FR3060412A1 - METHOD FOR IMPROVING LOCAL THERMAL TRANSFER IN AN AUTOCLAVE AND DEVICE IMPLEMENTING SAID METHOD - Google Patents
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Abstract
Procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave ou une étuve (100) comportant une enceinte (10) dans laquelle circule un gaz, et un moule (11) dans lequel est fabriquée une pièce structurale (12), ledit procédé comprenant une étape préliminaire (200) de mise en place de ladite pièce structurale dans ledit moule, et caractérisé en ce qu'il comprend une étape (201a) d'installation, au voisinage de la pièce structurale (12), d'un dispositif turbulateur (15) qui augmente localement la turbulence d'un écoulement de gaz le traversant, une étape (202a) de positionnement du moule (11) et de la pièce structurale (12) à un emplacement déterminé dans l'enceinte (10) de l'autoclave, et une étape (300) d'exécution du cycle de cuisson de l'autoclave (100) adapté à la pièce structurale (12).A method of improving the local heat transfer in an autoclave or oven (100) having an enclosure (10) in which a gas flows, and a mold (11) in which a structural part (12) is manufactured, said method comprising a preliminary step (200) of setting up said structural part in said mold, and characterized in that it comprises a step (201a) of installation, in the vicinity of the structural part (12), of a turbulator device ( 15) which locally increases the turbulence of a gas flow therethrough, a step (202a) for positioning the mold (11) and the structural part (12) at a predetermined location in the enclosure (10) of the autoclave, and a step (300) of execution of the cooking cycle of the autoclave (100) adapted to the structural part (12).
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE® FRENCH REPUBLIC
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 060 412 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)NATIONAL INSTITUTE OF INDUSTRIAL PROPERTY © Publication number: 3,060,412 (to be used only for reproduction orders)
©) N° d’enregistrement national : 16 62573©) National registration number: 16 62573
COURBEVOIE © Int Cl8 : B 01 J 3/04 (2017.01), B 29 C 70/44, B 01 F 3/02COURBEVOIE © Int Cl 8 : B 01 J 3/04 (2017.01), B 29 C 70/44, B 01 F 3/02
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1A1 PATENT APPLICATION
PROCEDE D'AMELIORATION DU TRANSFERT THERMIQUE LOCAL DANS UN AUTOCLAVE ET DISPOSITIF METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE.METHOD FOR IMPROVING LOCAL THERMAL TRANSFER IN AN AUTOCLAVE AND DEVICE IMPLEMENTING SUCH A METHOD.
FR 3 060 412 - A1 (bj) Procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave ou une étuve (100) comportant une enceinte (10) dans laquelle circule un gaz, et un moule (11) dans lequel est fabriquée une pièce structurale (12), ledit procédé comprenant une étape préliminaire (200) de mise en place de ladite pièce structurale dans ledit moule, et caractérisé en ce qu'il comprend une étape (201a) d'installation, au voisinage de la pièce structurale (12), d'un dispositif turbulateur (15) qui augmente localement la turbulence d'un écoulement de gaz le traversant, une étape (202a) de positionnement du moule (11 ) et de la pièce structurale (12) à un emplacement déterminé dans l'enceinte (10) de l'autoclave, et une étape (300) d'exécution du cycle de cuisson de l'autoclave (100) adapté à la pièce structurale (12).FR 3 060 412 - A1 (bj) Method for improving local heat transfer in an autoclave or an oven (100) comprising an enclosure (10) in which a gas circulates, and a mold (11) in which a part is manufactured structural (12), said method comprising a preliminary step (200) of placing said structural part in said mold, and characterized in that it comprises an installation step (201a), in the vicinity of the structural part ( 12), a turbulator device (15) which locally increases the turbulence of a flow of gas passing through it, a step (202a) of positioning the mold (11) and the structural part (12) at a determined location in the enclosure (10) of the autoclave, and a step (300) of executing the cooking cycle of the autoclave (100) adapted to the structural part (12).
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Procédé d’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave et dispositif mettant en œuvre un tel procédéMethod for improving the local heat transfer in an autoclave and device implementing such a method
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
La présente invention appartient au domaine de la fabrication de pièces en matériaux composites. L’invention concerne plus particulièrement une méthode pour l’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave ou une étuve, lors de la production de pièces structurales en matériaux composites.The present invention belongs to the field of manufacturing parts made of composite materials. The invention relates more particularly to a method for improving local heat transfer in an autoclave or an oven, during the production of structural parts made of composite materials.
ÉTAT DE L’ARTSTATE OF THE ART
Les procédés d’élaboration de pièces en matériaux composites, et plus spécialement les procédés de fabrication de pièces structurales en composites à matrice organique, sont connus dans l’industrie et permettent par leur diversité de s’adapter à différentes exigences selon leurs domaines d’application.The processes for developing parts in composite materials, and more particularly the processes for manufacturing structural parts in organic matrix composites, are known in the industry and allow their diversity to adapt to different requirements according to their fields of application.
