FR2949792A1

FR2949792A1 - Procede de fabrication d'un materiau fibreux pre-impregne de polymere thermoplastique et systeme de mise en oeuvre

Info

Publication number: FR2949792A1
Application number: FR0956530A
Authority: FR
Inventors: Patrice Gaillard; Alexander Korzhenko
Original assignee: Arkema France SA
Current assignee: Arkema France SA
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-03-11
Also published as: WO2011030052A2; FR2949791B1; FR2949793A1; WO2011030052A3; FR2949791A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux tel qu'un tissu, feutre, non tissé pouvant se présenter sous forme de bandes, nappes, tresses, mèches ou morceaux, à base de fibres de renfort et de polymère thermoplastique. L'invention concerne également un système de mise en oeuvre du procédé. Selon l'invention on utilise au moins deux séries de fibres différentes, une première série de fibres comprenant des fibres minérales et une seconde série de fibres comprenant des fibres de polymère thermoplastique ayant une température de fusion Tf, on dispose les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre puis on chauffe l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres thermoplastiques puis on laisse refroidir l'ensemble jusqu'à la température ambiante. L'invention s'applique à la fabrication de pièces 3D.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN MATERIAU FIBREUX PREIMPREGNE DE POLYMERE THERMOPLASTIQUE ET SYSTEME DE MISE EN OEUVRE.

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux, tel qu'un tissu, feutre, non tissé pouvant se présenter sous forme de bandes, nappes, tresses, mèches ou morceaux, à base de fibres de renfort et de polymère thermoplastique et un système de mise en oeuvre.

Les fibres pouvant entrer dans la composition du matériau sont plus spécialement des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres à base de polymères, des fibres végétales, utilisées seules ou en mélange. On s'intéresse dans la présente invention à des matériaux composites légers permettant la fabrication de pièces mécaniques ayant une structure à 3 dimensions et possédant des propriétés de bonne résistance mécanique, thermique et capables d'évacuer des charges électrostatiques, c'est-à-dire des propriétés compatibles avec la fabrication de pièces dans le domaine de la mécanique, de l'aéronautique et nautique. Etat de la technique Il est connu d'utiliser des tissus réfractaires pré-imprégnés d'une résine pour réaliser une matrice thermiquement isolante afin d'assurer la protection thermique de dispositifs mécaniques soumis à de fortes températures comme cela peut être le cas dans le domaine de l'aéronautique ou de l'automobile. On pourra se reporter au brevet européen n°0 398 787 qui décrit une couche de protection thermique comprenant un tissu réfractaire, destinée à protéger la virole d'une chambre de moteur statoréacteur. Outre la complexité de réalisation de cette couche de protection thermique, le tissu réfractaire noyé dans cette couche ne remplit que la fonction de bouclier thermique. On a également recours depuis quelques années à des fibres composites pour fabriquer, notamment, diverses pièces aéronautiques ou automobiles. Ces fibres composites qui se caractérisent par de bonnes résistances thermomécaniques et chimiques, sont constituées d'un renfort filamentaire formant armature, destinée à répartir les efforts de résistance à la traction, à la flexion ou à la compression, à conférer dans certains cas une protection chimique au matériau et à lui donner sa forme. Ref : 0277-ARK12 On peut par exemple se reporter à la demande de brevet FR 2 918 081 qui décrit un procédé d'imprégnation de fibres continues par une matrice polymérique composite renfermant un polymère thermoplastique. Les procédés de fabrication de pièces composites à partir de ces fibres enrobées comprennent diverses techniques telles que, par exemple, le moulage au contact, le moulage par projection, le drapage autoclavé ou le moulage basse pression. Une technique pour réaliser des pièces creuses est celle dite de l'enroulement filamentaire, qui consiste à imprégner des fibres sèches d'une résine puis à les enrouler sur un mandrin formé d'armatures et de forme adaptée à la pièce à fabriquer. La pièce obtenue par enroulement est ensuite durcie par chauffage. Une autre technique, destinée à réaliser des plaques ou des coques, consiste à imprégner des tissus de fibres puis à les presser dans un moule afin de consolider le composite stratifié obtenu.

Pour la fabrication de matériau polymérique à renfort fibreux, on utilise généralement une étape d'ensimage, qui consiste à déposer un film de polymère thermoplastique sur des fibres. Ainsi le procédé de fabrication de matériau pre-imprégné de la société Cyntex comprend, comme étape d'enduction des fibres, le passage en continu de fibres dans un bain fondu de polymère thermoplastique contenant un solvant organique tel que la benzophénone ; ce solvant permettant d'adapter la viscosité du mélange fondu et d'assurer une bonne enduction des fibres. Les fibres pré-imprégnées de polymères sont ensuite mises en forme (par exemple découpées en bandes puis disposées sous une presse, pour la réalisation des pièces de structure, puis chauffées à une température supérieure à la température de fusion du polymère pour assurer la cohésion du matériau et notamment l'adhérence du polymère sur les fibres.

