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WO2016139359A1 - Moule en bois avec trame chauffante - Google Patents

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Publication number
WO2016139359A1
WO2016139359A1 PCT/EP2016/054707 EP2016054707W WO2016139359A1 WO 2016139359 A1 WO2016139359 A1 WO 2016139359A1 EP 2016054707 W EP2016054707 W EP 2016054707W WO 2016139359 A1 WO2016139359 A1 WO 2016139359A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mold
heating
composite material
layer
functional layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/054707
Other languages
English (en)
Inventor
Henrick Merle
Jérémie HASSIN
Original Assignee
Centre National D'etudes Spatiales
Afc Stab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National D'etudes Spatiales, Afc Stab filed Critical Centre National D'etudes Spatiales
Publication of WO2016139359A1 publication Critical patent/WO2016139359A1/fr

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    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H05B3/267—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base the insulating base being an organic material, e.g. plastic
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    • B29K2911/14—Wood, e.g. woodboard or fibreboard
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    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
    • H05B2203/003—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using serpentine layout
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    • H05B2203/005—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple resistive elements or resistive zones isolated from each other

Definitions

  • the invention relates to machinable wooden blocks, in particular for the constitution of tools such as wooden molds. Such molds make it possible to manufacture prototypes as well as products in series.
  • a particular application of the invention relates to the manufacture of products made of composite materials and more precisely satellite antenna reflectors.
  • a machinable wooden block for the manufacture of molds.
  • a plywood strand and / or panel which has been thermally modified to obtain a molecular conversion, is used, which makes it possible to obtain a material of good quality, good strength and good dimensional stability between 80 and 210 ° C. (ie having a coefficient of expansion less than 5.10 "6 mm / ° C), cheaper, easy to repair and reusable, EP 1 982 828 discloses such a block made of wood.
  • the document FR 2 940 926 describes adding to the mold a composite layer with binder, such as resin, and fibers among glass fibers, carbon, polyamide, aramids, bamboo.
  • This mold has a competitive manufacturing cost and has the advantageous characteristics mentioned above.
  • the aerospace industry is constantly seeking innovative solutions in order to reduce the costs and duration of manufacturing while guaranteeing performance that meets the needs of more and more demanding.
  • the molds presented above, in wood covered with a layer of composite, are now widely used to manufacture composite parts. They have many advantages compared to the existing technologies of Invar or graphite molds, which are long and expensive to produce.
  • a particular use of these molds is the manufacture of composite antennas carried out by deposition of the layers of material in contact with the mold, followed by a heating step advantageously carried out under pressure so that the binder, of resin type, polymerizes during the manufacturing process.
  • the heating stage of the wood and carbon mold (Auto-STAB TM type), and the molded part can be implemented in several ways.
  • a known solution is the autoclave (or oven), which transmits heat to the mold and to the convection molded part.
  • the autoclave is used to raise the temperature and pressure, while the oven only allows the temperature rise.
  • This solution has many defects such as high cost, high energy consumption and a relatively long manufacturing cycle time.
  • Another known solution is the use of a heating blanket, with which the mold and the molded part are covered.
  • the disadvantage of these solutions lies in a lack of homogeneity of the heating of the mold, in particular between the top of the composite part and the bottom which is in direct contact with the mold. Such a lack of homogeneity causes deformations of the mold or especially of the part to be manufactured which are difficult to anticipate and compensate.
  • the current solutions are not satisfactory.
  • the heating of the molds at high temperatures prevents use "chain", that is to say, with a time between two reduced manufacturing, the mold to be cooled between two manufacture of composite parts.
  • the invention therefore proposes to overcome the disadvantages presented above.
  • the invention provides a wood mold comprising at least one plywood panel plywood panel thermally modified by molecular transformation and at least one functional layer of composite material, characterized in that the mold comprises a heating screen in the form of at least one electrical network disposed between said at least one wooden stratum and said at least one functional layer of composite material.
  • the heating weft provides homogeneous endogenous heating, which improves the properties of the mold.
  • a particularly interesting synergistic effect occurs between the wooden mold and the heating screen: while the wood was previously used especially for its qualities related to fast machining at lower cost, It has been found that the wooden mold has a heat reflective effect, which contributes to further improving the homogeneity of heating (less than or equal to a degree of difference between the different parts of the mold) and to reducing the losses of heat. energy.
  • Such a mold is a technical advance over the usually used molds (such as INVAR or graphite) which diffuse loss of some of the heat.
  • Such a wooden mold with a heating screen can now increase in high temperature endogenously to allow a good polymerization of the product to be manufactured.
  • the heating screen is composed of a plurality of electrical networks, each being configured to heat a different zone of the functional layer of material composite, so as to regulate the temperature of each zone,
  • the mold comprises thermocouples arranged near the electrical network or networks, so as to control the effective temperature of each electrical network,
  • the mold comprises at least one thermocouple for measuring the temperature at the functional layer of composite material
  • the mold comprises the following successive stacking: said at least one wooden stratum, a waterproof layer of composite fabric, the heating weft, the at least one functional layer of composite material, -
  • the mold comprises a cooling network disposed between the wood and a layer of composite material, the cooling network being in the form of a heat transfer fluid network, - the cooling network is disposed between the wood and the sealed layer of composite material,
  • the functional layer of composite material has a thickness relative to its diameter, said layer being composed of a plurality of sub-layers,
  • the functional layer of composite material has a thickness of between 5 mm and 10 mm for a mold 1.2 m in diameter, knowing that the thickness varies according to the surface of the mold, preferably equal to 8 mm, said layer being composed of a plurality of sub-layers.
  • the invention also proposes an assembly comprising a mold described above, in which the heating screen is configured to heat a product to be molded endogenously, the assembly comprising an autoclave or drying oven or a heating blanket, adapted to heat said product in such a way exogenous.
  • the assembly may further comprise a control unit configured to adjust the heating temperature by means of the heating screen, and the autoclave or the oven or the heating blanket.