En particulier, le procédé de moulage sous vide dans un autoclave est généralement utilisé pour la fabrication de pièces de hautes performances et est largement employé dans l’industrie aéronautique. Ce procédé consiste en une mise sous vide de la pièce à fabriquer sous une membrane étanche suivie d’une application d’un cycle de pression et de température. Ce procédé permet le contrôle des paramètres de fabrication des pièces structurales. La fabrication de pièces dans une étuve emploie les mêmes principes mais sans application de cycle de pression dans l’enceinte thermique de ladite étuve.In particular, the vacuum molding process in an autoclave is generally used for the manufacture of high performance parts and is widely used in the aeronautical industry. This process consists of vacuuming the part to be manufactured under a waterproof membrane followed by the application of a pressure and temperature cycle. This process allows the control of the manufacturing parameters of the structural parts. The manufacture of parts in an oven employs the same principles but without the application of a pressure cycle in the thermal enclosure of said oven.
En outre, le procédé autoclave assure une optimisation du taux de porosités, du contrôle des vitesses de chauffe et de refroidissement et de la température de fabrication.In addition, the autoclave process ensures optimization of the porosity rate, control of the heating and cooling rates and the manufacturing temperature.
Cependant, les cycles de fabrication dans le procédé autoclave peuvent présenter des durées conséquentes, occasionnant des coûts de production élevés et empêchant la généralisation d’un tel procédé aux pièces de grande série. D’autant plus que ces moyens de fabrication sont pilotés par une pression et une température globales uniques imposées en consigne. Un autre inconvénient connu de ce procédé est le gradient thermique à l’intérieur de l’autoclave, qui est d’autant plus important que les dimensions de l’autoclave sont grandes, réduisant ainsi le volume utile de cuisson des pièces à cause des hétérogénéités de température. De plus, les valeurs élevées de la température et de la pression dans l’autoclave n’autorisent que très difficilement les mesures de vitesses d’écoulements de fluide (dirigeant les échanges thermiques par convection dans l’enceinte de l’autoclave) et de l’homogénéité de la température de la pièce, et par là même de contrôler le déroulement de la fabrication.However, the manufacturing cycles in the autoclave process can have substantial durations, causing high production costs and preventing the generalization of such a process to mass production parts. Especially since these manufacturing means are controlled by a single global pressure and temperature imposed as a set point. Another known drawback of this process is the thermal gradient inside the autoclave, which is all the more important as the dimensions of the autoclave are large, thus reducing the useful volume of cooking of the pieces because of the heterogeneities. of temperature. In addition, the high values of temperature and pressure in the autoclave make it very difficult to measure fluid flow velocities (directing the heat exchanges by convection in the enclosure of the autoclave) and of the uniformity of the room temperature, and thereby to control the progress of manufacturing.
Des solutions connues permettent néanmoins de pallier les problématiques liées au temps et au taux de production dans le procédé autoclave en utilisant par exemple :Known solutions nevertheless make it possible to overcome the problems linked to the time and the rate of production in the autoclave process by using for example:
- un apport d’énergie thermique sous forme conductive, par un fluide caloporteur, ou radiative, par des panneaux rayonnants, à l’intérieur de l’autoclave ;- a supply of thermal energy in conductive form, by a heat transfer fluid, or radiative, by radiant panels, inside the autoclave;
- une augmentation de la convection forcée par une augmentation de la vitesse et ou de la pression, une optimisation du positionnement du moule dans le volume utile de cuisson, une réorientation des flux par le biais de rectifieurs en fonction des géométries de l’autoclave et des pièces structurales à fabriquer.an increase in forced convection by an increase in the speed and or in the pressure, an optimization of the positioning of the mold in the useful cooking volume, a reorientation of the flows through rectifiers according to the geometries of the autoclave and structural parts to be manufactured.
Le document canadien CA 2762790 A1, à titre d’exemple, décrit un procédé d’optimisation de l’utilisation du volume d’un autoclave par simulation numérique, permettant une détermination des positions adéquates du moule à l’intérieur de l’autoclave et une modification contrôlée des flux avec des rectifieurs pour améliorer la productivité de l’autoclave.The Canadian document CA 2762790 A1, by way of example, describes a method for optimizing the use of the volume of an autoclave by digital simulation, allowing a determination of the appropriate positions of the mold inside the autoclave and controlled modification of flows with grinders to improve the productivity of the autoclave.
Cette solution reste néanmoins complexe, demande un temps de prétraitement conséquent et varie en fonction de la pièce à fabriquer et de la configuration de l’autoclave. Cette solution permet en effet une optimisation de l’utilisation du moyen existant sans améliorer l’efficacité du moyen lui-même.This solution remains complex, however, requires a significant pre-treatment time and varies depending on the part to be manufactured and the configuration of the autoclave. This solution in fact allows an optimization of the use of the existing means without improving the efficiency of the means itself.
