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WO2025012578A1 - Installation de fabrication en continu d'un élément composite longiligne de section ovale et installation de fabrication d'un ruban comprenant une pluralité d'éléments composites longilignes - Google Patents

Installation de fabrication en continu d'un élément composite longiligne de section ovale et installation de fabrication d'un ruban comprenant une pluralité d'éléments composites longilignes Download PDF

Info

Publication number
WO2025012578A1
WO2025012578A1 PCT/FR2024/050953 FR2024050953W WO2025012578A1 WO 2025012578 A1 WO2025012578 A1 WO 2025012578A1 FR 2024050953 W FR2024050953 W FR 2024050953W WO 2025012578 A1 WO2025012578 A1 WO 2025012578A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
installation
bundle
radiation
single strand
axis
Prior art date
Application number
PCT/FR2024/050953
Other languages
English (en)
Inventor
Hervé Dietsch
Baptiste MONNEY
Original Assignee
Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
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 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin filed Critical Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
Publication of WO2025012578A1 publication Critical patent/WO2025012578A1/fr

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B15/00—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00
    • B29B15/08—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00 of reinforcements or fillers
    • B29B15/10—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step
    • B29B15/12—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length
    • B29B15/122—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length with a matrix in liquid form, e.g. as melt, solution or latex
    • B29B15/125—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length with a matrix in liquid form, e.g. as melt, solution or latex by dipping

Definitions

  • TITLE Installation for the continuous production of an elongated composite element of oval section and installation for the production of a ribbon comprising a plurality of elongated composite elements
  • the present invention relates to the field of reinforcements based on composite materials.
  • the present invention relates to the continuous manufacture of elongated composite materials produced by impregnation of a polymerizable composition of multifilament fibers.
  • the present invention relates to an installation for manufacturing composites in the form of single strands comprising continuous, unidirectional multifilament fibers embedded in a polymerizable resin.
  • the present invention relates more particularly, but not exclusively, to the manufacture of composite glass resin monostrands, acronym “CVR”, having high mechanical properties.
  • Such elongated composite materials can be used in the form of composite reinforcements which can be used, in particular, for the reinforcement of semi-finished products or finished rubber articles such as vehicle tires, for example of the pneumatic or non-pneumatic type, or in concrete reinforcement applications.
  • a device 1 for manufacturing a single strand of glass-resin composite comprises one or more reels 10 containing glass fibers 11 in the form of multifilaments and unwound continuously by driving according to arrow F by a drive means (not shown), so as to produce a rectilinear arrangement 12 of these fibers 11.
  • the arrangement 12 then passes through a vacuum chamber 13 arranged between an inlet nozzle 13a and a separation nozzle 13b and an impregnation chamber 14 downstream of the separation nozzle 13b and filled with impregnation composition 15 based on a curable resin.
  • the device 1 further comprises a calibration die
  • a radiation device 18 comprising, for example, a protective tube 18a through which the composite single strand circulates.
  • Controlling the geometry of the reinforcement is a key aspect to facilitate the manufacturing process of the final object and maximize its performance.
  • the known composite monostrands have a circular cross-section and are composed of continuous glass fibers impregnated with a polymerizable material, preferably photo-polymerizable.
  • the invention aims to improve the tensile performance of ribbons comprising a plurality of composite monostrands trapped in a thermoplastic matrix, while minimizing the thickness of the ribbon and its weight.
  • the present invention relates to an installation for the continuous production of an elongated composite element comprising a bundle of multifilament fibers impregnated with a composition based on a polymerizable material.
  • the installation comprises an installation for the continuous production of an elongated composite element comprising a bundle of multifilament fibres impregnated with a composition based on a polymerisable material, the installation comprising, in the direction of advancement of the bundle of multifilament fibres:
  • a feeding device configured to form a bundle of multifilament fibers
  • an impregnation chamber filled with a composition based on a polymerizable material and configured to impregnate said degassed multifilament fiber bundle with said composition and form an impregnated single strand, said impregnation chamber being located downstream of the degassing chamber in the direction of advancement of the multifilament fiber bundle.