  • thermocouples allows a control of the different networks of the electrical frame but especially a coordination with other means of exogenous heating, such as the autoclave or the heating blanket.
  • the invention also proposes a method of manufacturing a product made of composite material by means of a mold or a set described above, comprising the steps of:
  • Heating the heating screen to polymerize the resin is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combination:
  • the resin is pre-impregnated in the layers of composite material
  • the evacuation step comprises a resin infusion step, the heating screen preheats the mold, said preheating then facilitating the step of placing the preimpregnated composite material layers,
  • the method comprises a subsequent step of cooling the mold by means of the cooling network, the temperature of the heating screen is controlled continuously, by means of the control unit, according to the temperature of the autoclave or the oven or the heating blanket, the product is an antenna reflector intended to be mounted on a satellite.
  • FIG. 1 represents a view of the mold
  • FIG. 2 represents a sectional diagram of a mold according to an embodiment
  • FIG. 3 represents electrical circuit networks for a heating screen of a mold according to one embodiment
  • FIG. 4 represents a view of the electrical circuit networks as well as the thermocouples of a mold according to one embodiment
  • FIG. 5 represents an assembly comprising a mold and thermocouples connected to a control unit
  • FIG. 6 represents an assembly comprising a mold and an autoclave according to one embodiment
  • FIG. 7 represents different stages of the manufacture of a mold according to an embodiment
  • FIG. 8 shows different stages of the manufacture of a product.
  • a mold 1 as presented in document FR 2 940 926 is considered for manufacturing a product.
  • This mold 1 comprises at least one plywood panel plywood panel 10 thermally modified by specific molecular transformation, hence the name “wooden mold”.
  • This wood which will be called “thermally modified”, has a hygrometry rate lower than a standard wood because of its transformation, which improves its dimensional stability at temperatures above 100 ° C ( decreased evaporation of water).
  • the properties of this wood are described in document EP 1 982 828. To design the mold, it is possible to assemble several layers of wood.
  • a so-called functional layer of composite material 11 is added.
  • Functional means a layer which will be in contact with the product to be manufactured 70 (see FIG. 6).
  • the combination of wood and composite material offers performance in terms of dimensional stability and mechanical strength close to a carbon block or INVAR, overcoming its disadvantages: weight, cost, difficult machining and toxic for the operator .
  • a layer 12 of composite material may also be added opposite the functional layer 11, on the other side of the wood 10, to limit the "bimetallic" effect which may notably be related to the temperature rise of the mold.
  • a heating screen 20 is added in the mold 1, between the wood 10 and the functional layer of composite material 11. It provides endogenous heating, that is to say coming from inside the mold 1.
  • This heating frame 20 is in the form of at least one electrical network 20a, in which an electric current Joule heated.
  • the heating screen 20 has a plurality of electrical networks 20a, 20e, as shown in Figure 3 (five networks). Each of these networks 20a, 20e covers a zone Za,..., Ze which is different from it.
  • Each of these networks is independent, that is, each network is self-sufficient and can function without regard to the operation of others.
  • the combined effect of the endogenous heating provided by the weft 20 and the reflection of the heat by the wood 10 provides a mold 1 whose temperature homogeneity is excellent (less than or equal to 1 ° C difference on the surface of the mold 1).
  • the presence of the heating screen 20 allows in one embodiment to overcome the heating by autoclave or oven. This avoids wasting energy by heating a large volume, since the heating is targeted at the functional layer 11 which is in contact with the product to be manufactured 70.
  • the mold 1 has a circular and curved shape.
  • the products to be manufactured are placed in contact with the mold 1 ("on" the mold 1).
  • the product or the materials that constitute it is (are) more precisely placed on the functional layer of composite material 11 of the mold 1.
  • the first network 20a covers a circular surface of smaller diameter Za, and the other four networks 20b, 20c, 20d, 20e each cover a quarter of the mold, minus the zone Za of the first network 20a.
  • This geographical independence of the zones Za, Ze allows a quasi-independent control thermally, heat transfer by the mold 1.
  • Each network 20a, 20e comprises a power outlet (not shown in the figures).
  • thermocouples 30a, 30f have been placed close to the electrical networks 20a, 20e, in each of the areas Za, Ze which they respectively cover. In this way, each thermocouple 30a, 30f is able to account for the heat produced by each network 20a, 20e.
  • FIG. 4 illustrates a placement of these thermocouples 30.
  • thermocouples 30 make it possible in particular to detect a malfunction of the heating screen 20.
  • thermocouple 31 is provided for measuring the effective temperature of the functional layer of composite material 11.
  • This surface thermocouple 31 may be one of the preceding thermocouples 30a, 30b, ...
  • thermocouples 30, 31 The information generated by these thermocouples 30, 31 is transmitted to a control unit 80 by means of a wired or wireless link (not detailed here) (see FIG. 5).
  • the control unit 80 typically comprises a processor 81 and a memory space 82.
  • the control unit 80 can advantageously drive the heating frame 20.
  • a waterproof layer of composite fabric 13 is provided between the wood 10 and the heating screen 20. Sealing is important for vacuum drawing processes, in which the mold is evacuated to expel the air, for which it is not desired to observe porosity or pollution by wood or composite materials.
  • Wood 10 more specifically the layer of wood of heat-treated plywood panel 10
  • the functional layer 11 is composed of a plurality of sub-layers 11a, 1f.... Typically between ten and twenty layers is sufficient, more precisely, fifteen sub-layers may be suitable, for example.
  • sublayer means a layer forming part of a set of sub-layers forming itself a layer.
  • the functional layer has a thickness typically between 5 and 10 mm, preferably around 8 mm. This is particularly the case for a mold 1.2 meters in diameter,
  • the thickness varies according to the surface of the mold.
  • the composite materials used are, for example, fibers among glass, carbon, polyamide, aramid, bamboo and ramie fibers.
  • a cooling network 40 may be provided between the wood 10 and a layer of composite material 11, 12, the cooling network 40 being in the form of a heat transfer fluid network.