Le problème technique Selon la nature chimique du polymère, les températures de chauffe peuvent monter à des températures supérieures à 250 °C, et même supérieure à 320°C, températures très supérieures à la température d'ébullition du solvant, entraînant un départ brusque du solvant, provoquant des défauts dans la pièce et donc un manque de reproductibilité du procédé ainsi que des risques d'explosion mettant en danger les opérateurs. Ref : 0277-ARK12 Un autre procédé connu d'ensimage de fibre est le passage en continue des fibres dans une dispersion aqueuse de poudre polymérique puis le séchage des fibres pour évaporer l'eau dans un four, suivi d'un traitement thermique destiné à la fusion du polymère. Ce traitement thermique peut être fait dans une filière de mise en forme, notamment pour faire des bandes de matériau pré-imprégné. Ces bandes sont ensuite utilisées pour la fabrication des pièces de structure, par disposition dans un moule, une presse, etc. Ce procédé nécessitant 2 zones de chauffage distinctes ou l'utilisation de 2 fours distincts est complexe et de mise en oeuvre délicate.

Comme autre état de la technique relatif à la fabrication d'un matériau fibreux, on peut se référer au document US 4 541884 de l'Imperial Chemical Industries ou encore au document EP 0406 067 déposé aux noms conjoints d'Atochem et de l'Etat français. Comme état de la technique relatif à la mise en place des fibres pour la formation de matériau fibreux et la constitution de structures à base de ce matériau fibreux on pourra se reporter aux brevets US 6 607 626 ; US 6 939 424 et US 7 235 149. Résumé de l'invention L'invention a pour objet un nouveau procédé de fabrication en ligne et en continu de matériau fibreux, permettant de remédier aux inconvénients ci-dessus. Le procédé proposé permet en outre d'obtenir un matériau fibreux homogène. Il ne peut pas y avoir d'irrégularités dans la structure ou de noeud susceptibles de fragiliser le matériau avec des risques de rupture comme c'est le cas avec les procédés de l'art antérieur. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, consistant à i) utiliser au moins deux séries de fibres différentes, une première série de fibres comprenant des fibres minérales et une seconde série de fibres comprenant des fibres polymère thermoplastique ayant une température de fusion Tf, ii) disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre puis iii) chauffer l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres thermoplastiques et à laisser refroidir l'ensemble jusqu'à la température ambiante. Ref : 0277-ARK12 Avantageusement, on réalise un préchauffage durant la mise en contact des deux séries de fibres, à une température inférieure à la température de fusion Tf, de préférence à une température inférieure ou égale à la température de transition vitreuse Tv des fibres polymère thermoplastique, de manière à monter les deux séries de fibres en température pour atténuer ou supprimer la différence de température provoquée par une inertie thermique distincte pour les deux séries de fibres. Cela permet ainsi, d'améliorer le contact et par conséquent l'imprégnation des fibres de la première série par la seconde série de fibres, lors de la fusion des fibres polymère.