  • the installation also includes:
  • a first radiation device through which the monostrand impregnated with polymerizable material circulates and configured to carry out a partial polymerization of said impregnated monostrand to form a pre-polymerized monostrand; at least - a second radiation device, separate and distinct from the first radiation device configured to form a final composite monostrand, and
  • a translation drive device configured to drive the bundle of multifilament fibers in translation and to apply tension to said bundle of multifilament fibers.
  • the installation comprises a device for mechanically deforming the pre-polymerized monostrand arranged between the first radiation device and the second radiation device in the direction of advancement of the bundle of multifilament fibers, said device for mechanically deforming the pre-polymerized monostrand being configured to plastically deform the pre-polymerized monostrand and give an oval shape to the section of said pre-polymerized monostrand to form a deformed monostrand.
  • the mechanically deformed monostrand flows through the second radiation device in order to carry out a final polymerization of said deformed monostrand to form a final composite monostrand.
  • the second radiation device is configured to perform a final polymerization of the pre-polymerized monostrand.
  • partial polymerization or pre-polymerization is meant that the degree of polymerization of the multifilament fiber bundle has reached between 35% and 65% of complete polymerization.
  • the degree of polymerization can be assessed using a measuring instrument of the “DSC” type, an acronym for “Differential Scanning Calorimetry” in Anglo-Saxon terms.
  • the pre-polymerization step makes it possible to obtain a pre-polymerized, non-sticky single strand, capable of no longer deforming in the free state while being malleable to be deformed under mechanical stress.
  • the so-called “complete” or “final” polymerization of the composite is obtained when the degree of polymerization of the polymerizable material is close to 100%, preferably greater than or equal to 95% of the complete polymerization.
  • the mechanical deformation device of the pre-polymerized monostrand is configured to plastically deform the pre-polymerized monostrand and obtain a deformed monostrand.
  • plastic deformation we mean a non-reversible deformation
  • the mechanical deformation device it is possible to give an oval shape to the section of the single strand before the final polymerization.
  • the oval shape helps reduce the amount of thermoplastic material needed to make the tape, while minimizing its thickness.
  • the oval shape also helps improve the tensile performance of composite single strands in the direction parallel to the composite single strands.
  • long-linear composite element is meant a composite element of great length comprising a bundle of multifilament fibers embedded in a composition based on a polymerizable material, which is manufactured continuously from one or more supply reels of multifilament fibers to form a bundle which is driven in translation to successively carry out the impregnation of its fibers with polymerizable material and the polymerization of the material as the bundle moves.
  • multifilament fiber is meant a fiber which comprises several elementary filaments arranged side by side to form a bundle whose elementary fibers are unidirectional while being substantially parallel to each other.
  • Multifilament fibers can be chosen from the group consisting of glass, carbon, silica, ceramic, flax, hemp, basalt, cellulose fibers, etc. These multifilament fibers are used to make composites. long, thin fibers made by impregnation of a polymerizable composition of multifilament fibers.
  • the polymerizable material may be of the thermosetting type, preferably thermocrosslinkable, preferably of the vinylester type.
  • polymerizable material is meant a material comprising, by weight, more than 50%, preferably more than 75%, of organic matter, and even more preferably more than 90% of organic matter.
  • this material may be a thermopolymerizable polymeric material, for example based on unsaturated polyester, polyepoxide, phenolic derivative, or aminoplast.
  • the polymerizable material is crosslinked.
  • the polymerizable material is a resin that can be crosslinked by ionizing radiation, the final polymerization being able to be triggered and easily controlled by means of an ionizing treatment, for example of the UV type.
  • the glass transition temperature Tg of the polymerizable material is preferably greater than or equal to 130°C, for example greater than 170°C, preferably greater than or equal to 180°C.
  • the final composite element is a single strand comprising multifilament fibers embedded in a polymerizable material, such as a thermosetting resin.
  • the final composite monostrand can take an oval shape with a width between 0.75mm and 2.5mm.
  • the elementary filaments for example, each have an average diameter of between 5 pm and 30 pm.
