Titre : Dispositif de dévidement d’une bobine de fibres de carbone

[0001] Le présent document concerne un dispositif de dévidement d’une ou de plusieurs bobines en vue de réaliser notamment un enroulement d’au moins une mèche d’une bobine autour d’un objet tel qu’un mandrin creux destiné à former un réservoir pouvant par exemple recevoir du fluide sous pression, tel que notamment de l’hydrogène gazeux. Le présent document concerne également une installation d’enroulement filamentaire.

Technique antérieure

[0002] L’enroulement filamentaire est un procédé de mise en oeuvre par moulage de matériaux composites sous forme de pièces possédant un axe de révolution (cylindre, cône, etc.). Ce procédé est adapté aux productions massives et est utilisé principalement pour fabriquer des pièces soumises à de fortes contraintes mécaniques (réservoirs, tuyaux, etc.).

[0003] La figure 1 représente une installation 10 d’enroulement filamentaire, selon la technique connue, comprenant un mandrin 12 monté en rotation sur un bâti 14 et autour d’un axe longitudinal A sensiblement horizontal. L’installation 10 comprend un dévidoir 16 mobile en translation le long de l’axe longitudinal A et portant une pluralité de bobines 18 s’étendant sensiblement perpendiculairement à un panneau du dévidoir et sensiblement horizontalement. Chaque bobine 18 comprend une mèche 20, lesquelles sont rassemblées de manière jointive les unes à côté des autres au niveau d’une tête 22 de dépose de manière à former une nappe. La tête 22 de dépose est solidaire du dévidoir 16 par l’intermédiaire d’un chariot mobile 24 en translation le long de l’axe longitudinal A.

[0004] Dans certaines configurations (non représentées), la tête de dépose peut également se déplacer dans une direction transverse à l’axe du mandrin, tourner autour dudit axe transverse, pivoter autour de l’axe longitudinal, voire se déplacer sur l’axe vertical. [0005] En préalable à la mise en route de l’installation d’enroulement filamentaire, la nappe est attachée au mandrin. Des tensionneurs du dévidoir sont activés pour mettre les fibres sous tension, limiter l’embuvage et compacter au mieux les couches successives déposées. Une couche est définie par un enroulement permettant de déposer la nappe sur l’ensemble de la surface du mandrin que l’on souhaite recouvrir. Il est possible de créer une couche de type hélicoïdal avec la nappe qui est déposée en constituant des hélices afin de recouvrir l’ensemble de la surface du cylindre et les zones souhaitées dans les fonds hémisphériques. Il est possible de faire une couche de type circonférentielle où la nappe est déposée quasi transversalement à l’axe du mandrin sur la totalité ou sur une partie de la zone cylindrique du mandrin. [0006] La structuration par enroulement filamentaire permet d’empiler une succession de couches hélicoïdales et ou circonférentielles afin d’atteindre les performances mécaniques désirées de l’objet. En général, la machine est pilotée par une commande numérique. Cette commande numérique est souvent programmée par un opérateur utilisant des logiciels dédiés à l’enroulement filamentaire.

[0007] On connaît des machines de dépose contact qui permettent la dépose de rubans de faible longueur sans risque de vrillage. Cependant, ces machines ne permettent pas une dépose et un maintien de fibre longue continue sous tension ou contrainte mécanique axiale dans le sens de la fibre qui soit imposée et régulée. [0008] Les procédés connus de ce type sont l’ATL pour Automated Tape Layer et l’AFP pour Automated Fiber Placement.

[0009] Le procédé ATL utilise des rubans de grande largeur (généralement de 100 à 300 mm). Cette technique permet la dépose sur des surfaces à faible rayon de courbure et de grande dimension de type voilure d’avion civil. Le procédé AFP réalise une juxtaposition de ruban de moins de 10 mm de largeur et un assemblage en sortie de tête allant jusqu’à 32 rubans.

[0010] Les principales applications sont la réalisation de pièces planes ou à grand rayon de courbure. L’idée principale est de remplacer la main de l’homme pour la dépose de plis successifs avec des orientations de fibre définies. [0011] Tous les systèmes actuels utilisent des rubans préimprégnés calibrés (fibre/résine) avec un film de séparation entre les couches sur la bobine de stockage. Ces rubans calibrés sont issus de nappes préimprégnées unidirectionnelles redécoupées avec le risque de découpe partielle du renfort sur les bords. Les coûts matière sont ici importants et il est nécessaire d’avoir un système d’enroulement du film de séparation lors des opérations de drapage.