PRÉSENTATION DE L’INVENTIONPRESENTATION OF THE INVENTION
Partant de cet état de fait, le demandeur propose une solution palliant aux limitations de l’art antérieur et décrit un procédé d’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave comportant une enceinte, une conduite doubleenveloppe munie d’un ventilateur de circulation du gaz, et un moule dans lequel est fabriquée une pièce structurale, ledit procédé comprenant une étape préliminaire de mise en place de ladite pièce structurale dans ledit moule, ledit procédé comprenant :On the basis of this state of affairs, the applicant proposes a solution which overcomes the limitations of the prior art and describes a method for improving the local heat transfer in an autoclave comprising an enclosure, a double-walled pipe fitted with a gas circulation fan. , and a mold in which a structural part is made, said method comprising a preliminary step of placing said structural part in said mold, said method comprising:
- une étape d’installation, au voisinage de la pièce structurale, d’un dispositif turbulateur qui augmente localement la turbulence de tout écoulement de gaz le traversant ;- a step of installation, in the vicinity of the structural part, of a turbulator device which locally increases the turbulence of any gas flow passing through it;
- une étape de positionnement de la pièce structurale à un emplacement déterminé dans l’enceinte de l’autoclave ;- a step of positioning the structural part at a determined location in the autoclave enclosure;
- une étape de démarrage du cycle de cuisson de l’autoclave adapté à la pièce structurale.- a step of starting the autoclave cooking cycle adapted to the structural part.
L’augmentation de la turbulence dans l’écoulement du gaz de chauffage dans l’enceinte permet en effet de favoriser les échanges thermiques par convection forcée entre ladite enceinte et la pièce structurale à fabriquer lors de la cuisson.The increase in turbulence in the flow of heating gas in the enclosure in fact makes it possible to promote heat exchanges by forced convection between said enclosure and the structural part to be produced during cooking.
Ce procédé est remarquable en ce que l’étape d’installation du dispositif turbulateur au voisinage de la pièce structurale consiste à positionner ledit dispositif turbulateur autour de la pièce structurale de façon à couvrir entièrement ou partiellement la face de ladite pièce qui sera la plus exposée au transfert thermique lors de la cuisson dans l’autoclave.This method is remarkable in that the step of installing the turbulator device in the vicinity of the structural part consists in positioning said turbulator device around the structural part so as to completely or partially cover the face of said part which will be the most exposed. heat transfer during cooking in the autoclave.
Plus particulièrement, les dimensions du dispositif turbulateur sont choisies en fonction des géométries et des dimensions de la pièce structurale fabriquée dans l’autoclave ainsi que des matériaux des outillages utilisés, de façon à couvrir entièrement ou partiellement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection lors de la cuisson dans l’autoclave.More particularly, the dimensions of the turbulator device are chosen as a function of the geometries and dimensions of the structural part produced in the autoclave as well as the materials of the tools used, so as to completely or partially cover the face of said part most exposed to convective heat transfer during cooking in the autoclave.
Le procédé est donc adaptable à différentes géométries de pièces structurales et peut également être appliqué à plusieurs pièces dans le même cycle de fabrication.The method is therefore adaptable to different geometries of structural parts and can also be applied to several parts in the same manufacturing cycle.
Conformément à une caractéristique particulièrement avantageuse, l’étape de positionnement de la pièce structurale dans l’autoclave consiste à introduire le moule dans lequel se trouve la pièce couverte par le dispositif turbulateur dans ledit autoclave à un emplacement, préalablement déterminé par simulation numérique, qui garantit une efficacité maximale dudit dispositif turbulateur.In accordance with a particularly advantageous characteristic, the step of positioning the structural part in the autoclave consists in introducing the mold in which the part covered by the turbulator device is located in said autoclave in a location, previously determined by numerical simulation, which guarantees maximum efficiency of said turbulator device.
L’invention a également pour objet un dispositif turbulateur de génération de turbulences locales pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit, ledit dispositif turbulateur comportant une ou plusieurs caractéristiques parmi des parties mobiles ou non, des surfaces ondulées, des cavités, des excroissances et/ou toute autre formation favorisant l’apparition de turbulences locales au voisinage dudit dispositif turbulateur quand il est traversé par un écoulement de gaz.The invention also relates to a turbulator device for generating local turbulence for implementing the method as described, said turbulator device comprising one or more characteristics among movable or non-movable parts, corrugated surfaces, cavities, protuberances and / or any other formation favoring the appearance of local turbulence in the vicinity of said turbulator device when it is crossed by a flow of gas.
La présence de ces formations crée des perturbations maîtrisées et prévues des écoulements de fluide de chauffe dans l’enceinte.The presence of these formations creates controlled and predicted disturbances of the heating fluid flows in the enclosure.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le dispositif turbulateur est une grille métallique disposée au dessus de la pièce structurale placée dans le moule de l’autoclave.In an advantageous embodiment of the invention, the turbulator device is a metal grid placed above the structural part placed in the mold of the autoclave.