  • the drive device is, for example, of the type comprising a motorized traction drum for winding the composite element around its axis or comprising two motorized drums facing each other, spaced apart by a corresponding distance at least equal to the thickness of the composite element and which rotate in opposite directions to drive the final composite element, by friction, in a translational movement, making it pass through the space between the two drums.
  • a motorized traction drum for winding the composite element around its axis
  • two motorized drums facing each other, spaced apart by a corresponding distance at least equal to the thickness of the composite element and which rotate in opposite directions to drive the final composite element, by friction, in a translational movement, making it pass through the space between the two drums.
  • any drive device for moving the bundle of multifilament fibers in a direction of advance.
  • the mechanical deformation device comprises at least two first end rollers and a central roller located axially between the two end rollers and offset from said end rollers vertically by a distance along the vertical axis perpendicular to the direction of advancement, said rollers, and in particular their external cylindrical surface, being in partial contact with the pre-polymerized single strand.
  • the mechanical deformation device comprises three rollers on which the single strand impregnated and pre-polymerized by the first UV source is deformed thanks to the tension applied to said single strand by the drive device and the vertical offset of the central roller.
  • the width to height aspect ratio is changed by varying the height of the central roller.
  • the central roller is preferably mounted on an axle sliding in a vertical groove made on the fixed structure.
  • the rollers are movable in rotation along a transverse axis perpendicular to the axis of advancement and to the vertical axis relative to the fixed structure.
  • the two end rollers are located on the same primary axis parallel to the longitudinal advance axis.
  • the height between the axis of the central roller and the axis of the end rollers is, for example, between 4mm and 40mm, preferably between 10mm and 30mm.
  • the installation comprises at least one instrument or scraper associated with one of the rollers and configured to scrape the polymerizable material deposited on the exterior surface of the corresponding roller.
  • the scraper is advantageously fixed on the axis of rotation of the corresponding roller and is fixed in rotation relative to it.
  • the scraper allows continuous cleaning of the rollers, and prevents modification of the contact area between the pre-polymerized single strand and the outer surface of the roller, and consequently deformation of said single strand.
  • the mechanical deformation device comprises, for example, two scrapers each associated respectively with the central roller and the exit end roller.
  • the deformation device comprises three scrapers each associated with one of the rollers or that it comprises only one scraper associated with one of the central roller or the outlet end roller.
  • the scraper is in the form of a thin blade, preferably metallic, directed towards the outer surface of the corresponding roller, in the direction opposite to the direction of rotation of the roller.
  • the installation comprises a heating device associated with the impregnation chamber and configured to heat the polymerizable material present in said impregnation chamber to a temperature between 50°C and 95°C, preferably between 60°C and 80°C.
  • the installation does not include such a heating device.
  • the first radiation device comprises a first light source with ultraviolet radiation, acronym UV.
  • the duration of exposure of the impregnated monostrand to the first light source with combined ultraviolet and infrared radiation is between 0.1 s and 1.5 s, preferably between 0.4 s and 0.7 s.
  • the power of the first light source with combined ultraviolet and infrared radiation is between 2kW and 14kW, preferably between 4kW and 7kW.
  • the first light source comprises a plurality of light-emitting diodes configured to emit only monochromatic ultraviolet radiation with a wavelength between 200 nm and 405 nm, preferably between 365 nm and 405 nm.
  • the LEDs are combined with infrared radiation.
  • the first light source comprises a plurality of mercury vapor lamps configured to emit broad spectrum ultraviolet (UV) radiation, infrared radiation, and visible light.
  • UV broad spectrum ultraviolet
  • the mercury vapor lamps may be combined with infrared radiation having an infrared radiation wavelength of between 1 pm and 3 pm.
  • the second radiation device comprises a second light source with combined ultraviolet and infrared radiation to complete the polymerization of the deformed monostrand.
  • the exposure time of the deformed single strand to the second light source combining ultraviolet and infrared rays is between 1 s and 6 s, preferably between 1.5 s and 3 s.
  • the power of the second UV and infrared light source is between 100kW and 60kW, preferably between 20kW and 40kW.
  • the second light source comprises a plurality of light-emitting diodes, acronym LED, preferably directed radially towards the deformed single strand, the available wavelengths of which are between 200nm and 405nm, preferably between 365nm and 405nm.
