opposées arrondies 30, 32. Aussi, l'enveloppe étanche rigide 10 présente une partie centrale 34 de symétrie cylindrique, tandis que les deux extrémités opposées arrondies 30, 32 sont de symétrie sphérique. Les deux extrémités arrondies 30, 32 présentent chacune une ouverture axiale équipée d'embout 36, 38. Sur la figure , les deux mandrins permettant d'entraîner séquentiellement l'enveloppe étanche rigide 10 en rotation autour de l'axe A et la tête d'application, n'apparaissent pas à des fins de simplification. Néanmoins, c'est grâce à eux, que l'on vient enrouler hélicoïdalement le ruban composite 18 autour de l’enveloppe 10 en constituant un enroulement primaire comme on l'expliquera ci-après. Avant de réaliser cet enroulement primaire, au moyen de la tête d'application représentée sur la figure on applique au préalable localement, des portions discontinues 40 de ruban 18 dans les deux extrémités opposées arrondies 30, 32. Pour ce faire, la tête d'application vient presser par l'intermédiaire de son galet d'appui 14 une extrémité de ruban dans une bordure 42 de la partie centrale 34, selon une direction sensiblement inclinée par rapport à l'axe de symétrie A de l'enveloppe étanche 10, tandis que l’organe laser 24 provoque la fusion du matériau polymère. Puis la tête d’application 12 vient appliquer le ruban à plat sur la surface de l'extrémité arrondie 32 jusqu'à la bordure diamétralement opposée située en arrière de la figure. Le dispositif de coupe permet alors de couper le ruban, et la tête d'application 12 peut alors revenir dans sa position initiale pour appliquer une nouvelle portion de ruban 40. Une telle possibilité est offerte car le ruban composite comprend un matériau thermoplastique qui peut être rendu visqueux lorsqu’on le souhaite en commandant le dispositif laser 24. Les portions de ruban 40 peuvent être appliquées parallèlement les uns aux autres, et de manière jointive en évitant l’embout 38, comme illustré sur la figure [Fig. 2]. Selon un autre mode de mise en œuvre, les portions de ruban peuvent être décalées angulairement à chaque application autour de l’embout 38. Aussi, selon encore un autre mode de mise en œuvre, les portions de ruban sont appliquées radicalement sur la surface de l’extrémité arrondie 32. En outre, quels que soient les modes de mise en œuvre, une pluralité de portions de ruban 40 peut être ajustée, en superposant les portions 40 de manière à recouvrir la totalité de la surface de l’extrémité arrondie 32. De plus, de manière avantageuse, toutes les portions de ruban 40 présentent au moins une extrémité libre qui vient dans la bordure 42 de la partie centrale 34, de manière à pouvoir être reprise ensuite notamment par les enroulements circonférentiels comme on l’expliquera ci-après. L’autre extrémité arrondie 30 peut être recouverte de la même manière par des portions de ruban 40 selon la même configuration. Ensuite, selon un mode de réalisation, on enroule tout d'abord le ruban composite 18 autour de l'enveloppe étanche rigide 10 suivant des plans moyens dits : « plans axiaux » de manière à former des spires qui se croisent au niveau des extrémités arrondies 30, 32 et qui viennent recouvrir les portions de ruban 40. Ces plans moyens axiaux sont inclinés faiblement par rapport à l’axe de rotation A autour duquel est entraîné l’enveloppe étanche rigide 10. Ils sont par exemple inclinés d'un angle inférieur à 30°. Par ailleurs, selon une variante, on alterne l’application de portion de ruban 40 et l’enroulement du ruban composite 18 suivant des plans moyens axiaux, de manière à assurer une meilleure liaison entre les portions de ruban 40 et le ruban des spires axiales. Puis, après avoir enroulé hélicoïdalement le ruban composite 18 selon des plans « axiaux », on vient enrouler circonférentiellement le ruban composite 18 selon des spires jointives sur la partie cylindrique 34 de l'enveloppe étanche rigide 10 de manière à parfaire l’enroulement primaire et former une couche composite homogène autour de lui. Selon ce mode de réalisation, on obtient une paroi de réservoir bien plus épaisse dans les extrémités arrondies 30, 32. Cela répond à certaines exigences en termes de résistance mécanique. Toutefois, selon un autre mode de réalisation, on s’affranchit des enroulements « axiaux », et on procède directement à l’enroulement