La grille métallique comporte dans un mode de réalisation des éléments fixes, des chicanes par exemple qui dévient l’écoulement du gaz et créent des turbulences, ou des éléments rotatifs, pouvant être mis en mouvement par un écoulement du gaz dans l’enceinte, tels des lames, des ailettes ou des pales qui peuvent être motorisés ou non.The metallic grid comprises in one embodiment fixed elements, baffles for example which deflect the flow of gas and create turbulence, or rotary elements, which can be set in motion by a flow of gas in the enclosure, such blades, fins or blades which may or may not be motorized.
Dans un mode de réalisation, les éléments rotatifs sont commandés à distance par un système en dehors de l’autoclave.In one embodiment, the rotary elements are remotely controlled by a system outside the autoclave.
En particulier, le procédé d’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave, selon l’invention, s’applique à la fabrication de pièces structurales en matériaux composites dans ledit autoclave.In particular, the process for improving the local heat transfer in an autoclave, according to the invention, is applied to the manufacture of structural parts made of composite materials in said autoclave.
Le procédé décrit est particulièrement avantageux dans le cas d’autoclaves de fabrication de pièces haute performance en matériaux composites destinées à l’industrie aéronautique par exemple.The process described is particularly advantageous in the case of autoclaves for manufacturing high performance parts made of composite materials intended for the aeronautical industry for example.
Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif un mode de réalisation d’un procédé d’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave et d’un dispositif turbulateur mettant en oeuvre ledit procédé, conformes aux principes de l’invention.The fundamental concepts of the invention having just been exposed above in their most elementary form, other details and characteristics will emerge more clearly on reading the description which follows and with reference to the appended drawings, giving by way of 'nonlimiting example an embodiment of a method for improving the local heat transfer in an autoclave and of a turbulator device implementing said method, in accordance with the principles of the invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
- La figure 1 représente un schéma général de l’invention montrant en coupe longitudinale un autoclave avec une pièce en préparation, les éléments du dessin n’étant pas nécessairement à la même échelle ;- Figure 1 shows a general diagram of the invention showing in longitudinal section an autoclave with a part in preparation, the elements of the drawing not necessarily being on the same scale;
- Les figures 2a et 2b représentent deux exemples du procédé selon deux modes de mise en oeuvre.- Figures 2a and 2b show two examples of the method according to two modes of implementation.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATIONDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
La figure 1 représente un schéma de principe de la mise en oeuvre du procédé d’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave 100 selon l’invention, ledit procédé s’applique dans le cas d’une fabrication en autoclave de pièces structurales en matériaux composites destinées en particulier à l’industrie aéronautique, comme par exemple des bords d’attaque de voilures dans le cas de structures secondaires ou des parties de fuselages dans le cas de structures primaires.FIG. 1 represents a schematic diagram of the implementation of the method for improving the local heat transfer in an autoclave 100 according to the invention, said method applies in the case of autoclave manufacturing of structural parts made of materials composites intended in particular for the aeronautical industry, such as, for example, leading edges of wings in the case of secondary structures or parts of fuselages in the case of primary structures.
L’autoclave 100, selon l’exemple de réalisation de la figure 1, comporte principalement une enceinte 10 utilisée pour recevoir les pièces à fabriquer, des parois internes 20 délimitant ladite enceinte et pourvues d’une ouverture d’entrée 20a et d’une ouverture de sortie 20b, des parois externes 40 résistantes à la pression qui règne dans l’autoclave et entourant les parois internes 20, et une conduite double-enveloppe 30 correspondant au volume intermédiaire situé entre lesdites parois internes et parois externes.The autoclave 100, according to the embodiment of FIG. 1, mainly comprises an enclosure 10 used to receive the parts to be manufactured, internal walls 20 delimiting said enclosure and provided with an inlet opening 20a and a outlet opening 20b, external walls 40 resistant to the pressure prevailing in the autoclave and surrounding the internal walls 20, and a double-walled pipe 30 corresponding to the intermediate volume located between said internal walls and external walls.
Le procédé décrit, objet de la présente invention, a pour but d’améliorer localement le transfert thermique au voisinage d’un moule 11 placé dans l’enceinte 10 de l’autoclave 100 par un dispositif turbulateur 15, placé au voisinage dudit moule, produisant des turbulences locales, ledit moule accueillant une structure 12 à fabriquer.The process described, object of the present invention, aims to locally improve the heat transfer in the vicinity of a mold 11 placed in the enclosure 10 of the autoclave 100 by a turbulating device 15, placed in the vicinity of said mold, producing local turbulence, said mold accommodating a structure 12 to be manufactured.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 1, un gaz est circulé dans la conduite double-enveloppe 30 de l’autoclave 100 via un ventilateur 31 placé dans ladite conduite double-enveloppe.In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, a gas is circulated in the double-jacket pipe 30 of the autoclave 100 via a fan 31 placed in said double-jacket pipe.