  • the LEDs are combined with infrared radiation.
  • the second light source could comprise a plurality of mercury vapor lamps, the exposure time of the deformed single strand of which is between 1 s and 4 s, preferably between 1.5 s and 2 s, at a power of between 100 kW and 60 kW, preferably between 20 kW and 40 kW.
  • the second light source may include a plurality of mercury vapor lamps configured to emit broad spectrum ultraviolet (UV) radiation, infrared radiation, and visible light.
  • the mercury vapor lamps may be combined with infrared radiation having an infrared radiation wavelength of between 1 pm and 3 pm.
  • the second radiation device comprises an infrared radiation light source configured to emit only infrared radiation, with a wavelength between 1 pm and 3 pm.
  • the duration of exposure of the deformed single strand to the second light source combining infrared radiation alone is between 2s and 8s, preferably between 3s and 4s and the power of this second infrared light source is between 100kW and 60kW, preferably between 20kW and 40kW.
  • the invention relates to a ribbon manufacturing facility comprising the composite element manufacturing facility as described above and a ribbon manufacturing module configured to manufacture a ribbon from a plurality of composite elements manufactured by the facility and a matrix made of polymerizable material, such as a thermoplastic resin.
  • FIG. l very schematically represents an installation for manufacturing a composite element according to the state of the art
  • FIG.2 very schematically represents an installation for manufacturing a composite element according to one embodiment of the invention
  • FIG.3 very schematically represents a mechanical deformation device of the installation of figure 2;
  • FIG.4 illustrates a detailed view of a roller of the mechanical deformation device of Figure 3;
  • FIG.5 is a graph illustrating the variation of the aspect ratio as a function of the power of the ultraviolet lamp of the installation of Figure 2 and of the production speed according to a Bayesian type mathematical model;
  • FIG.6 is a graph illustrating the variation of the aspect ratio as a function of the roller height and the production speed, according to a Bayesian type model; and represents an installation for manufacturing a ribbon comprising composite monostrands from the installation of figure 2 embedded in a thermoplastic matrix.
  • Figure 2 schematically illustrates an installation 100 for manufacturing a very long, elongated EF composite element.
  • Long composite element means a composite element of great length comprising a bundle of fibres multifilament fibers embedded in a composition based on a polymerizable material, which are manufactured continuously from one or more supply reels of multifilament fibers Fi_0 to form a bundle which is driven in translation according to arrow F to successively carry out the impregnation of its fibers with polymerizable material and the polymerization of the material as the bundle moves.
  • multifilament fiber is meant a fiber which comprises several elementary filaments Fi arranged side by side to form a bundle whose elementary fibers are unidirectional while being substantially parallel to each other.
  • Multifilament fibers can be chosen from the group consisting of glass, carbon, silica, ceramic, flax, hemp, basalt, cellulose fibers, etc. These multifilament fibers are used to produce elongated composites made by impregnation of a polymerizable composition of the multifilament fibers.
  • the polymerizable material may be of the thermosetting type, preferably thermocrosslinkable, preferably of the vinylester type.
  • polymerizable material is meant a material comprising, by weight, more than 50%, preferably more than 75%, of organic matter and even more preferably more than 90% of organic matter.
  • this material may be a thermopolymerizable polymeric material, for example based on unsaturated polyester, polyepoxide, phenolic derivative, or aminoplast.
  • the polymerizable material is crosslinked.
  • the polymerizable material is a resin that can be crosslinked by ionizing radiation, the final polymerization being able to be triggered and easily controlled by means of an ionizing treatment, for example of the UV type.
  • the glass transition temperature Tg of the polymerizable material is preferably greater than or equal to 130°C, for example greater than 170°C, preferably greater than or equal to 180°C.
  • the composite element EF is a single strand comprising multifilament fibers embedded in a polymerizable material, such as a thermosetting resin.
  • the EF composite monofilament can take an oval shape with a width between 0.75mm and 2.5mm.
  • the elementary filaments for example, each have an average diameter of between 5 pm and 30 pm.