[0012] Il n’est pas possible d’appliquer une tension continue (ou contrainte) en traction (dans le sens de la fibre) sur les mèches puisque le ou les mèches constituant la nappe sont coupées à chaque extrémité de la pièce réalisée.

[0013] A ce jour les développements successifs dans le domaine de la mise en oeuvre des matériaux composites sont poussés par les besoins importants exprimés dans les secteurs de l’automobile et de l’aéronautique. Le développement des technologies de stockage de l’hydrogène (par exemple à 700 bar de pression de service) avec l’augmentation de la capacité gravimétrique (c’est-à-dire le rapport entre la quantité d’hydrogène stockée et la masse du conteneur), pousse aux limites d’utilisation les matériaux composites. [0014] Les procédés classiques d’enroulement filamentaire, (machines dédiées), et ceux plus robotisé (machines versatiles) n’ont jamais pris en compte la totalité de l’impact du procédé dans la perte de performance. Dans la plupart des cas le support des bobines se trouve éloigné de la tête de dépose et les mèches passent par un nombre important de renvois et de galets avant d’arriver à la tête de dépose. Chaque changement de direction et ou de rotation entraîne par frottement avec les parois du galet, la possibilité de vrillage ou de pliage de la mèche sur elle-même. Cette vrille (twist en anglais) est une source importante de perte de performance du matériau du fait de la détérioration et ou de la rupture prématurée de certains filaments constitutifs d’une mèche. De plus la modification de la géométrie est propice lorsque l’on stratifie plusieurs couches à l’apparition de porosités ou de surplus locaux de matrice et ou de fibre de renforcement.

[0015] Les machines de dépose contact sont les seules à apporter une réponse partielle à ce problème technique.. Le niveau de mise en tension est nul ou très faible (a contrario de la technique d’enroulement filamentaire) car l’application par contact ne permet pas la mise en précontrainte (sous tension) du matériau.

Résumé

[0016] Le présent document propose ainsi un dispositif de dévidement d’au moins une mèche d’une bobine comprenant : un bâti fixe ; un plateau portant au moins un porte-bobine s’étendant selon un axe sensiblement perpendiculaire au plateau et destiné à recevoir une bobine apte à tourner autour dudit axe du porte-bobine ; une tête de dépose de ladite au moins une mèche de ladite bobine, la tête de dépose étant portée par le plateau et s’étendant selon un axe parallèle à l’axe dudit porte- bobine et dans un sens opposé audit porte-bobine ; un orifice formé au travers du plateau et traversé par l’axe de la tête de dépose de manière à permettre le passage de ladite au moins une mèche d’une bobine vers la tête de dépose ; et dans lequel le plateau est rotatif autour de l’axe de la tête de dépose sur le bâti. [0017] Selon la présente configuration, la tête de dépose est rendue solidaire en rotation d’un plateau de support de la ou des bobines. La mèche de chaque bobine est ainsi figée dans le repère du plateau et de la tête de dépose de sorte que les risques de vrilles de la mèche depuis sa sortie de la bobine jusqu’ à la tête de dépose sont fortement limités. [0018] La rotation simultanée du plateau de support de la ou des bobines et de la tête de dépose fige le positionnement de la nappe, c’est-à-dire de l’ensemble des mèches en sortie de la tête de dépose, par exemple au niveau de galets de libération, quelle que soit la position angulaire de la tête de dépose. Il est possible d’appliquer une précontrainte axiale dans le sens des fibres, c’est-à-dire une tension axiale, qui peut être de plusieurs Newton. Cela conduit donc à limiter drastiquement l’apparition de vrilles, de frottement avec les parois du galet, de vrillage ou de pliage de la mèche ou de chacune des mèches sur elle- même.

[0019] Il est ainsi possible de conserver l’utilisation d’une bobine commerciale standard sans film séparateur entre les couches qui est moins onéreuse qu’une nappe calibrée.

[0020] Par ailleurs, cette combinaison permet de réaliser un bon centrage de chaque mèche en direction de la tête de dépose et réduit les vrilles du fait de l'agencement de la bobine, de la présence d'un galet (couplé à cette bobine orientée de cette manière) et de la rotation du support. [0021] De préférence, la tête de dépose comprend un système de guidage pour la dépose sans contact, par exemple par enroulement filamentaire, d’une ou plusieurs mèches sur un objet, ledit système de guidage comprenant par exemple un oeillet ou un ensemble de galets et/ou rouleaux.

