Titre : Tête de dépose pour une installation d’enroulement filamentaire

Domaine technique

[0001] Le présent document concerne une tête de dépose pour une installation d’enroulement d’au moins une mèche d’une bobine dé fibrés. Ladite bobine peut comporter une à plusieurs fibres. Ces fibres sont assemblées pour former une mèche déposée 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. Il 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 17 s’étendant sensiblement perpendiculairement à un panneau du dévidoir et sensiblement horizontalement. Chaque bobine 17 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] Aucun de ces systèmes n’utilise dé fibrés préimprégnées standard, c’est-à-dire sans film de séparation entre les couches pour une mise en oeuvre par enroulement filamentaire. 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 ce sont pour un volume important concentré sur l’automatisation des procédés. Ces développements 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 entraine 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] Il existe de nombreux type de tête de dépose avec différentes géométries, en différents matériaux. En général, un industriel fait un compromis qui permet de mettre la plus grande quantité de matière à l’heure au détriment de la qualité du matériau déposé. La tête de dépose est un organe important de la réalisation du drapage du composite sur le mandrin. L’impact sur la performance globale de l’objet réalisé est fonction de la qualité de la dépose.

[0016] A ce titre, la tête telle que décrite précédemment en référence à la figure 1 comprend habituellement un galet de libération qui assure la réunion des différentes mèches chacune provenant d’une bobine. Ce galet est monobloc et pose le problème de la distance parcourue par chaque mèche. Lors de la dépose Chaque mèche, parcourt par rapport à l’axe théorique de bobinage (ligne immatérielle qui définit la trajectoire de bobinage la plus idéale en fonction de l’angle et de la géométrie de l’objet) une distance unique et spécifique. Dit autrement, chaque mèche parcourt une distance qui est différente des distances parcourues par les autres mèches des autres bobines.

[0017] Dans les installations d’enroulement filamentaire, la tête de dépose, telle que celle par exemple décrite en relation avec la figure 1 , doit assurer les fonctions suivantes :

L’indexation de la nappe c’est-à-dire la juxtaposition des différentes mèches,

Le guidage de la nappe constituée, L’orientation de la nappe en fonction de l’angle choisi,

La continuité de la mise en tension de la mèche en minimisant les frottements,

Le maintien de la géométrie de chaque mèche et donc de la nappe constituée.

Dans la plupart des réalisations, la tête est composée de galets rotatifs usinés, mono ou multi gorges, soit dans des matières plastiques (fluorés ou non) ou métalliques (acier, inox, alliage). Chaque galet monobloc reçoit plusieurs mèches.

[0018] Or, il a été constaté que la présence d’un galet monobloc pouvait conduire à la formation d’ondulation de la nappe sur le mandrin, ces ondulations créant des défauts importants dans le revêtement de fibres de carbone, ce qui peut réduire très fortement la résistance mécanique attendue/souhaitée de la pièce finale. On comprend que ces ondulations de la nappe ou des mèches sur la pièce bobinée sont un des signes d’une dépose sans tension ou bien ou avec une perte de tension au niveau de la nappe. Après compactage ces ondulations provoquent des défauts importants comme des plis de matière ou des zones hétérogènes ou le rapport fibre /matrice peut être fortement modifié.

[0019] Ce problème peut se poser à la fois lorsque l’on utilise des mèches dites sèches, c’est-à-dire qu’il est nécessaire d’imprégner au cours de dévidement, ou bien des mèches imprégnées d’une matrice partiellement polymérisée dites préimprégnées. Dans ce dernier cas, chaque mèche présente un certain niveau de pégosité (permettant la fixation des plis entre eux sur le mandrin) qui limite grandement, voie rend impossible les glissements des mèches. Il est constaté que les ondulations sont encore plus importantes avec un galet monobloc en sortie de la tête de dépose.

[0020] Par ailleurs, on notera que l’utilisation de galets de guidage de plusieurs mèches de différentes bobines ne permet pas de répondre à la problématique précitée de distance différente parcourue par chaque mèche, qui en combinaison avec un galet de sortie monobloc aggrave encore cette problématique.