  • the impregnation chamber 1 14 is completely filled with polymerizable material so that the bundle of multifilament fibers exiting the vacuum chamber 1 13 and passing through it in traveling a linear path is completely impregnated with polymerizable material.
  • the impregnation chamber 114 is, here, associated with a heating device 114b configured to heat the polymerizable material to a temperature between 50°C and 95°C, preferably between 60°C and 80°C.
  • the first radiation device 1 17 comprises a first light source 1 17a which combines ultraviolet radiation 1 17a, abbreviated as UV, and infrared radiation, abbreviated as IR.
  • the exposure time of the impregnated single strand E l to the first light source with combined ultraviolet/infrared radiation is between 0.1 s and 1.5 s, preferably between 0.4 s and 0.7 s.
  • the power of the first light source with combined ultraviolet/infrared radiation is between 2 kW and 14 kW, preferably between 4 kW and 7 kW.
  • the first light source comprises a plurality of light-emitting diodes (not shown), acronym LED, preferably directed radially towards the impregnated single strand E l.
  • the power of LED’s is between 2kW and 14 kW, preferably between 4 kW and 7 kW.
  • the first radiating light source is configured to emit only monochromatic ultraviolet radiation, for example via LEDs, the Available wavelengths are: 365, 385, 395, 405nm, and more generally between 200nm and 405nm.
  • the first radiation device 117 may comprise a guide tube (not referenced) for the impregnated single strand E1 which enters the first radiation device 117.
  • the protection tube is, for example, made of quartz glass, through which the single strand circulates during formation, this tube may be traversed by a current of inert gas, preferably nitrogen.
  • the first 117a LED ultraviolet light source therefore makes it possible to emit radial radiation on the impregnated single strand E1, with or without reflectors to optimize irradiation.
  • the first light source 117a could comprise a plurality of mercury vapor lamps configured to emit broad spectrum ultraviolet (UV) radiation, infrared radiation, and visible light.
  • UV broad spectrum ultraviolet
  • partial polymerization or pre-polymerization is meant that the degree of polymerization of the multifilament fiber bundle has reached between 35% and 65% of complete polymerization.
  • the pre-polymerization step makes it possible to obtain a single strand of pre-polymerized, non-sticky fibers, capable of no longer deforming in the free state while being malleable to be deformed under mechanical stress.
  • the exposure time of the deformed single strand E3 to the second light source combining ultraviolet and infrared rays is between 1 s and 6 s, preferably between 1.5 s and 3 s.
  • the power of the second light source with combined UV and infrared radiation is between 10 kW and 60 kW, preferably between 20 kW and 40 kW.
  • the second light source comprises a plurality of light-emitting diodes (not shown), acronym LED, preferably directed radially towards the deformed single strand E3, the available wavelengths of which are between 200nm and 405nm, preferably between 365nm and 405nm.
  • the second light source could be of only infrared radiation.
  • the second radiation device in this case comprises a light source of only infrared radiation configured to emit only infrared radiation, of wavelength between 1 pm and 3 pm.
  • a third radiation device with a light source with combined ultraviolet and infrared radiation or with infrared radiation alone could be provided between the mechanical deformation device 120 and the second radiation device 118.
  • the mechanical deformation device 120 of the pre-polymerized E2 monostrand is illustrated in detail with reference to FIG. 3.
  • the mechanical deformation device 120 of the pre-polymerized monostrand E2 is configured to plastically deform the pre-polymerized monostrand E2 and obtain a deformed monostrand E3.
  • the mechanical deformation device 120 of the pre-polymerized E2 monostrand comprises a fixed structure 121 and three guide rollers 122, 124, 126 integral with said fixed structure 121 and movable in rotation relative to said fixed structure 21 along a transverse axis Y perpendicular to the longitudinal advancement axis X-X'.
  • the two end rollers 122, 126 are fixed in translation along the vertical axis Z, and the central roller 124, located axially between the two end rollers 122, 126, is movable in translation along the vertical axis Z.
  • the two end rollers 122, 126 are located on the same first axis X2 parallel to the longitudinal advance axis X-X’ and the central roller 124 is located on a second axis X3 parallel to the longitudinal advance axis X-X’ and vertically offset from the first axis X2 by a height H.