La conduite double-enveloppe 30 de l’autoclave 100 est formée par un volume situé entre les parois internes 20 et les parois externes 40 dudit autoclave, l’enceinte 10 quant à elle correspond au volume délimité par les parois internes 20.The double-jacket pipe 30 of the autoclave 100 is formed by a volume located between the internal walls 20 and the external walls 40 of said autoclave, the enclosure 10 in turn corresponds to the volume delimited by the internal walls 20.
L’ouverture d’entrée 20a et l’ouverture de sortie 20b permettent à l’enceinte 10 et la conduite double-enveloppe 30 de communiquer entre elles, et sont réalisées, en vis-à-vis, chacune dans une paroi verticale appartenant aux parois internes 20 de l’autoclave 100 pour assurer une circulation générale du gaz dans l’enceinte.The inlet opening 20a and the outlet opening 20b allow the enclosure 10 and the double-walled pipe 30 to communicate with each other, and are made, facing each other, in a vertical wall belonging to the internal walls 20 of the autoclave 100 to ensure general circulation of the gas in the enclosure.
Le ventilateur 31 souffle le gaz dans la conduite double-enveloppe 30 de l’autoclave 100, ledit gaz pénètre ensuite dans l’enceinte 10 par l’ouverture d’entrée 20a suivant ainsi un circuit continu. L’écoulement du gaz entrant 16a est alors modifié au voisinage du moule 11 par le dispositif turbulateur 15 lui faisant obstacle, ledit dispositif turbulateur perturbe l’écoulement et génère des turbulences locales améliorant l’homogénéisation de la température dans la zone de fabrication ainsi que les échanges thermiques. Le dispositif turbulateur 15 est conformé pour produire des turbulences et par là même augmenter la turbulence de l’écoulement du gaz qui atteint le moule et la pièce. Le dispositif turbulateur 15 peut être tout ensemble comportant des parties mobiles, des surfaces ondulées, des cavités, des excroissances et/ou toute autre formation favorisant la turbulence locale, en causant des accidents de circulation et des recirculations dans l’écoulement tout en restant relativement transparent à l’écoulement, tel une grille de diffusion par exemple.The fan 31 blows the gas into the double-jacket pipe 30 of the autoclave 100, said gas then enters the enclosure 10 through the inlet opening 20a thus following a continuous circuit. The flow of the incoming gas 16a is then modified in the vicinity of the mold 11 by the turbulator device 15 obstructing it, said turbulator device disturbs the flow and generates local turbulence improving the homogenization of the temperature in the manufacturing zone as well as heat exchanges. The turbulator device 15 is shaped to produce turbulence and thereby increase the turbulence of the gas flow which reaches the mold and the part. The turbulator device 15 can be any assembly comprising moving parts, corrugated surfaces, cavities, protuberances and / or any other formation promoting local turbulence, causing traffic accidents and recirculations in the flow while remaining relatively transparent to the flow, such as a diffusion grid for example.
Selon les principes de l’invention, la modification de l’écoulement du gaz au voisinage du moule contenant la pièce structurale peut être qualifiée d’active ou de passive selon que le dispositif turbulateur 15, responsable de la création de turbulences locales, contient des parties mobiles, pouvant être contrôlées par un système en dehors de l’autoclave, ou n’en contient pas.According to the principles of the invention, the modification of the gas flow in the vicinity of the mold containing the structural part can be described as active or passive depending on whether the turbulator device 15, responsible for creating local turbulence, contains moving parts, which can be controlled by a system outside the autoclave, or do not contain any.
Dans le cas d’une modification active de l’écoulement, le dispositif turbulateur 15 comporte des parties mobiles, chacune s’animant d’un mouvement de rotation autour d’un axe propre quand elle est traversée par l’écoulement du gaz. Un tel dispositif turbulateur peut être par exemple une grille métallique de dimensions prédéterminées, pouvant être modulable, et comportant des éléments rotatifs tels des lames, des ailettes ou des pales, lesdits éléments rotatifs pouvant être motorisés ou simplement entraînés par le mouvement du gaz. Ainsi, le mouvement des parties mobiles du dispositif turbulateur 15 améliorent la diffusion et le mélange du gaz dans l’autoclave grâce aux tourbillons générés par lesdites parties mobiles et notamment dans une zone entourant la pièce structurale au voisinage de laquelle se trouve ledit dispositif turbulateur.In the case of an active modification of the flow, the turbulator device 15 comprises movable parts, each of which is animated by a rotational movement around a proper axis when it is traversed by the flow of gas. Such a turbulator device may for example be a metal grid of predetermined dimensions, which can be modular, and comprising rotary elements such as blades, fins or blades, said rotary elements being able to be motorized or simply driven by the movement of the gas. Thus, the movement of the mobile parts of the turbulator device 15 improve the diffusion and mixing of the gas in the autoclave thanks to the vortices generated by said mobile parts and in particular in an area surrounding the structural part in the vicinity of which said turbulator device is located.