  • the network 40 is disposed between the wood 10 and the tight layer of composite fabric 13.
  • a fluid circulation system is provided (pump, exchanger, and / or tank, etc.).
  • preparation wood processing and machining.
  • An assembly of different wooden panels is made using a resin, for example epoxy 200 ° C.
  • This preparation step El makes it possible to obtain the desired shape for the mold 1. Thanks to the wood, the machining is fast and inexpensive, which makes it possible to obtain prototyping molds 1 in a short time frame for reduced budgets.
  • step E2 of laying the tight layer of composite material 12 is performed.
  • a step E3 of placing the electrical frame or frames 20, possibly with the thermocouples, is performed. This step requires not to leave a zone without an electrical network nearby, to limit the risks of inhomogeneity of heating. Then, a step E4 for laying the sublayers of composite materials l ia, l lf ... forming the functional layer 11 is performed.
  • a vacuum bag can be used depending on the composite material used.
  • the layers of composite material are already impregnated with a resin matrix and consequently the evacuation step E5 is intended to drive out the air and to promote the veneering between them of the various elements which form the mold 1.
  • the layers of composite material are not impregnated in resin matrix.
  • resin is injected and / or infused, for example into the vacuum bag; this will then diffuse into the tissues of the different layers thanks to the depression.
  • the resin is typically epoxy, the same type as that used for wood to ensure good compatibility.
  • a step E6 of polymerization of the resin is carried out.
  • a first heater at 60 ° and a second at 180 ° C can be made, or a single heater at 180 ° C.
  • the temperature generally depends on the temperatures of use of the customer.
  • an autoclave 50 or oven
  • a heating blanket (not shown in the figures) may be used. They respectively comprise a thermometer 51 or a thermocouple. They are also advantageously controlled by the control unit 80 (FIG. 6).
  • the heating blanket typically includes a heating blank in a silicone rack.
  • heating screen 20 of the mold 1 to heat the resin present in the mold 1.
  • a combination of the heating screen 20 and the autoclave 50 or the heating blanket is also possible.
  • the autoclave stages are generally carried out under pressure, for example three bars (3 bars).
  • a finishing step E7 in which the composite material on the surface of the mold 1 is machined and then prepared to improve its appearance.
  • the manufacturing process of the mold may comprise a step EO of setting up a layer 12 "anti-bimetal" on the rear face of the wood
  • this layer 12 is substantially equal to that of the functional layer 11, in order to compensate the bimetal effect as accurately as possible.
  • the method may comprise a step El 'of setting up the cooling network 40, before the establishment of the sealed layer of composite material 12. For this, pipes allowing circulating a coolant are disposed on the surface of the mold.
  • Tests can be performed to ensure the quality of the mold. We can cite :
  • the objective is to have a difference in temperature of less than or equal to 1 ° C on the whole of the mold 1,
  • the mold 1 is preferably circular and of dimension greater than one meter (for example 1.2m or 2.4m).
  • a first step F1 there are layers of composite materials 71 in contact with the mold, and more particularly on the functional layer 11.
  • the mold 1 can be preheated to facilitate the draping of said layers. Indeed, they soften and become more manageable than at room temperature.
  • the heating screen 20 allows such preheating. Such preheating is particularly advantageous in the case of composite materials pre-impregnated with resin.
  • a second step F2 the mold is evacuated with the layers of composite material 71. Indeed, it is necessary to apply a pressure on the composite material 71 during the polymerization.
  • the evacuation can be done by means of a vacuum bag to impregnate the resin layers.
  • step F2 may be included in step F3 (see below), in the case of an autoclave 50 under a neutral gas atmosphere which can both heat and pressurize. Otherwise, the vacuum bag is typically used even for an autoclave because the bag protects against combustion when the atmosphere comprises oxygen.
  • the resin is pre-impregnated in said layers 71, or else the step F2 comprises a sub-step of infusion of resin in the vacuum bag.
  • a step F3 the assembly is heated to polymerize the resin, with temperatures up to 180 ° C, by means of the heating screen 20 in particular.
  • the heating screen 20 can set several heating modes:
  • the first is simply to use the heating screen 20, to limit energy losses by heating only in contact with the product 70, and not heating a large volume of air.
  • a vacuum bag is then used to keep under vacuum,
  • the second is to use in parallel the heating screen 20 and the autoclave (or oven) 50.
  • the temperature of the heating screen 20 is controlled so that the temperature between atmosphere of the autoclave 50 and the functional layer 11 of the mold 10 is identical.
  • the product 70 is heated in a perfectly homogeneous manner on both sides (less than 1 ° C apart on either side of the product 70).
  • a vacuum bag is used; in the case of the autoclave 50, the pressurization of the step F2 can be carried out thanks to the autoclave 50 if the atmosphere is in neutral gas. Otherwise, a vacuum bag is used, the third is to use in parallel the heating frame 20 and the heating blanket that covers the product 70.
  • a vacuum bag is used to vacuum the mold and the blanket.
  • thermocouple of the heating blanket and the surface thermocouple 31 co-coilote simultaneously in the vacuum bag at atmospheric pressure (between 0.6 and 1.1 bar).
  • this co-piloting makes it possible to have an identical temperature on both sides of the product 70 (less than 1 ° C apart).
  • the heating is targeted in contact with the product, which minimizes the waste of energy,
  • a fourth mode consists in using the heating screen 20, the heating blanket and the autoclave 50, except that in this case the autoclave 50 does not rise in temperature and is used mainly for pressurizing.
  • the data of thermocouples 30, 31, thermometer 51, etc. are recovered by the control unit 80. As explained above, depending on the program chosen, it can adjust the heating screen 20 and / or the autoclave, oven 50, heating blanket to optimize the polymerization of the resins.
  • control is carried out continuously.
  • the cooling network 40 is activated or maintained activated (even the flow rate is increased and / or the fluid temperature is decreased to further accelerate the cooling) in a step F6 .