  • the central roller 124 is, here, axially located between the two end rollers 122, 126. Alternatively, it could be provided that the central roller 124 is axially closer to the input end roller 122 than to the output end roller 126 or vice versa.
  • Each roller 122, 124, 126 comprises a cylindrical body having a cylindrical outer surface 122a, 124a, 126a in partial contact with the pre-polymerized single strand E2.
  • the pre-polymerized monostrand E2 is intended to come into contact with the end rollers 122, 126 from below and with the central roller 126 from above.
  • a structural inversion could be provided in which the central roller 124 is vertically offset above the end rollers 122, 126.
  • the pre-polymerized monostrand E2 is intended to come into contact with the end rollers 122, 126 from above and with the central roller 126 from below.
  • each roller 122, 124, 126 comprises a cylindrical inner surface 122b, 124b, 126b rotatably mounted on the fixed structure 121, for example via a rolling bearing 122c, 124c, 126c.
  • the axis 127 of the central roller 124 is mounted in a vertical groove 128 making it possible to adjust the height H of the second axis X3 of the central roller 124 and thus to give an oval shape to the pre-polymerized single strand E2.
  • the height H between the second axis X3 and the first axis X2 is between 3mm and 40mm, preferably between 10mm and 30mm.
  • the mechanical deformation device 120 includes an instrument or scraper 129 configured to scrape the polymerizable material deposited on the outer surface 124a of the central roller 124.
  • the scraper 129 is fixed on the axis of rotation of the central roller 124 and fixed in rotation relative to the latter.
  • the scraper comprises a thin blade 129a, preferably metallic, directed towards the outer surface of the corresponding roller, in the direction opposite to the direction of rotation of the roller.
  • the scraper 129 allows continuous cleaning of the rollers, and prevents modification of the contact area between the pre-polymerized single strand and the outer surface of the roller, and consequently deformation of said single strand.
  • the mechanical deformation device 120 here comprises two scrapers each associated respectively with the central roller 124 and the output end roller 126.
  • the deformation device comprises three scrapers each associated with one of the rollers 122, 124, 126 or that it comprises only one scraper associated with one of the central roller 124 or the output end roller 126.
  • the mechanical deformation device 120 of the pre-polymerized E2 monostrand being configured to give an oval shape to the section of said pre-polymerized E2 monostrand.
  • An "oval” shape means a non-circular, elliptical or oblong shape with a width-to-height ratio other than 1.
  • the width/height aspect ratio of the monostrand is modified by varying the height H of the central roller 124.
  • the graph illustrates the variation of the aspect ratio R along the Z axis as a function of the power of the first ultraviolet light source 1 18a along the abscissa axis X and the production speed V along the ordinate axis Y according to a Bayesian type mathematical model.
  • the graph illustrates the variation of the aspect ratio R along the Z axis as a function of the height H of the central roller 124 along the abscissa axis X and the production speed V along the ordinate axis Y, according to a Bayesian type mathematical model.
  • Figure 7 illustrates an installation 200 for manufacturing a “Tape” ribbon comprising the installation 100 for manufacturing a composite element EL as described with reference to Figures 2 to 4 and a module 210 for manufacturing a “Tape” ribbon configured to manufacture a ribbon from a plurality of composite elements (EE)n manufactured by the installation 100 and a matrix made of polymerizable material (not shown), such as a thermoplastic resin.
  • the installation according to the invention makes it possible to continuously produce a deformed composite single strand that does not require post-treatment.
  • Such an installation can easily be implemented on all existing composite reinforcement production lines. Thanks to the mechanical deformation device, it is possible to give an oval shape to the section of the single strand before final polymerization.
  • the oval shape helps reduce the amount of thermoplastic material needed to make the tape, while minimizing its thickness.
  • the oval shape also helps improve the tensile performance of composite single strands in the direction parallel to the composite single strands.