Dans le cas d’une modification passive de l’écoulement, le dispositif turbulateur 15 ne comporte aucune partie mobile et ne contient que des obstacles fixes qui perturbent l’écoulement du gaz en créant des zones de recirculation et donc de la turbulence locale. Un tel dispositif turbulateur est par exemple une grille comportant des éléments qui contrarient le cheminement naturel de l’écoulement du gaz dans l’enceinte et crée de la turbulence dans celui-ci, ces éléments sont par exemple des chicanes, comme celles utilisées dans les échangeurs thermiques.In the case of a passive modification of the flow, the turbulator device 15 has no moving part and contains only fixed obstacles which disturb the flow of the gas by creating recirculation zones and therefore local turbulence. Such a turbulator device is for example a grid comprising elements which interfere with the natural path of the flow of gas in the enclosure and creates turbulence in it, these elements are for example baffles, like those used in the heat exchangers.
Dans les deux cas actif et passif, qui peuvent être combinés, le dispositif turbulateur 15 comporte principalement une grille. Ceci est avantageux en raison de la nature lacunaire d’une structure de type grille qui permet de perturber les écoulements du gaz facilement. .In both active and passive cases, which can be combined, the turbulator device 15 mainly comprises a grid. This is advantageous due to the incomplete nature of a grid-like structure which makes it possible to disturb gas flows easily. .
Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 1, le dispositif turbulateur 15 comporte une grille permettant la formation de turbulences locales, dans l’écoulement du gaz au voisinage de ladite grille. En outre, la grille du dispositif turbulateur 15 est placée au dessus de la pièce structurale 12 de sorte à déterminer un sous volume 17 de l’enceinte 10 enveloppant entièrement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection forcée, ladite face correspond ici à une face de la pièce couverte par une membrane 13 souple et étanche. Un vide partiel étant réalisé dans un volume entre la membrane et la pièce.In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, the turbulator device 15 comprises a grid allowing the formation of local turbulences, in the gas flow in the vicinity of said grid. In addition, the grid of the turbulator device 15 is placed above the structural part 12 so as to determine a sub-volume 17 of the enclosure 10 entirely enveloping the face of said part most exposed to thermal transfer by forced convection, said face here corresponds to a face of the part covered by a flexible and waterproof membrane 13. A partial vacuum is created in a volume between the membrane and the part.
Le dispositif turbulateur 15 permet ainsi une modification de la convection forcée autour de la pièce structurale 12, placée dans le moule 11, en régime d’écoulement turbulent du gaz de chauffage dans l’enceinte 10, et une amélioration du brassage dudit gaz dans ladite enceinte, en particulier au voisinage du moule.The turbulator device 15 thus allows a modification of the forced convection around the structural part 12, placed in the mold 11, in a regime of turbulent flow of the heating gas in the enclosure 10, and an improvement in the mixing of said gas in said enclosure, in particular in the vicinity of the mold.
En effet, le dispositif turbulateur 15 selon le mode de réalisation illustré et de part sa grille, génère des flux locaux au niveau des mailles de la grille, dits flux bloquants, opposés au voisinage de la pièce structurale 12, à l’écoulement général du gaz dans l’enceinte 10. Cela a pour effet direct d’augmenter localement la turbulence de l’écoulement.Indeed, the turbulator device 15 according to the illustrated embodiment and from its grid, generates local flows at the meshes of the grid, called blocking flows, opposite the vicinity of the structural part 12, to the general flow of the gas in enclosure 10. This has the direct effect of locally increasing the turbulence of the flow.
À titre d’exemple, pour une pièce plane présentant une longueur de 2 m et au dessus de laquelle est placée une grille d’au moins 2m de longueur générant de multiples flux bloquants au contact de la face exposée au gaz chauffant, via des obstacles de 1 mm de hauteur espacés de 1 mm sur ladite grille, le gain en transfert thermique entre ladite pièce plane et le gaz est augmenté de 12 % grâce aux flux bloquants.For example, for a flat room with a length of 2 m and above which is placed a grid at least 2 m in length generating multiple blocking flows in contact with the face exposed to the heating gas, via obstacles 1 mm high spaced 1 mm apart on said grid, the gain in heat transfer between said flat part and the gas is increased by 12% thanks to the blocking flows.
Ces résultats, vérifiés lors d’expérimentations, ont été mesurés pour un gaz chauffant la pièce plane en question avec une vitesse du gaz, mesurée dans l’écoulement à l’entrée de l’enceinte, de 1 m/s et une différence de température entre ladite pièce plane et ledit gaz de 50 °C.These results, verified during experiments, were measured for a gas heating the flat part in question with a speed of the gas, measured in the flow at the inlet of the enclosure, of 1 m / s and a difference of temperature between said flat part and said gas of 50 ° C.