Lorsque les deux séries de fibres sont chauffées à la température de fusion Tf, elles sont également mises en forme pour obtenir un matériau homogène de forme et de dimensions calibrées. La mise en place des deux séries de fibres et la mise en forme du matériau imprégné de fibres thermoplastiques fondues, sont réalisées par un système comprenant la mise en oeuvre d'opérations de calandrage. On réalise de préférence plusieurs opérations de calandrage successives pour affiner la mise en forme du matériau et obtenir un matériau homogène sans défaut c'est-à-dire sans granulosité et sans bulle d'air. Les fibres minérales peuvent être disposées côte à côte ou bien être tissées selon deux directions. Ces fibres peuvent être de même nature chimique ou bien être de nature différente, par exemple des fibres de carbone tissées avec des fibres de verre. Afin d'améliorer la tenue mécanique de la structure fabriquée à partir de l'agencement approprié de plusieurs matériaux (empilement de plusieurs bandes par exemple), on prévoit de disposer sur l'assemblage des deux séries de fibres, juste avant l'étape iii) des charges minérales sous forme de poudre, conductrices ou non, comme la silice, de la poudre de métal, du noir de carbone pulvérulent, des fibrilles de carbone, des nanotubes de carbone, mais aussi des nanotubes de carbure de silicium, de carbonitrure de bore, de nitrure de bore ou de silicium. De préférence, les charges utilisées sont conductrices de l'électricité et/ou de la chaleur comme les nanotubes de carbone, les fibrilles de carbone ou encore le noir de carbone. De préférence, on utilise des nanotubes de carbone. On rappelle que par 35 nanotubes de carbone NTC, on entend un ou plusieurs tubes creux à une ou Ref : 0277-ARK12 plusieurs parois de plan graphitique ou feuillets de graphène, coaxiaux, ou feuillet de graphène enroulé sur lui-même. Ce ou ces tubes, le plus souvent débouchant (c'est-à-dire ouverts à une extrémité) ressemblent à plusieurs tubes de grillages disposés coaxialement ; en coupe transversale les NTC se présentent sous forme d'anneaux concentriques. Le diamètre externe des NTC est de 2 à 50nm. On parle de nanotubes de carbone monofeuillet, (en anglais : Single-walled Carbon Nanotubes, SWNT) ou de nanotubes de carbone multifeuillets, (en anglais Multi-walled Carbon Nanotubes, MWNT). Le saupoudrage des charges peut être assuré à l'aide d'un support vibrant, afin d'assurer une répartition homogène sur les fibres. On dépose par exemple, la poudre de NTC directement sur le matériau fibreux, placé à plat sur un support vibrant, afin de permettre la répartition de la poudre sur les fibres. Avant la dispersion des charges sur les deux séries de fibres, ces charges peuvent être soumises à un traitement chimique afin de leur apporter des fonctions par exemple polaires en vue d'améliorer leur adhérence sur les fibres polymériques ou encore soumises à un traitement thermique, par exemple supérieur à 900°C et mieux à 1000°C afin d'éliminer des impuretés métalliques dues à leur procédé de synthèse. Avantageusement, les charges sont ni traitées chimiquement ni 20 thermiquement. Les fibres thermoplastiques peuvent être constituées d'un seul type de polymère ou de plusieurs polymères ; dans le cas de plusieurs polymères, la température de fusion Tf ci-dessus est celle du polymère de température de fusion la plus élevée. 25 Les polymères entrant dans la constitution des fibres de la seconde séries de fibres peuvent être choisis, sans limitation, parmi : - les polyéthylènimines (PEI), - les polyimides (PI), - les polyoléfines telles que le polyéthylène notamment haute densité, le 30 polypropylène et les copolymères d'éthylène et/ou de polypropylène ; - les polyuréthanes thermoplastiques (TPU) ; - les polyesters tels que les polyhydroxyalcanoates ; - les polytéréphtalates d'éthylène (PET) ou de butylène (PBT) ; - les polyphenylenes sulfide (PPS) ;

Ref : 0277-ARK12 - les polychlorures de vinyle ; - les polymères siliconés ou fluorosiliconés ; - les poly(alcool de vinyle) ; - les polyaryléther cétones (PAEK :PolyArylEtherKetone) telle que la polyétheréther cétone (PEEK) et la polyéthercétone cétone (PEKK) ; - les polyamides tels que polyamide tel que le polyamide 6 (PA-6), le polyamide 11 (PA-11), le polyamide 12 (PA-12), le polyamide 6.6 (PA-6.6), le polyamide 4.6 (PA-4.6), le polyamide 6.10 (PA-6.10), le polyamide 6.12 (PA-6.12), les polyamides aromatiques, en particulier les polyphtalamides et l'aramide, et les copolymères blocs, notamment polyamide/polyéther ; - les polymères fluorés comprenant au moins un monomère de formule (I) : CFX=CHX' (I) ou X et X' désignent indépendamment un atome d'hydrogène ou d'halogène (en particulier de fluor ou de chlore) ou un radical alkyle perhalogéné (en particulier perfluoré), et de préférence X=F et X'=H, tels que le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), de préférence sous forme a, les copolymères de fluorure de vinylidène avec par exemple l'hexafluoropropylène (HFP), les copolymères fluoroéthylène / propylène (FEP), les copolymères d'éthylène avec soit le fluoroéthylène/propylène (FEP), soit le tétrafluoroéthylène (TFE), soit le perfluorométhylvinyl éther (PMVE), soit le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), certains de ces polymères étant notamment commercialisés par la société ARKEMA sous la dénomination Kynar ; et - leur mélange.