  • the manufactured product is for example a composite antenna reflector intended to be embedded on a satellite.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
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  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

L'invention concerne un moule en bois (1) comprenant au moins une strate en bois de panneau de contreplaqué modifié thermiquement par transformation moléculaire spéciale (10) et au moins une couche fonctionnelle de matériau composite (11), caractérisé en ce que le moule (1) comprend une trame chauffante (20) sous forme d'au moins un réseau électrique (20a) disposée entre ladite au moins une strate en bois (10) et ladite au moins une couche fonctionnelle de matériau composite (11).

Description

Moule en bois avec trame chauffante
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les blocs en bois usinables, notamment pour la constitution d'outillage tel que des moules en bois. De tels moules permettent de fabriquer des prototypes ainsi que des produits en série. Une application particulière de l'invention concerne la fabrication de produits en matériaux composites et plus précisément des réflecteurs d'antenne pour satellite.
ETAT DE L'ART
L'utilisation d'un bloc en bois usinable est connue pour la fabrication des moules. En particulier, une strate et/ou panneau de contreplaqué modifié(e) thermiquement pour obtenir une transformation moléculaire, est utilisée, ce qui permet d'obtenir un matériau de qualité, de bonne tenue et de bonne stabilité dimensionnelle entre 80 et 210°C (c'est-à- dire présentant un coefficient de dilatation inférieur à 5.10"6 mm/°C), à moindre coût, facile à réparer et réutilisable. Le document EP 1 982 828 décrit un tel bloc en bois.
Pour améliorer les qualités d'un tel moule, notamment en termes de performance, de résistance mécanique et de stabilité dimensionnelle, pour se rapprocher d'un moule monobloc en carbone le document FR 2 940 926 décrit d'ajouter au moule une couche composite avec liant, tel que de la résine, et de fibres parmi les fibres de verre, carbone, polyamide, aramides, de bambous.
Ce moule présente un coût de fabrication compétitif et présente les caractéristiques avantageuses mentionnées ci-dessus.
L'industrie aérospatiale est en recherche permanente de solutions innovantes dans l'objectif de diminuer les coûts et la durée de fabrication tout en garantissant des performances qui répondent à des besoins de plus en plus exigeants. Les moules présentés ci-dessus, en bois recouvert d'une couche de composite, sont aujourd'hui largement utilisés pour fabriquer des pièces en matériau composite. Ils présentent de nombreux avantages comparés aux technologies existantes de moules en Invar ou graphite, qui sont longs et chers à produire.
Une utilisation particulière de ces moules est la fabrication d'antennes composites s'effectuant par le dépôt des couches de matériau au contact du moule, suivi d'une étape de chauffage avantageusement réalisée sous pression de sorte que le liant, de type résine, polymérise au cours de la fabrication.
L'étape de chauffage du moule en bois et carbone (de type Auto- STAB™), et de la pièce moulée peut être mise en œuvre de plusieurs manières.
Une solution connue est l'autoclave (ou étuve), qui transmet la chaleur au moule et à la pièce moulée par convection. L'autoclave permet de monter en température et en pression, alors que l'étuve ne permet que la montée en température. Cette solution présente de nombreux défauts comme un coût élevé, une importante consommation énergétique et une durée du cycle de fabrication relativement longue. Une autre solution connue est l'utilisation d'une couverture chauffante, avec laquelle on recouvre le moule et la pièce moulée.
L'inconvénient de ces solutions réside dans un manque d'homogénéité du chauffage du moule, en particulier entre le dessus de la pièce composite et le dessous qui est lui en contact direct avec le moule. Un tel manque d'homogénéité engendre des déformations du moule ou surtout de la pièce à fabriquer qui sont difficiles à anticiper et à compenser. En outre pour la fabrication d'antennes, composée de plusieurs couches de matériau composite empilées, les solutions actuelles ne sont pas satisfaisantes.
De plus, le chauffage des moules à des températures élevées empêche une utilisation « à la chaîne », c'est-à-dire avec un temps entre deux fabrications réduit, le moule devant refroidir entre deux fabrications de pièces composites.
Par conséquent, il existe un besoin d'améliorer les dispositifs et procédés existants.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention se propose donc de pallier les inconvénients présentés ci- dessus. A cet effet, l'invention propose un moule en bois comprenant au moins une strate en bois de panneau de contreplaqué modifié thermiquement par transformation moléculaire et au moins une couche fonctionnelle de matériau composite, caractérisé en ce que le moule comprend une trame chauffante sous forme d'au moins un réseau électrique disposée entre ladite au moins une strate en bois et ladite au moins une couche fonctionnelle de matériau composite.
Les avantages de l'invention sont multiples.
En effet, la trame chauffante apporte un chauffage endogène homogène, ce qui améliore les propriétés du moule. En outre, un effet synergique particulièrement intéressant se produit entre le moule en bois et la trame chauffante : alors que le bois était précédemment utilisé notamment pour ses qualités liées à un usinage rapide à moindre coût, il s'est avéré que le moule en bois a un effet réflecteur de chaleur ce qui contribue à améliorer encore l'homogénéité de chauffage (inférieur ou égale à un degré d'écart entre les différentes partie du moule) et à diminuer les pertes d'énergie. Un tel moule constitue une avancée technique par rapport aux moules habituellement utilisés (tel que l'INVAR ou le graphite) qui diffusent en perte une partie de la chaleur. Un tel moule en bois avec une trame chauffante peut désormais monter en température élevée de façon endogène pour permettre une bonne polymérisation du produit à fabriquer.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : la trame chauffante est composée d'une pluralité de réseaux électriques, chacun étant configuré pour chauffer une zone différente de la couche fonctionnelle de matériau composite, de manière à réguler la température de chaque zone,
Le moule comprend des thermocouples disposés à proximité du ou des réseaux électriques, de manière à pouvoir contrôler la température effective de chaque réseau électrique,
Le moule comprend au moins un thermocouple permettant de mesurer la température au niveau de la couche fonctionnelle de matériau composite,
Le moule comprend l'empilement successif suivant : ladite au moins une strate en bois, une couche étanche de tissu composite, la trame chauffante, l'au moins une couche fonctionnelle de matériau composite, - Le moule comprend un réseau refroidissant disposé entre le bois et une couche de matériau composite, le réseau refroidissant étant sous la forme d'un réseau de fluide caloporteur, - le réseau refroidissant est disposé entre le bois et la couche étanche de matériau composite,
- la couche fonctionnelle de matériau composite a une épaisseur relative à son diamètre, ladite couche étant composée d'une pluralité de sous-couches,
- la couche fonctionnelle de matériau composite a une épaisseur comprise entre 5 mm et 10 mm pour un moule de 1,2m de diamètre sachant que l'épaisseur varie suivant la surface du moule, de préférence égale à 8 mm, ladite couche étant composée d'une pluralité de sous-couches.