[0021] Les machines de dépose contact sont les seules à apporter une réponse partielle à ce problème technique. Elles ne peuvent utiliser qu’une nappe calibrée (d’un prix plus élevé). 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

[0022] Le présent document concerne une tête de dépose d'une pluralité de mèches provenant chacune d'une bobine et présentant un axe longitudinal, la tête de dépose comprenant une pluralité de couples de galets de ligne pour le roulement des mèches des bobines, chaque couple de galets de ligne étant prévu pour n'être associé en fonctionnement qu'à une seule mèche donnée et chaque couple de galets de ligne comprenant un galet amont et un galet aval relativement au sens de dévidement des mèches, les galets de ligne étant indépendants en rotation les uns des autres.

[0023] Selon le présent document, le découplage en rotation de chaque galet permet de garantir un parfait déplacement de chaque mèche sans que celle-ci ne subissent les mouvements des autres mèches. Dit autrement, chaque mèche est ainsi déplacée indépendamment des autres mèches jusqu’à l’extrémité aval de la tête pour la dépose sur un mandrin.

[0024] Les galets peuvent présenter des axes de rotation sensiblement perpendiculaires à la direction des mèches.

[0025] Chaque couple de galets de ligne peut être associé à un galet de libération, lesdits galets de libération étant coaxiaux et rotatifs indépendamment les uns des autres. Ainsi, deux galets amont et aval sont associés à un galet de libération donné qui est différent des galets de libération associés aux autres couples de galets amont et aval.

[0026] Il est ainsi possible d’éviter la formation d’ondulations de la nappe sur le mandrin, permettant de garantir une efficacité optimale à la dépose de la nappe sur mandrin.

[0027] Les axes de rotation des galets peuvent être perpendiculaires à l’axe longitudinal.

[0028] Le galet amont et le galet aval d’un couple de galet de ligne peuvent être agencés en quinconce relativement aux galets amont et aval d’un autre couple de galet dans un plan perpendiculaire aux axes de rotation des galets et contenant l’axe longitudinal. Le galet amont et le galet aval d'un couple de galet de ligne peuvent être agencés en quinconce relativement aux galets amont et aval d'un autre couple de galet dans un plan parallèle aux axes de rotation des galets. Ce plan parallèle peut contenir l’axe longitudinal.

[0029] Ce double agencement en quinconce permet de réaliser un passage d’un maximum de mèche dans un encombrement réduit.

[0030] Les k galets amont des k couples de galets peuvent être agencés successivement suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et de manière à ce que les galets amont impairs soient portées par un premier pivot amont et les galets amont pairs soient portés par un deuxième pivot agencé en aval du premier pivot.

[0031] Les k galets aval des k couples de galets peuvent être agencés successivement suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale L et de manière à ce que les galets aval impairs soient portées par un troisième pivot amont et les galets aval pairs soient portés par un quatrième pivot agencé en aval du troisième pivot. Par ailleurs, le troisième pivot peut être agencé en aval du deuxième pivot.

[0032] Au moins deux galets amont de deux couples de galets peuvent être agencés coaxialement en rotation sur un même pivot amont.

[0033] Au moins deux galets aval de deux couples de galets peuvent être agencés coaxialement en rotation sur un même pivot.

[0034] Chaque galet peut comprendre une gorge annulaire de réception d’une mèche, cette gorge annulaire présentant une surface de fond concave. Le fond de la gorge annulaire peut présenter un rayon de courbure variable, notamment avec un rayon de courbure qui augmente depuis le centre de la gorge annulaire vers l’extérieur de la gorge annulaire.

[0035] L’axe du galet aval de chaque couple de galets peut être situé en dehors du plan contenant l’axe de rotation du galet amont et de l’axe de rotation du galet de libération.

[0036] L’axe longitudinal de la tête de dépose peut être positionné de manière à ce qu’il existe un plan tel que tous les axes de rotation des galets soient agencés d’un même côté dudit plan.

[0037] Une mèche d’une bobine peut être associée à chaque couple de galets, les fibres de renforcement, de préférence en fibre de carbone, de chaque mèche étant imprégnées d’une matrice durcissable pouvant être notamment réalisée dans un matériau un thermodurcissable ou un matériau thermoplastique.

[0038] Le présent document concerne également un dispositif de dépose d'une pluralité de mèches provenant chacune d'une bobine, comprenant une tête de dépose telle que décrite précédemment, ladite tête de dépose étant mobil en rotation autour de l'axe longitudinal.

[0039] Le présent document concerne aussi une installation d'enroulement d'au moins une mèche constituée par la/les fibres d’au moins une bobine, l'installation comprenant un dispositif tel que décrit ci-dessus ou une tête de dépose décrite précédemment 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.