Pour les polymères fluorés, on préfère utiliser un homopolymère du fluorure de vinylidène (VDF de formule CH2=CF2) ou copolymère du VDF comprenant en poids au moins 50% en masse de VDF et au moins un autre monomère copolymérisable avec le VDF. La teneur en VDF doit être supérieure à 80% en masse, voire mieux 90% en masse, pour assurer une bonne résistance mécanique à la pièce de structure, surtout lorsqu'elle est soumise à des contraintes thermiques. Le comonomère peut être un monomère fluoré choisi par exemple parmi le fluorure de vinyle; le trifluoroéthylène (VF3); le

Ref : 0277-ARK12 chlorotrifluoroéthylène (CTFE); le 1,2-difluoroéthylène; le tétrafluoroéthylène (TFE); l'éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l'hexafluoropropylène (HFP); les perfluoro(alkyl vinyl) éthers tels que le perfluoro(méthyl vinyl)éther (PMVE), le perfluoro(éthyl vinyl) éther (PEVE) et le perfluoro(propyl vinyl) éther (PPVE); le perfluoro(1,3-dioxole); le perfluoro(2,2-diméthyl-1,3-dioxole) (PDD). De préférence, le comonomère éventuel est choisi parmi le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), l'hexafluoropropylène (HFP), le trifluoroéthylène (VF3) et le tétrafluoroéthylène (TFE). Le comonomère peut aussi être une oléfine telle que l'éthylène ou le propylène. Le comonomère préféré est l'HFP.

Pour des pièces de structure devant résister à des températures élevées, outre les polymères fluorés, on utilise avantageusement selon l'invention les PAEK (PolyArylEtherKetone) tels que PEK, PEEK, PEKK, PEKEKK etc. Par rapport aux procédés de l'art antérieur, le procédé selon la présente invention, est parfaitement bien adapté à des polymères présentant des températures de fusion élevées, par exemple supérieurs à 130°C comme les polymères fluorés, les PAEK, les polyéthylènes haute densité, ou encore le PET ou PBT ou PBT. On peut aussi utiliser des fibres de Kevlar ou des fibres d'aramide.

Les fibres minérales auxquelles s'applique l'invention sont notamment les fibres de carbone, de verre, de bore, de silice, les fibres naturelles comme le lin, la soie notamment d'araignée, le chanvre, le sisal. Ces fibres peuvent être utilisées pures, traitées ou bien enduites d'une couche d'induction, en vue de faciliter l'adhérence/imprégnation des fibres de polymère thermoplastique de la deuxième série ou leur manipulation avant imprégnation par fusion de ce polymère. Des fibres organiques peuvent être mélangées aux fibres minérales pour former la première série de fibres qui est destinée à être imprégnée de polymère après la fonte des fibres de polymère thermoplastique de la seconde série. Dans ce cas on choisira bien sûr des fibres organiques c'est-à-dire des fibres de polymère dont la température de fusion est supérieure à la température de fusion Tf des fibres de la seconde série que l'on fond. Ainsi, il n'y a aucun risque de fusion pour les fibres organiques présentes dans la première série de fibres.

Ref : 0277-ARK12 Le matériau fibreux réalisé avec le procédé est obtenu avantageusement avec 50% de fibres minérales et 50% de fibres de polymère thermoplastique, de préférence avec 30% de fibres minérales et 70% de fibres de polymère thermoplastique.

L'invention concerne également l'utilisation de matériau fibreux tels que décrits pour la fabrication de pièces mécaniques en 3D, notamment les ailes d'avion, le fuselage d'un avion, la coque d'un bateau, les longerons ou spoilers d'une automobile, ou des disques de freins, ou encore le corps de vérin ou de volants de direction.

L'invention concerne également un système de mise en oeuvre du procédé, ce système comprenant un dispositif de mise en place des fibres de manière à disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre, et un dispositif de chauffage des deux séries de fibres. Selon l'invention, le chauffage des deux séries de fibres minérales et de polymère est réalisé par un chauffage laser ou une torche à plasma, à azote ou encore un four à infra rouge. Le système peut comporter un dispositif de calandrage. Il peut également être prévu que le chauffage soit réalisé par le dispositif de calandrage.