L'invention propose aussi un ensemble comprenant un moule décrit précédemment, dans lequel la trame chauffante est configurée pour chauffer un produit à mouler de façon endogène, l'ensemble comprenant un autoclave ou étuve ou une couverture chauffante, adapté pour chauffer ledit produit de façon exogène.
L'ensemble peut comprendre en outre une unité de contrôle configurée pour ajuster la température de chauffe au moyen de la trame chauffante, et de l'autoclave ou l'étuve ou la couverture chauffante.
Notamment, la présence de thermocouples permet un contrôle des différents réseaux de la trame électrique mais surtout une coordination avec d'autres moyens de chauffage exogène, tel que l'autoclave ou la couverture chauffante. On obtient ainsi, de part et d'autre de la pièce, un écart inférieur ou égale à 1°C, c'est-à-dire que l'écart de température entre la surface fonctionnelle du moule et l'atmosphère au contact de la pièce est inférieur ou égale à 1°C.
Ainsi, en couplant la trame chauffante et un autoclave (ou bien une couverture chauffante), on obtient un chauffage endo- et exogène piloté pour être optimisé.
L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'un produit en matériau composite au moyen d'un moule ou d'un ensemble décrit précédemment, comprenant les étapes de :
- Mise en place des couches de matériau composite du produit au contact du moule,
Mise sous vide,
Chauffage de la trame chauffante pour polymériser la résine. Le procédé est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
- la résine est pré-imprégnée dans les couches de matériau composite,
- l'étape de mise sous vide comprend une étape d'infusion de résine, - la trame chauffante préchauffe le moule, ledit préchauffage facilitant alors l'étape de mise en place des couches de matériau composite préimprégnées,
- Le procédé comprend une étape ultérieure de refroidissement du moule au moyen du réseau refroidissant, - la température de la trame chauffante est pilotée en continu, au moyen de l'unité de contrôle, en fonction à la température de l'autoclave ou de l'étuve ou de la couverture chauffante, - le produit est un réflecteur d'antenne destiné à être monté sur un satellite.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure 1 représente une vue du moule,
- La figure 2 représente un schéma en coupe d'un moule conforme à un mode de réalisation,
- La figure 3 représente des réseaux de circuits électriques pour d'une trame chauffante d'un moule selon un mode de réalisation,
- La figure 4 représente une vue des réseaux de circuits électriques ainsi que des thermocouples d'un moule conforme à un mode de réalisation,
- La figure 5 représente un ensemble comprenant un moule et es thermocouples connectés à une unité de contrôle,
- La figure 6 représente un ensemble comprenant un moule et un autoclave conforme un mode de réalisation,
- La figure 7 représente différentes étapes de la fabrication d'un moule conforme à un mode de réalisation,
- La figure 8 représente différentes étapes de la fabrication d'un produit.
Sur les figures, les traits en pointillé représentent des échanges d'information. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE
En relations avec les figures 1 et 2, un moule 1 tel que présenté dans le document FR 2 940 926 est considéré pour fabriquer un produit.
Ce moule 1 comprend au moins une strate en bois de panneau de contreplaqué 10 modifié thermiquement par transformation moléculaire spécifique, d'où l'appellation « moule en bois ». Ce bois, que l'on appellera « modifié thermiquement », présente un taux d'hygrométrie plus bas qu'un bois standard du fait de sa transformation, ce qui permet d'améliorer sa stabilité dimensionnelle à des températures supérieurs à 100°C (diminution de l'évaporation de l'eau). Comme précisé précédemment, les propriétés de ce bois sont décrites dans le document EP 1 982 828. Pour concevoir le moule, on peut assembler plusieurs strates de bois.
Une couche dite fonctionnelle de matériau composite 11 est ajoutée. Par fonctionnelle, on entend une couche qui sera en contact avec le produit à fabriquer 70 (voir figure 6). La combinaison bois-matériau composite offre des performances en termes de stabilité dimensionnelle et de résistance mécanique proches d'un bloc de carbone ou d'INVAR, en s'affranchissant de ses inconvénients : poids, coût, usinage difficile et toxique pour l'opérateur.
Une couche 12 de matériau composite, dite « anti-bilame », peut aussi être ajoutée à l'opposé de la couche fonctionnel 11, de l'autre côté du bois 10, pour limiter l'effet « bilame » pouvant notamment être lié à la montée en température du moule.
Une trame chauffante 20 est ajoutée dans le moule 1, entre le bois 10 et la couche fonctionnelle de matériau composite 11. Elle offre un chauffage endogène, c'est-à-dire provenant de l'intérieur du moule 1. Cette trame chauffante 20 est sous la forme d'au moins un réseau électrique 20a, dans lequel un courant électrique chauffe par effet Joule. Dans un mode de réalisation préférentiel, la trame chauffante 20 présente une pluralité de réseaux électriques 20a, 20e, comme représenté en figure 3 (cinq réseaux). Chacun de ces réseaux 20a, 20e couvre une zone Za, ... , Ze différente qui lui est propre.
Chacun de ces réseaux est indépendant, c'est-à-dire que chaque réseau se suffit à lui-même et peut fonctionner sans tenir compte du fonctionnement des autres.