Le gain en transfert thermique est calculé à partir du nombre adimensionnel de Nusselt (Nu), caractérisant le transfert thermique convectif entre la pièce plane et le gaz en fonction de la conduction thermique dudit gaz, avec et sans présence de flux bloquants en quantifiant le rapport des deux nombres de Nusselt dans les deux cas.The gain in thermal transfer is calculated from the dimensionless Nusselt number (Nu), characterizing the convective thermal transfer between the flat part and the gas as a function of the thermal conduction of said gas, with and without the presence of blocking fluxes by quantifying the ratio of the two Nusselt numbers in both cases.
Comme précisé précédemment, l’écoulement du gaz sortant 16b est repris à l’ouverture de sortie 20b par le ventilateur 31 qui le réinjecte ensuite dans les canalisations de la conduite double-enveloppe 30 de l’autoclave 100.As previously specified, the flow of the outgoing gas 16b is taken up at the outlet opening 20b by the fan 31 which then re-injects it into the pipes of the double-jacket pipe 30 of the autoclave 100.
La turbulence de l’écoulement au voisinage de la pièce structurale étant augmentée, le transfert thermique entre le gaz de chauffage de l’enceinte et ladite pièce structurale est donc amélioré par une augmentation locale des échanges par convection.The turbulence of the flow in the vicinity of the structural part being increased, the heat transfer between the heating gas of the enclosure and said structural part is therefore improved by a local increase in exchanges by convection.
La figure 2a résume les principales étapes du procédé d’amélioration du transfert thermique dans un autoclave tel que l’autoclave 100 décrit. Le procédé est mis en œuvre avant la cuisson de la pièce composite et se rapporte à la préparation et à la mise en condition de ladite pièce pour que l’amélioration du transfert thermique s’opère de façon naturelle lors de la cuisson dans l’autoclave.FIG. 2a summarizes the main steps of the process for improving the heat transfer in an autoclave such as the autoclave 100 described. The method is implemented before the composite part is cooked and relates to the preparation and conditioning of said part so that the improvement in heat transfer occurs naturally during cooking in the autoclave .
Le procédé, objet de l’invention, comprend :The process which is the subject of the invention comprises:
- Une étape préliminaire 200 de mise en place de plis devant former la pièce structurale 12 dans le moule 11 consistant en une phase de drapage, dans le cas d’une pièce composite à base de nappes préimprégnées, suivie d’une phase de placement sur ladite pièce de tissus d’environnement et de la membrane 13 en dernier lieu. Cette étape préliminaire 200 concerne des procédés existants de fabrication sous vide d’une pièce composite en autoclave ;- A preliminary step 200 of placing folds to form the structural part 12 in the mold 11 consisting of a layup phase, in the case of a composite part based on prepregs, followed by a placement phase on said piece of environmental tissue and the membrane 13 last. This preliminary step 200 relates to existing methods of vacuum manufacturing of a composite part in an autoclave;
- Une étape 201a d’installation du dispositif turbulateur 15 préalablement défini à l’emplacement prédéfini au voisinage de la pièce structurale 12 consistant à positionner le dispositif turbulateur 15 autour de la pièce 12 de façon à couvrir entièrement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection lors de la cuisson dans l’autoclave. Le dispositif turbulateur 15 est par exemple fixé directement sur le moule 11 via des supports montés sur ledit moule ;- A step 201a of installation of the turbulator device 15 previously defined at the predefined location in the vicinity of the structural part 12 consisting in positioning the turbulator device 15 around the part 12 so as to completely cover the face of said most exposed part thermal transfer by convection during cooking in the autoclave. The turbulator device 15 is for example fixed directly on the mold 11 via supports mounted on said mold;
- Une étape 202a de positionnement du moule 11 préparé à un emplacement déterminé dans l’enceinte 10 de l’autoclave 100 établi par simulation numérique pour une efficacité optimale du dispositif turbulateur 15 ;- A step 202a of positioning the mold 11 prepared at a determined location in the enclosure 10 of the autoclave 100 established by digital simulation for optimal efficiency of the turbulator device 15;
- Une étape 300 d’exécution du cycle de cuisson, ledit cycle prenant en compte l’amélioration des échanges thermiques, entre la pièce 12 en question et l’autoclave 100, résultant de la mise en œuvre du dispositif turbulateur 15.A step 300 of executing the cooking cycle, said cycle taking into account the improvement in heat exchanges, between the part 12 in question and the autoclave 100, resulting from the use of the turbulator device 15.