Brève description des dessins

[0040] 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 tête de dépose selon le présent document ;

[Fig. 3] la figure 3 est une vue de dessus d’une tête de dépose selon le présent document ;

[Fig. 4] la figure 4 est une vue latérale d’une tête de dépose selon le présent document ;

[Fig. 5] la figure 5 est une vue schématique en coupe d’un galet destiné à être utilisé avec une tête de dépose selon le présent document ;

[Fig. 6] la figure 6 est une vue schématique de quatre galets aval d’une tête de dépose selon le présent document.

Description des modes de réalisation

[0041] On se réfère maintenant aux figures 2 à 4 qui illustrent une tête de dépose 8 d’axe longitudinal L s’étendant selon une première direction longitudinale D1 selon le présent document et qui comprend deux bras latéraux B1 , B2 espacés l’un de l’autre selon une deuxième direction D2 perpendiculaire à la direction longitudinale D1. Cette deuxième direction D2 est perpendiculaire à une troisième direction D3 également perpendiculaire à la première direction D1 . La tête de dépose pourrait comprendre un seul bras latéral B1 ou B2.

[0042] Des couples de galets amont 10k et aval 12k sont agencés entre les bras latéraux Bi, B2 et sont indépendants en rotation les uns des autres, c’est-à-dire deux à deux. Dans l’exemple représenté aux figures, la tête de dépose comprend quatre galets amont 10i , 102, I O3, 104, et quatre aval 12i, 122, 12s, 124. Les galets amont 10k et aval 12k comprennent chacun un axe de rotation s’étendant selon la seconde direction D2, les axes des galets sont donc perpendiculaires à la direction longitudinale D1 et à l’axe longitudinal L de la tête de dépose 8. Les galets amont 10k, et aval 12k sont dits des galets de ligne puisqu’ils réalisent un guidage suivant une ligne d’une mèche Mk., cette ligne est parallèle à l’axe longitudinal L. Il serait encore possible de les qualifier de galets de guidage d’une mèche. Dans l’exemple représenté aux figures, on note la présence de quatre mèches Mi, M2, M3, M4 chacune associée à un couple de galets amont 10k et aval 12k. On comprend que la présente divulgation couvre toutes les configurations où le nombre k de couple de galets [10k, 12k] est supérieure ou égale 2. On comprend bien évidement que l’invention est plus particulièrement intéressante lorsque le nombre de couples de galets est important et par exemple supérieure ou égale à quatre.

[0043] Comme on peut le voir sur la figure 3, chaque galet amont est associé à un galet aval de manière à former un couple de galets de ligne guidant une mèche donnée, les autres mèches étant guidées par des couples distincts de couples galets de ligne. [0044] On comprend que les termes « amont » et « aval » désigne des galets positionnés l’un par rapport à l’autre en amont ou en aval relativement au sens de dévidement ou de dépose des mèches Mi, M2, M3, M4, c’est-à-dire relativement au sens de dévidement de la mèche. Dans le cas d’espèce, le sens de dévidement de la mèche Mi, M2, M3, M4 est orienté de la gauche vers la droite suivant la première direction D1 .

[0045] Chaque couple de galets de ligne amont 10k et aval 12k est associé à un galet de libération 14k. Les galets de libération sont coaxiaux d’axe 15. Ils sont ici montés sur un même pivot 19. Dans l’exemple de la tête de dépose 8 représentée aux figures, il y quatre galets de libération 10i, 102, 103, 4. Chaque couple de galets amont et aval comprend une face d’appui de la mèche Mk qui est symétrique par rapport à un plan Pk contenant la première direction longitudinale D1 et la troisième direction longitudinale D3. Le galet de libération associé au couple de galets de ligne 10k, 12k comprend une surface d’appui de la mèche Mk qui est également symétrique par rapport au plan Pk. On comprend que les faces d’appuis précitées sont des faces annulaires et à section circulaire mais que les appuis ne sont pas annulaires.

[0046] Les faces d’appuis 17 des galets de ligne amont 10k et aval 12k sont formées au fond d’une gorge annulaire 19. Ces faces d’appuis 17 peuvent présenter en section une forme incurvée concave, bien que représenté comme étant sensiblement plane. Ces faces 17 de fond de la gorge annulaire 19 peuvent présenter un rayon de courbure variable, notamment avec un rayon de courbure qui augmente depuis le centre de la gorge annulaire vers l’extérieur de la gorge annulaire 19. Chaque galet de ligne amont 10k et aval 12k peut comprendre deux roulements 21 à billes afin d’assurer un mouvement de rotation parfaitement centré.