Le système de mise en oeuvre du procédé permet avantageusement de mettre en forme les deux séries de fibres, par exemple, sous forme de bande ou de nappe, ou ruban que l'on découpe selon la longueur voulue. De préférence, le système de mise en oeuvre du procédé, comprend une ligne de formation continue dudit matériau sous forme d'une bande calibrée et homogène en fibres minérales imprégnées de polymère thermoplastique. La ligne de formation continue comporte un dispositif de mise en place des deux séries de fibres muni d'un premier dispositif de calandrage. Le dispositif de mise en place comporte en outre un dispositif de préchauffage pour atténuer ou diminuer les différences de température provoquée par l'inertie de fibres de nature différente lors de la chauffe à la température de fusion. Le dispositif de mise en place peut également assurer la mise en forme du matériau. Cependant la ligne de formation continue comporte à cette fin, un dispositif de mise en forme mettant en oeuvre au moins une opération de Ref : 0277-ARK12 calandrage au moyen d'un deuxième dispositif de calandrage et, de préférence au moins deux opérations de calandrages successives pour obtenir un matériau fibreux imprégné calibré de façon désirée et homogène, c'est-à-dire sans défaut et sans bulle d'air. Pour cela, un troisième dispositif de calandrage peut être placé en sortie du deuxième dispositif de calandrage. Le dispositif de mise en forme comporte un dispositif de chauffage permettant de chauffer les deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf. Pour opérer la mise en forme en bande calibrée et continue, chaque dispositif de calandrage est notamment muni de deux cylindres dont l'un possède un anneau élément mâle, l'autre une gorge élément femelle à fond plat de largeur déterminée de sorte que les fibres sortant du dispositif de préchauffage, sont mises en forme dans la gorge par pression de l'élément mâle pendant leur passage sur le cylindre muni de l'élément femelle.

Bien entendu pour assurer la mise en forme et un bon fonctionnement de la ligne de formation, chaque dispositif de calandrage comprend un moteur d'entrainement synchrone des deux cylindres et un système de chauffage des cylindres. Pour obtenir la température de fusion des fibres polymère, le dispositif de 20 mise en forme comprend un dispositif de chauffage placé entre le premier et le deuxième dispositif de calandrage. Le dispositif de mise en place des fibres comporte également en entrée de ligne, un poste de déroulement continu des deux séries de fibres suivi du dispositif de préchauffage. 25 A cette fin, le poste de déroulement des fibres est avantageusement muni de bobines à axe de déroulement horizontal. Lorsque la température de fusion Tf est élevée de préférence lorsqu'elle est supérieure à 200°C, comme c'est le cas par exemple pour des fibres PAEK ou PEEK, il est prévu d'insérer dans la ligne de formation continue, en sortie du 30 dispositif de mise en forme, un dispositif de refroidissement. Pour permettre un conditionnement aisé de la bande de matériau fibreux obtenue, la ligne de formation continue comprend avantageusement un dispositif d'enroulement en sortie du dispositif de refroidissement. De préférence, le dispositif de chauffage et le dispositif de préchauffage 35 sont chacun constitué de deux demi-fours à ouverture horizontale à lampes à

Ref : 0277-ARK12 infra rouge et à température réglable. Au moins un des demi-fours comporte une gorge à fond plat, calibrée sur laquelle reposent les fibres côte à côte des deux séries de fibres. L'ensemble de tous les éléments à commande électrique ou électronique 5 est avantageusement piloté et synchronisé par un poste de commande de type ordinateur. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement 10 à la lecture de la description qui est faite ci-après et qui est donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et en regard des figures sur lesquelles : - la figure représente le schéma d'un premier système de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 représente le schéma d'un deuxième système de mise en 15 oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 3 représente le schéma en coupe transversale AA d'un support 50 recouvert de fibres selon le procédé, - la figure 4 représente le schéma en coupe transversale BB du support 50 après fonte des fibres polymère thermoplastique selon le procédé, 20 - la figure 5 représente le schéma d'un troisième système de mise en oeuvre du procédé. - la figure 6 représente le schéma d'un troisième système de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. - la figure 7 représente le schéma d'un demi-four avec la gorge de mise 25 en place des fibres. - La figure 8 représente le schéma des cylindres de calandrage avec les éléments complémentaires de calibrage et mise en forme du matériau en forme de bande. 30 Les systèmes représentés sur les figures 1, 2 et 5 permettent une mise en oeuvre du procédé de fabrication en ligne et en continu proposé selon l'invention pour la fabrication de matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique. Ref : 0277-ARK12 Chaque système comporte un dispositif 100 de mise en place des deux séries de fibres à savoir la première série de fibres 1 qui comporte des fibres minérales et la seconde série de fibres 2 qui comporte des fibres de polymère thermoplastique ayant leur température de fusion égale à Tf.