[0022] Selon une autre caractéristique, chaque porte-bobine coopère avec une tige de renvoi et un galet de renvoi, la tige de renvoi s’étendant selon un axe sensiblement perpendiculaire au plateau et étant positionnée de manière à ce qu’un plan tangent à la tige intercepte une piste dudit galet de renvoi lequel présente un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du porte-bobine.

[0023] De cette manière, la mèche qui sort de la tige de renvoi vient directement se loger sur une piste du galet de renvoi, la mèche étant ensuite renvoyée par ledit galet de renvoi au travers de l’orifice du plateau vers la tête de dépose.

Préférentiellement, ledit plan tangent est sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du galet de renvoi.

[0024] La tige de renvoi peut être positionnée de manière à ce qu’en fonctionnement une première partie de mèche s’étende entre la bobine montée sur ledit porte-bobine et la tige de renvoi et une seconde partie de mèche s’étende entre la tige de renvoi et le galet de renvoi, la première partie de mèche et la seconde partie de mèche formant un angle inférieur à 90°, de préférence inférieur à 45°. [0025] Cet agencement permet de garantir une bonne tension de la mèche de la bobine et permet de limiter encore davantage la formation de vrille.

[0026] Chaque tige de renvoi peut être montée en rotation autour de son axe sur le plateau.

[0027] Le ou les galets peuvent être agencés en vis-à-vis de l’orifice du plateau. Le ou les galets peuvent être portés par un seul et même support en saillie relativement au plateau et porté par celui-ci.

Le plateau porte N porte-bobines, N étant compris entre 1 et 4. Dans une configuration particulière, le plateau comprend 4 portes-bobines.

Les portes-bobines peuvent être agencés autour de l’orifice du plateau.

Chaque porte-bobine peut être monté en rotation sur le plateau et couplé à un système de mise en tension de la mèche de la bobine lorsque la bobine est monté serrée sur le porte- bobine.

[0028] Le présent document concerne encore une installation d’enroulement d’au moins une mèche d’une bobine, l’installation comprenant un dispositif tel que décrit ci-dessus et un robot de déplacement d’un objet destiné à être recouvert en tout ou partie par ladite au moins une mèche de la bobine.

[0029] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en oeuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

Brève description des dessins

[0030] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 , déjà décrite précédemment, est une vue schématique en perspective d’une installation d’enroulement filamentaire selon la technique antérieure ;

[Fig. 2] la figure 2 est une vue schématique en perspective d’une installation d’enroulement filamentaire selon le présent document ;

[Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique du plateau de support de bobines depuis une première face, une bobine étant montée sur le plateau ;

[Fig. 4] la figure 4 comprend une partie A nommée figure 4A et une partie B nommée figure 4B, représentant deux orientations d’un pied de support et d’entrainement en rotation du plateau ; [Fig. 5] la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 3, dépourvu de bobine montée sur le plateau.

Description des modes de réalisation

[0031] On se réfère maintenant à la figure 2 qui illustre une installation 26 d’enroulement filamentaire comprenant un robot 28 de déplacement d’un objet 30 destiné à être recouvert en tout ou partie par une ou plusieurs mèches M de bobines 38. L’objet en question est un support 30 creux qui peut être en métal et qui est destiné à former un réservoir, la dépose de mèche de filaments de carbone permettant d’augmenter sensiblement la résistance mécanique du réservoir à des hautes pressions. [0032] Le robot 28 comprend un rail 32 comportant deux bras 34 de support du mandrin 30 lequel est monté en rotation autour d’un axe B.

[0033] L’installation 26 comprend également un dispositif 36 de dévidement d’une ou de plusieurs mèches M provenant chacune d’une bobine 38.

[0034] Ce dispositif 36 coopère avec le robot 28 précité de manière à réaliser une dépose d’une nappe 39, c’est-à-dire d’une pluralité de mèches M agencées côte à côte. Le dispositif 36 comprend un bâti 40 comportant un pied 41 vertical logeant des moyens de commande et de pilotage du déplacement en rotation d’un plateau 42 et d’une tête 44 de dépose (figures 4A et 4B). Le plateau 42 et la tête 44 de dépose sont solidaires l’un de l’autre, la tête 44 de dépose étant agencé d’un côté du pied 41 et le plateau 42 de l’autre côté. La tête de dépose 42 s’étend suivant un axe F perpendiculaire au plateau 42 et depuis une première face de celui-ci.