[0047] Dans l’agencement de la présente description, les k galets sont agencés successivement le long de la direction D2. Les galets 10k où k est impair sont portés par un même pivot 16 et les galets 10k où k est pair sont portés par un même autre pivot 18. Le pivot 16 est agencé en amont du pivot 18. Les galets 12k où k est impair sont portés par un même pivot 20 et les galets 12k où k est pair sont portés par un même autre pivot 22. Le pivot 20 est agencé en amont du pivot 22. Le pivot 18 est agencé en amont du pivot 20. Les pivots 16, 18, 20, 22, sont agencés en amont du pivot 19 des galets de libération 14k. Les pivots 16, 18, 20, 22 s’étendent selon la deuxième direction D2 et s’étendent donc perpendiculairement à l’axe longitudinal L. On observe que les pivots 16, 18, 20, 22 sont agencés en quinconce suivant un plan perpendiculaire aux axes I61, 162, 163, 164 des pivots 16, 18, 20, 22 et contenant l’axe longitudinal L (figure 4). De même, on observe un agencement en quinconce des galets de lignes pairs amont et aval avec les galets de lignes impairs amont et aval, dans un plan parallèle aux axes des galets de lignes ou axes de rotation des galets 10k, 12k.

[0048] Les k galets amont peuvent être agencés successivement suivant une direction D2 perpendiculaire à la direction longitudinale L et de manière à ce que les galets amont impairs soient portées par un premier pivot 16 amont et les galets amont pairs soient portés par un deuxième pivot 18 agencé en aval du premier pivot 16.

[0049] Les k galets aval peuvent être agencés successivement suivant une direction D2 perpendiculaire à la direction longitudinale L et de manière à ce que les galets aval impairs soient portées par un troisième pivot 20 amont et les galets aval pairs soient portés par un quatrième pivot 22 agencé en aval du troisième pivot 20. Par ailleurs, le troisième pivot 20 peut être agencé en aval du deuxième pivot 18.

[0050] Sur la figure 4, on observe que l’axe 20i, 22i du galet aval 12i, 122, 12s, 124 de chaque couple de galets en situé en dehors du plan contenant l’axe de rotation du galet amont associé 10i, I O2, 3, I O4 et de l’axe de rotation 15 du galet de libération 14k. Par ailleurs, on observe que la partie 24 d’une mèche Mk située entre un galet amont et un galet aval forme avec la partie 26 d’une mèche Mk située entre le galet aval et le galet de libération un angle sensiblement égal à 90°. Cet angle peut être compris entre 70 et 110°, de préférence entre 80 et 100°.

[0051] Sur la figure 3, on observe qu’une mèche Mk est guidée, dans le sens de dévidement, par un galet amont de ligne 10k, un galet aval de ligne 12k et un galet de libération 14k et suivant une ligne Pk. Dans le cas pratique, on observe la présence de 4 lignes, Pk, P2, P3, P ₄ .

[0052] Les galets de lignes amont comprennent une première série de galets amont 10k où k est impair et qui sont portés par un même pivot 16 et une seconde série de galets amont 10k où k est pair et qui sont portés par un même pivot 18. Les galets de lignes aval comprennent une première série de galets aval 12k où k est impair et qui sont portés par un même pivot 20 et une seconde série de galets aval 12k où k est pair et qui sont portés par un même pivot 22. Les pivots 16, 18, 20, 22 sont distincts deux à deux. Selon la direction longitudinal L et suivant le sens de dévidement, on observe que les pivots sont agencés d’amont en aval de manière à avoir le pivot 16 de la première série de galets amont 10k où k est impair, le pivot 18 de la seconde série de galets amont 10k où k est pair, le pivot 20 de la première série de galets aval 12k où k est impair, puis le pivot 22 de la seconde série de galets aval 12k où k est pair. Une mèche Mk coopère avec un galet amont d’une série de galets amont et un galet aval d’une série de galets aval. Plus particulièrement, une mèche Mk avec k impair coopère avec un galet amont de la première série de galets amont et un galet aval d’une première série de galets aval et une mèche Mk avec k pair coopère avec un galet amont de la seconde série de galets amont et un galet aval d’une seconde série de galets aval. L’agencement des galets est tel que les mèches Mk avec k pair et les mèches Mk avec k impair sont disposées en alternance suivant la seconde direction D2.