Ces dispositifs portent la même référence 100 sur les figures 1, 2 et 5 et assurent la même fonction à savoir disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre. Chaque système comporte également un dispositif de chauffage 110 et éventuellement un dispositif de calandrage 115 comme c'est le cas pour les systèmes des figures 1 et 5. Il peut être prévu que le dispositif de calandrage assure la fonction de chauffage de deux séries de fibres. Dans l'exemple du système représenté sur la figure 1, le dispositif 100, de mise en place des fibres comporte deux voies superposées. Les deux séries de fibres sont amenées par les deux voies superposées vers une même direction, ces deux voies se rapprochant jusqu'à ce que les deux séries de fibres s'intercalent pour former un plan homogène imposé par le calibre des fibres, les fibres ayant des dimensions constantes. Le plan homogène se présente sous la forme d'une bande acheminée de manière à passer devant le dispositif de chauffage 110. Ce dispositif de chauffage permet en quelques secondes d'atteindre la température de fusion désirée Tf de sorte que les fibres de polymère thermoplastique ayant une température de fusion inférieure ou égale à Tf, fondent. Le polymère fondu adhère aux fibres de la première série (comportant des fibres minérales). Après passage à température ambiante, la bande de matériau fibreux 10 ainsi réalisée peut être exploitée selon les besoins, par exemple, être découpée par un dispositif de découpe 200 pour entrer dans la fabrication de pièces mécaniques. Sur la figure 2 on a représenté un dispositif adapté à la mise en place des deux séries de fibres sur un support 50 servant de moule pour former la structure d'une pièce 3D en matériau fibreux. Dans cet exemple, le dispositif de mise en place des fibres est constitué de deux bras 102 et 103 disposés au-dessus d'un plan horizontal entraîné par un système mécanique non représenté de type tapis roulant 101. Plusieurs supports 50 sont disposés sur ce tapis les uns derrières les autres suivant le

Ref : 0277-ARK12 sans d'avancement. Le bras 102 permet de poser les fibres de la première série 1 sur un support 50 tandis que le bras 103 permet de poser les fibres de la deuxième série 2 sur un support 50 sur lequel les fibres de la première série ont été mises en place.

Bien entendu, les bras 102 et 103 sont motorisés de manière à pouvoir être déplacés au plus prés de la surface des supports 50 afin d'avoir une bonne précision dans la mise en place des fibres. Pour l'arrêt net des fibres en bordure des supports 50, le système peut comporter des bras de découpes.

Lorsque les supports 50 comportent les deux séries de fibres, ils sont acheminés dans la zone de chauffage. Chaque support 50 est placé face au dispositif de chauffage 110 pour permettre la fusion des fibres en polymère thermoplastique de la deuxième série. Le schéma de la figure 3 illustre un support 50 recouvert des deux séries de fibres 1 et 2, vu en coupe transversale. Le schéma de la figure 4 permet d'illustrer ce support 50 après fusion des fibres de la deuxième série. Seules les fibres de la première série 1 peuvent être vues sur la coupe. Dans l'exemple du système représenté sur la figure 5, le dispositif de mise en place100 comporte deux voies dont les issues sont en vis-à-vis. Les deux séries de fibres 1 et 2 sont amenées par les deux voies sur un même plan de manière à venir en contact et à s'intercaler dans une zone de vis-à-vis et former un plan homogène imposé par le calibre des fibres. Le plan formé par les deux séries de fibres en contact, passe pendant quelques secondes dans la zone de chauffage prévue pour obtenir la fusion des fibres polymères thermoplastiques. Dans cet exemple le dispositif de calandrage 115 peut assurer en plus la fonction de chauffage et se substituer au dispositif 110. En sortie du dispositif de calandrage, on obtient le matériau fibreux sous forme de bande 10 que l'on peut ensuite exploiter selon les besoins. Dans cet exemple les deux séries de fibres sont entraînées chacune par un dispositif de type tapis roulant 111 et 112. Il peut avantageusement être prévu des règles 113 et 114 de maintien de l'écartement de fibres sur chacun des tapis.