[0035] Le pied 41 loge un moteur(non représenté) dont l’axe D de rotation sensiblement horizontal entraîne en rotation par l’intermédiaire d’une courroie 50 un arbre 52 creux . Cet arbre 52, monté rotatif sur le pied 41 via des systèmes de palier appropriés et comprend à une première extrémité une platine 54 externe de fixation à une platine du plateau 42. L’arbre 52 s’étend suivant le même axe F que celui de la tête de dépose 44. L’ arbre 52 peut aussi comprendre à une seconde extrémité une autre platine externe de fixation à une platine correspondante de la tête 44 de dépose. D’autres moyens de couplage en rotation de la tête de dépose à l’arbre 52 peuvent aussi être utilisés sans sortir de l’objet de la présente invention.

[0036] Le plateau 42 est formée par une plaque sensiblement plane comportant une première face orientée vers la tête 44 de dépose ou vers le pied 41 et une seconde face opposée orientée à l’opposé. [0037] Le plateau 42 porte une pluralité de portes-bobines 56. On en dénombre quatre sur la figure 5 mais il pourrait y en avoir plus ou moins. Chaque porte-bobine 56 s’étend depuis la seconde face selon un axe B sensiblement perpendiculaire au plateau 42 et est monté en rotation autour de son axe B sur le plateau 52. Chaque porte-bobine 56 est apte à recevoir une bobine 38 laquelle est montée serrée sur le porte-bobine 56. Chaque porte- bobine 56 est relié à un système de mise en tension de la mèche de la bobine 38. Ce système de mise en tension comprend un moteur 60 porté par le plateau et agencé sur la seconde face de celui-ci, une courroie de couplage en rotation de l’axe du moteur avec l’axe B du porte-bobine 56 par l’intermédiaire de poulies. Chaque système de mise en tension comprend également un galet tenseur destiné à mettre en tension la courroie.

[0038] On observe que le plateau 42 comprend un orifice central 67, les portes-bobines étant agencés autour dudit orifice. Cet orifice 67 présente un axe C qui correspond à l’axe de la tête 44 de dépose et permet la circulation des mèches des bobines 38 au travers du plateau 42, au travers de l’arbre 52 du pied 41 jusqu’à la tête 44 de dépose. [0039] Comme on peut le voir, chaque porte-bobine 56 est associé à une tige de renvoi 62 et à un galet de renvoi 64.

[0040] Chaque tige 62 de renvoi comprend un cylindre creux monté en rotation sur un bras 66 de support solidaire du plateau 42 (figures). La tige 62 de renvoi s’étend selon un axe C sensiblement perpendiculaire au plateau 42, c’est-à-dire parallèle aux axes B des portes- bobines 56. Chaque tige 62 de renvoi est associé à un galet et est positionnée de manière à ce qu’un plan tangent à la tige 62 intercepte une piste 64a dudit galet 64 de renvoi auquel est associé ladite tige (figure 5). Plus particulièrement, ledit plan tangent de chaque tige 62 de renvoi est sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du galet 64 de renvoi associé à la tige de renvoi. [0041] Chaque galet de renvoi présente un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du porte-bobine 56. Les galets 64 de renvoi sont tous portés par un seul et même support en saillie du plateau 42 depuis la seconde face et porté par celui-ci.

[0042] Comme cela est illustré sur la figure 3, chaque tige 62 de renvoi est positionnée de manière à ce qu’en fonctionnement une première partie M1 de mèche s’étende entre la bobine 38 montée sur ledit porte-bobine 56 et la tige 62 de renvoi et une seconde partie M2 de mèche s’étende entre la tige 62 de renvoi et le galet 64 de renvoi, la première partie M1 de mèche et la seconde partie M2 de mèche formant un angle a inférieur à 90°, de préférence inférieur à 45°.

[0043] On notera que la mèche effectue une rotation dans le plan du plateau 42 à son entrée dans le un galet de renvoi 64. De cette manière, les mèches des différentes bobines se retrouvent agencées côte à côte de manière à former une mèche destinée à être appliqué sur un mandrin au niveau de la tête de dépose.