  • the mechanical deformation device according to the invention is easily installed on a production line of composite monostrand of known circular section, after the first UV radiation device.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

Installation (100) de fabrication en continu d'un élément composite longiligne (EF) comportant un faisceau de fibres multifilamentaires imprégné d'une composition à base d'une matière polymérisable, l'installation ( 100) comportant un dispositif de déformation mécanique (120) d'un monobrin (E2) pré-polymérisé dans un premier dispositif à rayonnement (117) disposé en amont d'un deuxième dispositif à rayonnement (118) dans la direction d' avancement du faisceau de fibres multifilamentaires et configuré pour déformer le monobrin pré-polymérisé (E2) et pour conférer une forme ovale à la section dudit monobrin (E2) pré-polymérisé.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Installation de fabrication en continu d’un élément composite longiligne de section ovale et installation de fabrication d’un ruban comprenant une pluralité d’éléments composites longilignes
La présente invention concerne le domaine des renforts à base de matériaux composites.
Plus particulièrement, la présente invention concerne la fabrication en continu de matériaux composites longilignes réalisés par imprégnation d’une composition polymérisable de fibres multifilamentaires.
Plus particulièrement, la présente invention concerne une installation de fabrication de composites sous forme de monobrins comportant des fibres multifilamentaires continues, unidirectionnelles et noyées dans une résine polymérisable.
La présente invention se rapporte plus particulièrement, mais non exclusivement, à la fabrication de monobrins en composite verre résine, d’acronyme « CVR », présentant des hautes propriétés mécaniques.
De tels matériaux composites longilignes peuvent être utilisés sous forme de renforts composites utilisables, notamment, pour le renforcement de produis semi-finis ou d’ articles finis en caoutchouc tels que des bandages pour véhicules, par exemple de type pneumatiques ou non pneumatiques ou encore dans des applications de renfort en béton.
Généralement, en référence à la figure 1 , un dispositif 1 de fabrication d’un monobrin en composite verre-résine comprend une ou plusieurs bobines 10 contenant des fibres de verre 1 1 sous forme de multifilaments et déroulée en continu par entraînement selon la flèche F par un moyen d’ entrainement (non représenté), de manière à réaliser un arrangement rectiligne 12 de ces fibres 1 1.
L ’ arrangement 12 traverse ensuite une chambre à vide 13 disposée entre une buse d’ entrée 13 a et une buse de séparation 13b et une chambre d’imprégnation 14 en aval de la buse de séparation 13b et remplie de composition d’imprégnation 15 à base d’une résine durcissable. Le dispositif 1 comprend en outre une filière de calibrage
16 en sortie de la chambre d’imprégnation 14 de manière à obtenir un monobrin 17 et un dispositif à rayonnement 18 comprenant, par exemple un tube de protection 18a à travers lequel circule le monobrin composite
17 et une pluralité d’irradiateurs UV et/ou IR 18b en ligne afin d’obtenir un monobrin polymérisé 19.
Le contrôle de la géométrie du renfort est un aspect primordial pour faciliter le processus de fabrication de l’objet final et maximiser ses performances.
Traditionnellement, les monobrins en composite connus présentent une section de forme circulaire et sont composés de fibres de verres continues imprégnées d’une matière polymérisable, de préférence photo -polyméris able.
On connait le document EP 1 174 250 - Al qui décrit un procédé de fabrication en continu de monobrins en CVR comportant les étapes suivantes :
- réaliser un arrangement de fibres de verre et entraîner cet arrangement dans une direction d’ avancement ;
- dégazer l’ arrangement de fibres par l’ action de vide dans une chambre à vide ;
- en sortie de la chambre à vide, après dégazage, traverser une chambre d’imprégnation remplie de résine de manière à imprégner ledit arrangement de fibres par une résine à l’ état liquide pour obtenir un imprégné contenant les fibres et la résine ;
- faire passer ledit imprégné au travers d’une filière de calibrage ayant une section de surface et de forme prédéfinies, pour lui imposer une forme de monobrin ; et
- en aval de la filière de calibrage, dans une chambre d’irradiation, stabiliser, solidifier le monobrin par photopolymérisation de la résine dans un dispositif à rayonnement UV et/ou IR.