L'effet combiné du chauffage endogène fournit par la trame 20 et de la réflexion de la chaleur par le bois 10 offre un moule 1 dont l'homogénéité de température est excellente (inférieure ou égale à 1°C d'écart sur la surface du moule 1).
De plus, la présence de la trame chauffante 20 permet dans un mode de réalisation de s'affranchir du chauffage par autoclave ou étuve. Cela évite de gaspiller de l'énergie en chauffant un volume important, puisque le chauffage est ciblé au niveau de la couche fonctionnelle 11 qui est au contact du produit à fabriquer 70.
Par exemple, sur les figures 1 et 3, le moule 1 a une forme circulaire et bombée. Les produits à fabriquer sont posés au contact du moule 1 (« sur » le moule 1).
Dans le cas d'un moule 1 à forme creuse, les produits à fabriquer sont posés « dans » le moule 1.
Dans les deux cas, le produit ou les matériaux qui le constituent est (sont) plus précisément posé(s) sur la couche fonctionnelle de matériau composite 11 du moule 1.
Le premier réseau 20a couvre une surface circulaire de diamètre moindre Za, et les quatre autres réseaux 20b, 20c, 20d, 20e couvrent chacun un quart du moule, moins la zone Za du premier réseau 20a. Cette indépendance géographique des zones Za, Ze permet un contrôle quasi-indépendant thermiquement, aux transferts de chaleur par le moule 1 près. Chaque réseau 20a, 20e comprend une prise d'alimentation (non représentée sur les figures).
Afin d'assurer un bon contrôle de ces réseaux et de maîtriser le procédé de fabrication du produit, des thermocouples 30a, 30f ont été disposés à proximité des réseaux électriques 20a, 20e, dans chacune des zones Za, Ze qu'ils couvrent respectivement. De cette façon, chaque thermocouple 30a, 30f est à même de rendre compte de la chaleur produite par chaque réseau 20a, 20e. La figure 4 illustre un placement de ces thermocouples 30.
Ces thermocouples 30 permettent notamment de détecter un dysfonctionnement de la trame chauffante 20.
En outre, un thermocouple de surface 31 est prévu pour mesurer la température effective de la couche fonctionnelle de matériau composite 11. Ce thermocouple de surface 31 peut être un des thermocouples précédents 30a, 30b,...
L'information générée par ces thermocouples 30, 31 est transmise à une unité de contrôle 80 au moyen d'une liaison filaire ou sans fil (non détaillée ici) (voir figure 5).
L'unité de contrôle 80 comprend typiquement un processeur 81 et un espace mémoire 82.
L'unité de contrôle 80 peut avantageusement piloter la trame chauffante 20.
Pour des raisons d'étanchéité, une couche étanche de tissu composite 13 est prévue entre le bois 10 et la trame chauffante 20. L'étanchéité est importante pour les procédés de tirage à vide, dans lequel le moule est mis sous vide pour chasser l'air, pour lequel on ne souhaite pas observer de porosité, ni de pollution par le bois ou par les matériaux composites.
On obtient alors un moule 1 comprenant les éléments dans l'ordre successif :
- La couche anti-bilame de matériau composite 12,
- Le bois 10, plus précisément la strate en bois de panneau de contreplaqué modifié thermiquement 10,
- La couche étanche de tissu composite 13,
- La trame électrique 20,
- L'au moins une couche fonctionnelle de tissu composite 11.
La couche fonctionnelle 11 est composée d'une pluralité de sous- couches l ia, l lf.... Typiquement, entre dix et vingt couches suffit, plus précisément, quinze sous-couches peuvent convenir, à titre d'exemple. Le terme de sous-couche signifie une couche faisant partie d'un ensemble de sous-couches formant lui-même une couche.
La couche fonctionnelle a une épaisseur comprise typiquement entre 5 et 10 mm, de préférence aux alentours de 8 mm. Cela est le cas en particulier pour un moule de 1,2 mètre de diamètre,
Plus généralement, l'épaisseur varie selon la surface du moule.
Les matériaux composites utilisés sont par exemple des fibres parmi les fibres de verre, carbone, polyamide, aramides, de bambous, de ramie.
Afin de pouvoir refroidir plus rapidement le moule 1, un réseau refroidissant 40 peut être prévu entre le bois 10 et une couche de matériau composite 11, 12, le réseau refroidissant 40 étant sous la forme d'un réseau de fluide caloporteur.
En particulier, le réseau 40 est disposé entre le bois 10 et la couche étanche de tissu composite 13. Un système de circulation de fluide est prévu (pompe, échangeur, et/ou réservoir, etc.).
Il est possible de contrôler la température du fluide ainsi que son débit, ce qui offre plusieurs vitesses de refroidissement.
On décrit, en relation avec les figures 6 et 7, un procédé de fabrication d'un moule.
Tout d'abord, une étape El de préparation d'un bloc de bois 10 est mise en œuvre.
Par préparation, on entend traitement du bois et usinage.
Pour le traitement thermique, une transformation moléculaire par exemple à 240°C sous atmosphère de gaz neutre (tel que l'azote) est connue de l'art antérieur.
Un assemble de différents panneaux en bois est effectué à l'aide d'une résine, par exemple de l'époxy 200°C.
Enfin, l'usinage du moule 1 est effectué.
Cette étape de préparation El permet d'obtenir la forme désirée pour le moule 1. Grâce au bois, l'usinage est rapide et peu coûteux, ce qui permet d'obtenir des moules 1 de prototypage dans des délais courts pour des budgets réduits.
Ensuite, une étape E2 de pose de la couche étanche de matériau composite 12 est effectuée.
Ensuite, une étape E3 de mise en place de la ou des trames électriques 20, avec éventuellement les thermocouples, est effectuée. Cette étape nécessite de ne pas laisser de zone sans réseau électrique à proximité, pour limiter les risques d'inhomogénéité de chauffage. Ensuite, une étape E4 de pose des sous-couches de matériaux composites l ia, l lf... formant la couche fonctionnelle 11 est effectuée.