Ref : 0277-ARK12 Il est bien entendu que lorsque l'on parle de mettre en contact les fibres en les intercalant, cela ne se limite pas à placer une fibre d'une série entre deux fibres de l'autre série. En effet, les dispositifs de mise en place 100 permettent de placer deux fibres côte à côte d'une même série entre deux fibres de l'autre série. De préférence, un tel agencement sera utilisé de manière à avoir par exemple une fibre minérale pour deux fibres de polymère thermoplastique. Cela ne se limite pas non plus à placer les fibres des deux séries côte à côte. Il peut être prévu également, dans le cas où les fibres minérales constituent déjà un entrecroisement de type tissage à deux directions, de mettre les fibres de polymère thermoplastique en contact avec ce tissage, par exemple en les plaçant sur une face du tissage, cette face étant ensuite placée face au dispositif de chauffage. D'autres systèmes comme par exemple les systèmes mécaniques décrits dans les brevets US 6 607 626 ; US 6 939 424 et US 7 235 149 pourraient également convenir pour la mise en place des fibres. Un troisième système de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est illustré sur le schéma de la figure 6. Des détails de certains éléments sont illustrés sur les figures 7 et 8. Selon ce mode préféré de réalisation, le système comprend une ligne L 20 de formation continue du matériau sous forme d'une bande calibrée et homogène. Cette ligne de formation continue comporte : - Le dispositif de mise en place des fibres 100 équipé : - du dispositif de déroulement des fibres, 104 ; ce dispositif 104 comporte 25 des bobines de fibres 141 pour les fibres de la première série et des bobines 142 pour les fibres de la deuxième série. En pratique, il y a autant de bobines que de fibres et un dévidoir 143. - du dispositif de préchauffage 105 ; il comporte deux demi-fours à ouverture horizontale, des rampes à infrarouge. Sa longueur est de 1 m. La 30 température maximale pouvant être atteinte est de 600°C. La gorge de passage 13 a une section de 40x40mm environ. - du dispositif de calandrage 106 ; il comporte deux cylindres comme illustré sur la figure 8, de diamètre 100mm, largeur 100mm, une surface chromée polie Ra inférieure à 0,1 micron. La surface des cylindres 15 et 17 Ref : 0277-ARK12 possède des éléments 16 et 18, mâle et femelle de forme appropriée à l'emboîtement de l'un dans l'autre, par pression, de façon à calibrer la bande 10 en largeur à 6mm, lors de son passage sur les cylindres. Ce dispositif comporte un chauffage électrique fournissant une température maximale à environ 260°C, une cartouche chauffante avec collecteur tournant d'alimentation et régulation par une sonde thermocouple en surface, un palier auto-aligneur et écartement réglable de 0 à 2mm par vis-écrou, un entraînement synchrone des deux cylindres par chaîne ou courroie crantée, un motoréducteur avec servomoteur sans balais brushless permettant d'avoir une vitesse de ligne maximale de 30m/minute et une synchronisation électrique avec le train de tirage. - Le dispositif de mise en forme 150 équipé : - du dispositif de chauffage 110 identique au dispositif de préchauffage 105. La température de ce dispositif est réglée pour atteindre la température de fusion Tf des fibres polymères thermoplastiques. Le demi-four 11 comporte une gorge de passage 13 représenté sur la figure 7. - d'un deuxième dispositif de calandrage 115 ; - d'un troisième dispositif de calandrage 116 ; -- ces dispositifs de calandrage sont identiques au premier dispositif de calandrage 106. Les détails de la structure des cylindres sont illustrés sur le schéma de la figure 8. - Le dispositif de refroidissement 117. Il se présente sous la forme d'un bac de longueur 1 m en acier inoxydable dans lequel la bande est introduite et plongée dans de l'eau froide si nécessaire (la bande est représentée en pointillés dans la traversée du bac). Il comprend un sécheur à air comprimé et un groupe de réfrigération d'eau de 3KW environ. - Le dispositif 118 de régulation du bobinage et de maintien de la bande empêchant les vibrations et opérant des mouvements de haut en bas sur une hauteur correspondant à la largeur des bobines d'enroulement 300. - Le dispositif d'enroulement 300 ;ce dispositif comporte plusieurs bobines plates en forme de galettes 301, 302 etc., d'environ 600mm de diamètre. Les galettes se superposent sur un axe XX vertical au fur et à mesure du remplissage. Il est prévu de stoker 10 à 20 galettes avec un intercalaire entre-elles. Le passage d'une galette 301 à la suivante 302 se fait manuellement. La synchronisation avec tirage de la bande se fait par un patin de régulation, la tension est réglée par le contre poids du patin. Ref : 0277-ARK12 - Le train de tirage 350 qui permet d'entraîner la bande en continu. Il comporte des rouleaux en élastomère et permet d'exercer une pression fixe par vérin pneumatique. Il est synchronisé électriquement avec les dispositifs de calandrage.