La figure 2b représente une variante du procédé de la figure 2a en proposant d’introduire la pièce 12 dans l’autoclave avant d’installer le dispositif turbulateur 15 autour de ladite pièce. Le procédé, selon l’exemple de réalisation de la figure 2a, comprend donc :FIG. 2b represents a variant of the method of FIG. 2a by proposing to introduce the part 12 in the autoclave before installing the turbulating device 15 around said part. The method, according to the exemplary embodiment of FIG. 2a, therefore comprises:
- L’étape préliminaire 200 ;- The preliminary stage 200;
- Une étape 201b de positionnement du moule 11 et de la pièce structurale 12 qu’il contient à un emplacement déterminé dans l’enceinte 10 de l’autoclave 100 ;- A step 201b of positioning the mold 11 and the structural part 12 which it contains at a determined location in the enclosure 10 of the autoclave 100;
- Une étape 202b d’installation du dispositif turbulateur 15 préalablement défini à l’emplacement de l’étape 201b précédente au voisinage de la pièce 12 de façon à couvrir entièrement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique lors de la cuisson dans l’autoclave ;- A step 202b of installation of the turbulator device 15 previously defined at the location of the preceding step 201b in the vicinity of the part 12 so as to completely cover the face of said part most exposed to heat transfer during cooking in the autoclave;
- L’étape 300 d’exécution du cycle de cuisson de la pièce 12.- Step 300 of execution of the part 12 cooking cycle.
Le procédé peut donc comporter l’étape 200 comme unique étape préliminaire dans le premier exemple de réalisation, et les étapes 200 et 201b comme étapes préliminaires dans le second exemple de réalisation. Dans le premier cas, le groupe d’étapes 400a comprend les étapes de 201a à 300 et caractérise le procédé. Dans le second cas, le groupe d’étapes 400b comprend les étapes 202b et 300 et caractérise le procédé.The method can therefore include step 200 as the only preliminary step in the first exemplary embodiment, and steps 200 and 201b as preliminary steps in the second exemplary embodiment. In the first case, the group of steps 400a comprises the steps from 201a to 300 and characterizes the method. In the second case, the group of steps 400b includes steps 202b and 300 and characterizes the method.
Le procédé d’amélioration du transfert thermique local dans un autoclave ainsi décrit, peut être appliqué à toutes sortes d’enceintes thermiques avec ou sans pression interne (autoclaves ou étuves) et de pièces structurales, et ce, quelles que soient leurs géométries et leurs dimensions. Le procédé est aussi indépendant de l’emplacement de la pièce structurale à l’intérieur de l’enceinte de l’autoclave car ledit procédé peut s’adapter à différents emplacements dans l’enceinte, et pâlie donc les limites imposées par le volume utile de cuisson dans l’autoclave jusqu’alors difficiles à surmonter.The process for improving the local heat transfer in an autoclave thus described, can be applied to all kinds of thermal chambers with or without internal pressure (autoclaves or ovens) and structural parts, regardless of their geometries and their dimensions. The process is also independent of the location of the structural part inside the autoclave enclosure because the said process can be adapted to different locations within the enclosure, and therefore pale the limits imposed by the useful volume. previously difficult to overcome in the autoclave.
Le procédé peut être appliqué pour un autoclave afin de fabriquer plusieurs pièces simultanément en mettant en oeuvre différents dispositifs turbulateurs simultanément et à différents emplacements d’un même autoclave en fonction du besoin de chacune des pièces fabriquées au même moment dans ledit autoclave.The method can be applied for an autoclave in order to manufacture several parts simultaneously by using different turbulating devices simultaneously and at different locations in the same autoclave according to the need for each of the parts produced at the same time in said autoclave.
Le procédé objet de la présente invention permet alors de réduire le temps de cuisson et de refroidissement des pièces structurales fabriquées dans un autoclave employant ledit procédé, de limiter les hétérogénéités thermiques persistantes dans les pièces de grandes dimensions après le cycle autoclave, d’augmenter la productivité tout en limitant le coût qu’engendrerait une modification du système de chauffage de l’autoclave in situ, et d’agrandir le volume utile de cuisson dans les autoclaves.The process which is the subject of the present invention then makes it possible to reduce the cooking and cooling time of the structural parts produced in an autoclave employing said process, to limit the persistent thermal heterogeneities in large pieces after the autoclave cycle, to increase the productivity while limiting the cost of modifying the heating system of the autoclave in situ, and increasing the useful volume of cooking in the autoclaves.
Le procédé d’amélioration du transfert thermique locale, tel que décrit, est destiné à tous les fabricants de pièces structurales en matériaux composites 5 utilisant des fours ou des autoclaves, et s’applique aussi bien dans les cas de polymérisation de thermodurcissables que dans les cas de cristallisation de thermoplastiques.The method for improving the local heat transfer, as described, is intended for all manufacturers of structural parts made of composite materials using ovens or autoclaves, and is applicable both in the case of polymerization of thermosets and in case of crystallization of thermoplastics.
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CN117507218A (en) * | 2023-11-15 | 2024-02-06 | 张家港市卓普精密模具有限公司 | A runnerless BMC mold that facilitates unloading |
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- 2016-12-16 FR FR1662573A patent/FR3060412B1/en active Active
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