Pour cela, on dispose une à une les sous-couches les unes sur les autres.
Ensuite, une étape E5 de mise à vide est effectuée. Un sac de mise à vide peut être utilisé selon le matériau composite utilisé.
Selon mode de réalisation, les couches de matériau composite sont déjà imprégnées d'une matrice de résine et par conséquent l'étape E5 de mise à vide a pour but de chasser l'air et de favoriser le placage entre eux des différents éléments qui forment le moule 1.
Selon un autre mode de réalisation, les couches de matériau composite ne sont pas imprégnées en matrice de résine. Lors de la mise sous vide, de la résine est injectée et/ou infusée, par exemple dans le sac de mise à vide ; celle-ci va alors diffuser dans les tissus des différentes couches grâce à la dépression.
La résine est typiquement de l'époxy, du même type que celle ayant servi pour le bois afin de garantir une bonne compatibilité.
Ensuite, une étape E6 de polymérisation de la résine est effectuée. Une première chauffe à 60° et une deuxième à 180°C peuvent être faites, ou bien une seule chauffe à 180°C.
La température dépend généralement des températures d'utilisation du donneur d'ordre.
A cette fin, un autoclave 50 (ou étuve) ou une couverture chauffante (non représentée sur les figures) peuvent être utilisés. Ils comprennent respectivement un thermomètre 51 ou un thermocouple. Ils sont eux aussi avantageusement pilotés par l'unité de contrôle 80 (figure 6). La couverture chauffante comporte typiquement une trame chauffante dans une baie de silicone.
Alternativement, on profite de la trame chauffante 20 du moule 1 pour chauffer la résine présente dans le moule 1. Une combinaison de la trame chauffante 20 et de l'autoclave 50 ou de la couverture chauffante est aussi possible.
Les étapes d'autoclave sont généralement réalisées sous pression, par exemple trois bars (3 bars).
Une étape de finition E7, dans laquelle le matériau composite en surface du moule 1 est usiné puis préparé pour améliorer son aspect. Le procédé de fabrication du moule peut comprendre une étape EO de mise en place d'une couche 12 « anti-bilame » sur la face arrière du bois
10, c'est-à-dire sur la face du moule 1 opposée à la couche fonctionnelle
11. L'épaisseur de cette couche 12 est sensiblement égale à celle de la couche fonctionnelle 11, dans le but de compenser l'effet bilame le plus précisément possible.
En outre, selon le moule 1 que l'on souhaite, le procédé peut comprendre une étape El' de mise en place du réseau refroidissant 40, avant la mise en place de la couche étanche de matériau composite 12. Pour cela, des tuyaux permettant de faire circuler un fluide caloporteur sont disposés sur la surface du moule.
L'impératif d'homogénéité n'a pas à être vérifié ici, puisqu'il s'agit de refroidir le moule 1 plus rapidement, et non pas de fabriquer un produit 70.
Des tests peuvent être effectués pour s'assurer de la qualité du moule. On peut citer :
- une mise en chauffe de la trame 20 uniquement à 100°C et/ou 180° sous vide. L'objectif, atteint, est d'avoir un écart de température inférieur ou égale à 1°C sur l'ensemble du moule 1,
- un test d'étanchéité sous vide de 7 bars et 180°C,
- un contrôle dimensionnel en continu à 110°C, pour une tolérance maximale de l'ordre du millimètre. A présent, on décrit en relation avec la figure 8, un procédé de fabrication d'un produit 70 et en particulier un réflecteur d'antenne 70. A cette fin, le moule 1 est préférablement circulaire et de dimension supérieure au mètre (par exemple 1,2m ou 2,4m).
Dans une première étape Fl, on dispose des couches de matériaux composites 71 au contact du moule, et plus particulièrement sur la couche fonctionnelle 11. Avantageusement, le moule 1 peut être préchauffé pour faciliter le drapage desdites couches. En effet, elles se ramollissent et deviennent plus maniables qu'à température ambiante. La trame chauffante 20 permet un tel préchauffage. Un tel préchauffage est particulière avantageux dans le cas de matériaux composites préimprégnés de résine.
Dans une deuxième étape F2, on met sous vide le moule avec les couches de matériau composite 71. En effet, il est nécessaire d'appliquer une pression sur le matériau composite 71 pendant la polymérisation. La mise sous vide peut se faire au moyen d'un sac à vide pour imprégner les couches de résine. Alternativement, l'étape F2 peut être comprise dans l'étape F3 (cf. infra), dans le cas d'un autoclave 50 sous atmosphère de gaz neutre qui, à la fois, peut chauffer et mettre sous pression. Autrement, le sac à vide est typiquement utilisé, même pour un autoclave car ledit sac protège de la combustion lorsque l'atmosphère comprend du dioxygène.
Deux modes de réalisation pour l'imprégnation de la résine existent en particulier : la résine est pré-imprégnée dans lesdites couches 71, ou bien l'étape F2 comprend une sous-étape d'infusion de résine dans le sac à vide.