La ligne de formation continue L est pilotée par un poste de commande 400, du type oprdinateur avec écran de visualisation. Ce poste 400 est relié, par réseau par exemple, aux différents dispositifs à commandes électriques de la ligne : moteurs électriques ; variateurs de vitesse et régulateurs de vitesse, de température ; moteur du train de tirage pour permettre les différentes synchronisations nécessaires au fonctionnement en continu de la ligne L. Ce poste de commande permet également d'enregistrer tous les paramètres pour la gestion des automatismes et de synchronisation. Dans le cas où les fibres minérales 1 utilisées ont une couche d'enduction (ou ensimage), la couche d'enduction pourra être retirée, si nécessaire c'est-à-dire en cas d'incompatibilité avec les fibres polymère thermoplastiques à fondre. La couche d'enduction sera retirée avant mise en contact des deux séries de fibres 1, 2. A cette fin, il peut être prévu que les fibres des deux séries arrivent par deux dévidoirs séparés de sorte que le désensimage soit opéré sur les fibres minérales avant mise en contact des deux séries de fibres ; ou que le désensimage des fibres minérales soit réalisé dans un four comme le four 105 avant la mise en contact des deux séries de fibres dans le four 105. En outre, pour obtenir une fusion et imprégnation améliorée, on pourra utiliser un dispositif de chauffage 110 de type laser au lieu d'un four à infra rouge comme décrit dans l'exemple précédent. Dans ce cas, le dispositif laser est agencé de sorte que le rayon laser arrive dans l'axe longitudinal des fibres (du ruban), c'est-à-dire l'axe de tirage. Ainsi le chauffage est direct et donc concentré sur les fibres.

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Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, consistant à i) utiliser au moins deux séries de fibres différentes, une première série de fibres comprenant des fibres minérales et une seconde série de fibres comprenant des fibres de polymère thermoplastique ayant une température de fusion Tf, ii) disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre puis iii) chauffer l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres thermoplastiques et à laisser refroidir l'ensemble jusqu'à la température ambiante; caractérisé en ce qu'il comporte une étape de préchauffage consistant à préchauffer à une température inférieure à la température de fusion Tf , les deux séries de fibres en contact l'une de l'autre.
2. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage à la température de fusion Tf est associé à une mise en forme de l'ensemble des deux séries de fibres.
3. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la mise en place des deux séries de fibres et la mise en forme du matériau imprégné des fibres thermoplastiques fondues sont réalisées par un système comprenant la mise en oeuvre d'opérations de calandrage.
4. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne (L) de formation continue dudit matériau sous forme d'une bande (20) calibrée et homogène en fibres minérales imprégnées de polymère thermoplastique, comprenant un dispositif (100) de mise en place des deux séries de fibres (1, 2) muni d'un premier (106) dispositif de calandrage et un dispositif (150) de mise en forme, muni d'un deuxième (115) dispositif de calandrage. Ref : 0277-ARK12
5. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif (100) de mise en place des deux séries de fibres comprend en outre un poste (104) de déroulement des fibres, muni de bobines (141, 142) à axe de déroulement horizontal et un dispositif (105) de préchauffage placé entre le poste (104) de déroulement des fibres et le premier dispositif (106) de calandrage, le dispositif (105) de préchauffage étant apte à recevoir les fibres du poste de déroulement.
6. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif (150) de mise en forme comprend en outre un dispositif (110) de chauffage dont la température peut être au moins égale à la température de fusion Tf des fibres thermoplastiques, placé entre le premier (106) et le deuxième (115) dispositif de calandrage.
7. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif (150) de mise en forme comprend un troisième (116) dispositif de calandrage.
8. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la ligne (L) de formation continue du matériau fibreux sous forme d'une bande, comprend également un dispositif (117) de refroidissement en sortie du dispositif (150) de mise en forme.
9. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la ligne (L) de formation continue du matériau fibreux sous forme d'une bande comprend un dispositif (300) d'enroulement de la bande en sortie du dispositif (117) de refroidissement. Ref : 0277-ARK12
10. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon la revendication 4 ou 7, caractérisé en ce que chaque dispositif (106, 115, 116) de calandrage est muni de deux cylindres (15,17) dont l'un possède un anneau (16) élément mâle, l'autre une gorge (18) élément femelle de forme appropriée à l'emboîtement de l'un dans l'autre par pression de façon à calibrer la bande en largeur lors de son passage sur les cylindres.
11. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon la revendication 4 ou la revendication 7, caractérisé en ce que chaque dispositif (106, 115, 116) de calandrage comprend un moteur d'entraînement synchrone (19) des deux cylindres et un système de chauffage des cylindres (14).
12. Système de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique, selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le dispositif (110) de chauffage et le dispositif (105) de préchauffage sont chacun constitué de deux demi-fours à ouverture horizontale à lampes à infra rouge à température réglable, au moins un des demi-fours comportant une gorge (13) à fond plat, calibrée et destinée à recevoir les fibres côte à côte des deux séries de fibres.
13. Système de fabrication la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un train de tirage (350) synchronisé avec les dispositifs de calandrage.
14. Système de fabrication la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un poste de pilotage et de commandes de synchronisation des dispositifs de la ligne de formation continue du matériau. Ref : 0277-ARK1230