circonférentiel du ruban composite 18 selon des spires jointives sur la partie cylindrique 34 en venant prendre appui sur les extrémités de portion de ruban 40 appliquées dans les bordures 42 de la partie centrale 34. Selon un autre mode de mise en œuvre, on substitue à l’enveloppe étanche rigide 10, un support rigide fusible, par exemple en cire, présentant une forme identique. De la sorte, on réalise de la même façon, selon le procédé conforme invention, un réservoir composite. En revanche, lorsqu’il est terminé, le support en cire est éliminé par chauffage et l’intérieur du réservoir est ainsi libéré. On s’affranchit alors du « liner ». Une telle possibilité est offerte en utilisant des polymères thermoplastiques eux-mêmes étanches. Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage de fluide sous pression, comprenant les étapes suivantes : a) on fournit un support rigide de révolution (10) comportant une partie centrale (34) et deux parties d’extrémité opposées arrondies (30, 32) ; b) on fournit un ruban composite (18) comprenant un matériau polymère thermoplastique et un matériau fibreux noyé dans ledit matériau polymère ; c) on provoque la fusion du matériau polymère dudit ruban (18) et on enroule ledit ruban autour dudit support rigide (10) en réalisant des spires jointives et des spires superposées de manière à former une couche composite autour dudit support rigide (10) ; caractérisé en ce qu’on applique en outre localement une pluralité de portions discontinues (40) dudit ruban sur au moins l’une desdites deux parties d’extrémité opposées arrondies (30, 32). Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions discontinues (40) de ladite pluralité de portions présentent des extrémités de ruban s’étendant dans ladite partie centrale dudit support (34). Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’on enroule ledit ruban (18) autour dudit support (10) en recouvrant lesdites extrémités de ruban desdites portions discontinues (40). Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’on applique localement ladite pluralité de portions discontinues (40) dudit ruban suivant une pluralité de plans moyens respectivement compris entre des plans axiaux et des plans inclinés par rapport auxdits plans axiaux. Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits plans moyens sont compris entre des plans inclinés d’un angle de 45° par rapport auxdits plans axiaux. Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’on applique localement une pluralité de portions discontinues (40) dudit ruban sur lesdites deux parties d’extrémité opposées arrondies (30, 32). Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit support rigide (10) est une enveloppe étanche. Procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit support rigide (10) est fusible. Installation de mise en œuvre du procédé de réalisation d’un réservoir de stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant : a) au moins un support pour supporter un support rigide de révolution (10) comportant une partie centrale (34) et deux parties d’extrémité opposées arrondies (30, 32) et au moins une ouverture ménagée dans l’une desdites deux parties d’extrémité opposées ; b) une tête d’application (12) comportant d’une part une bobine de stockage (16) d’un ruban composite (18) comprenant un matériau polymère thermoplastique et un matériau fibreux noyé dans ledit matériau polymère, et d’autre part un dispositif de production d’énergie thermique (24) ; c) un robot de commande adapté à recevoir ladite tête (12) de manière à pouvoir enrouler ledit ruban (18) autour dudit support rigide (10), tandis que ledit dispositif de production d’énergie thermique (24) provoque la fusion du matériau polymère dudit ruban (18), de façon à réaliser des spires jointives et des spires superposées pour former une couche composite autour dudit support rigide (10) ; caractérisé en ce qu’elle comprend en outre un dispositif de coupe dudit ruban composite (18) installé sur ladite tête d’application (12) pour pouvoir couper ledit ruban et appliquer localement une pluralité de portions discontinues (40) dudit ruban sur au moins l’une desdites parties arrondies (30, 32). Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite tête d’application (12) comprend en outre un organe de maintien dudit ruban coupé.