Dans une étape F3, on chauffe l'ensemble pour polymériser la résine, avec des températures allant jusqu'à 180°C, au moyen de la trame chauffante 20 notamment. peut définir plusieurs modes de chauffage :
le premier consiste à simplement utiliser la trame chauffante 20, afin de limiter les pertes d'énergie en chauffant uniquement au contact du produit 70, et en ne chauffant pas un volume d'air importante. Un sac à vide est alors utilisé pour maintenir sous vide,
le deuxième consiste à utiliser en parallèle la trame chauffante 20 et l'autoclave (ou étuve) 50. A l'aide du thermocouple de surface 31 et du thermomètre 51, on pilote la température de la trame chauffante 20 pour que la température entre l'atmosphère de l'autoclave 50 et la couche fonctionnelle 11 du moule 10 soit identique. De cette façon, le produit 70 est chauffé d'une façon parfaitement homogène de part et d'autre (moins de 1°C d'écart de part et d'autre du produit 70). Dans le cas de l'étuve, un sac à vide est utilisé ; dans le cas de l'autoclave 50, la mise sous pression de l'étape F2 peut être effectuée grâce à l'autoclave 50 si l'atmosphère est en gaz neutre. Sinon, un sac à vide est utilisé, le troisième consiste à utiliser en parallèle la trame chauffante 20 et la couverture chauffante qui vient couvrir le produit 70. Un sac à vide est utilisé pour mettre sous vide le moule et la couverture chauffante. A l'aide du thermocouple de la couverture chauffante et du thermocouple de surface 31, on copilote simultanément dans le sac à vide sous pression atmosphérique (entre 0,6 et 1,1 bar). De la même façon, ce co-pilotage permet d'avoir une température identique de part et d'autre du produit 70 (moins de 1°C d'écart). En outre, le chauffage est ciblé au contact du produit, ce qui permet de limiter au maximum le gaspillage d'énergie,
un quatrième mode consiste à utiliser la trame chauffante 20, la couverture chauffante et l'autoclave 50, sauf que dans ce cas l'autoclave 50 ne monte pas en température et sert principalement pour la mise sous pression. Dans toutes ces alternatives, les données des thermocouples 30, 31, du thermomètre 51, etc. sont récupérées par l'unité de contrôle 80. Comme expliqué précédemment, en fonction du programme choisi, celle-ci peut ajuster la trame chauffante 20 et/ou l'autoclave, étuve 50, couverture chauffante pour optimiser la polymérisation des résines.
Avantageusement, le pilotage est effectué en continu.
Lorsque la chauffe est terminée, une étape de refroidissement F4 est effectuée.
La chaleur résiduelle du moule 1 est ainsi transférée dans le fluide caloporteur qui circule dans ledit réseau 40, ce qui va accélérer le refroidissement du moule 1. Ensuite, la pièce est démoulée dans une étape F5.
Par la suite, comme le moule 1 reste chaud par inertie thermique et en particulier si le démoulage a lieu à une température encore élevée, il n'est possible de remettre des couches de matériau composite pour fabriquer une autre pièce composite 70 que si la température est inférieure à un seuil.
Afin d'optimiser le temps à disposition, une fois le démoulage F5 effectuée, le réseau refroidissant 40 est activé ou maintenu activé (voire le débit est augmenté et/ou la température du fluide est diminuée pour accélérer davantage le refroidissement) dans une étape F6.
De cette façon, il est possible de lancer la fabrication d'une autre pièce 70 plus rapidement.
Le produit fabriqué est par exemple un réflecteur d'antenne en matériau composite destiné à être embarquée sur un satellite.

Claims

Revendications
Moule en bois (1) comprenant au moins une strate en bois de panneau de contreplaqué modifié thermiquement par transformation moléculaire (10) et au moins une couche fonctionnelle de matériau composite (11), caractérisé en ce que le moule (1) comprend une trame chauffante (20) sous forme d'au moins un réseau électrique (20a) disposée entre ladite au moins une strate en bois (10) et ladite au moins une couche fonctionnelle de matériau composite (11).
Moule selon la revendication précédente, dans lequel la trame chauffante (20) est composée d'une pluralité de réseaux électriques (20a, 20b, 20c, 20d, 20e), chacun étant configuré pour chauffer une zone différente (Za, Zb, Zc, Zd) de la couche fonctionnelle de matériau composite (11), de manière à réguler la température de chaque zone.
Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des thermocouples (30a, 30f) disposés à proximité du ou des réseaux électriques (20a, ... 20e), de manière à pouvoir contrôler la température effective de chaque réseau électrique (20a, ... 20e) ou au moins un thermocouple (31) permettant de mesurer la température au niveau de la couche fonctionnelle de matériau composite (11).
Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'empilement successif suivant : ladite au moins une strate en bois (10), une couche étanche de tissu composite (13), la trame chauffante (20), l'au moins une couche fonctionnelle de matériau composite (11).
5. Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un réseau refroidissant (40) disposé entre le bois (10) et une couche de matériau composite (11, 12), le réseau refroidissant (40) étant sous la forme d'un réseau de fluide caloporteur.
6. Moule selon les revendications 4 et 5, dans lequel le réseau refroidissant (40) est disposé entre le bois (10) et la couche étanche de matériau composite (12).
7. Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche fonctionnelle de matériau composite (11) a une épaisseur relative à son diamètre, ladite couche (11) étant composée d'une pluralité de sous-couches.
8. Ensemble comprenant un moule (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la trame chauffante (20) est configurée pour chauffer un produit à mouler (70) de façon endogène, l'ensemble comprenant un autoclave (50) ou étuve ou une couverture chauffante, adapté pour chauffer ledit produit (70) de façon exogène.
9. Ensemble selon la revendication précédente, comprenant en outre une unité de contrôle (80) configurée pour ajuster la température de chauffe au moyen de la trame chauffante (20), et de l'autoclave (50) ou l'étuve ou la couverture chauffante.
10. Procédé de fabrication d'un produit en matériau composite (70) au moyen d'un moule (1) ou d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes de :
- (Fl) Mise en place des couches de matériau composite (71) du produit (70) au contact du moule (1), - (F2) Mise sous vide, (F3) Chauffage de la trame chauffante (20) polymériser la résine.
11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la résine est pré-imprégnée dans les couches de matériau composite (71).
12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape (F2) de mise sous vide comprend une étape d'infusion de résine.
13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la trame chauffante (20) préchauffe le moule (20), ledit préchauffage facilitant alors l'étape de mise en place (Fl) des couches de matériau composite pré-imprégnées (71).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, comprenant une étape ultérieure de refroidissement (F4, F6) du moule (1) au moyen du réseau refroidissant (40).
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, en combinaison avec un ensemble selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel la température de la trame chauffante (20) est pilotée, au moyen de l'unité de contrôle, en fonction à la température de l'autoclave (50) ou de l'étuve ou de la couverture chauffante.
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