Il est connu d’intégrer les monobrins composites ainsi obtenus dans une matrice thermoplastique afin d’obtenir des rubans contant plusieurs monobrins composites. Ces rubans sont ensuite utilisés dans un procédé de dépôt automatique de ruban, dit « automatic tape laying » en termes anglo-saxons.
Toutefois, dû à la forme circulaire des monobrins composites, les performances d’un tel ruban en traction dans le sens parallèle aux monobrins composites ne sont pas satisfaisantes.
Ainsi, il existe un besoin de remédier aux inconvénients précités. L ’invention a pour objectif d’ améliorer les performances en traction de rubans comprenant une pluralité de monobrins composites piégés dans une matrice thermoplastique, tout en minimisant l ’épaisseur du ruban et son poids.
La présente invention a pour objet une installation de fabrication en continu d’un élément composite longiligne comportant un faisceau de fibres multifilamentaires imprégné d’une composition à base d’une matière polymérisable.
L ’installation comprend une installation de fabrication en continu d’un élément composite longiligne comportant un faisceau de fibres multifilamentaires imprégné d’une composition à base d’une matière polymérisable, l’installation comportant, dans la direction d’ avancement du faisceau de fibres multifilamentaires :
- un dispositif d’ alimentation configuré pour former un faisceau de fibres multifilamentaires ;
- une chambre de dégazage du faisceau de fibres multifilamentaires ;
- une chambre d’imprégnation remplie d’une composition à base d’une matière polymérisable et configurée pour imprégner ledit faisceau de fibres multifilamentaires dégazé avec ladite composition et former un monobrin imprégné, ladite chambre d’imprégnation étant située en aval de la chambre de dégazage dans la direction d’ avancement du faisceau de fibres multifilamentaires.
L ’installation comprend en outre :
- un premier dispositif à rayonnement à travers lequel circule le monobrin imprégné de matière polymérisable et configuré pour réaliser une polymérisation partielle dudit monobrin imprégné pour former un monobrin pré-polymérisé ; au moins - un deuxième dispositif à rayonnement, séparé et distinct de le premier dispositif à rayonnement configuré pour former un monobrin composite final, et
- un dispositif d’ entrainement en translation configuré pour entrainer en translation le faisceau de fibres multifilamentaires et pour appliquer une tension sur ledit faisceau de fibres multifilamentaires.
L ’installation comprend un dispositif de déformation mécanique du monobrin pré-polymérisé disposé entre le premier dispositif à rayonnement et le deuxième dispositif à rayonnement dans la direction d’ avancement du faisceau de fibres multifilamentaires, ledit dispositif de déformation mécanique du monobrin pré-polymérisé étant configuré pour déformer plastiquement, le monobrin pré-polymérisé et conférer une forme ovale à la section dudit monobrin pré-polymérisé pour former un monobrin déformé.
Ainsi, le monobrin déformé mécaniquement circule à travers le deuxième dispositif à rayonnement afin de réaliser une polymérisation finale dudit monobrin déformé pour former un monobrin composite final.
Le deuxième dispositif à rayonnement est configuré pour réaliser une polymérisation finale du monobrin pré-polymérisé.
Par « polymérisation partielle ou pré polymérisation, on entend que le degré de polymérisation le faisceau de fibres multifilamentaires a atteint entre 35% et 65%, de la polymérisation complète.
A titre nullement limitatif, le degré de polymérisation peut être évalué à l’ aide d’un instrument de mesure de type « DSC », acronyme de « Differential Scanning Calorimetry » en termes anglo-saxons.
L ’ étape de pré-polymérisation permet d’obtenir un monobrin pré-polymérisé, non collant, capable de ne plus se déformer à l’ état libre tout en étant malléable pour être déformé sous contrainte mécanique.
La polymérisation dite « complète » ou « finale » du composite est obtenue lorsque le degré de polymérisation de la matière polymérisable est proche de 100%, de préférence supérieur ou égal à 95% de la polymérisation complète. Le dispositif de déformation mécanique du monobrin pré- polymérisé est configuré pour déformer plastiquement, le monobrin pré- polymérisé et obtenir un monobrin déformé.
Par « déformation plastique », on entend une déformation non réversible.
Grâce au dispositif de déformation mécanique, il est possible de conférer une forme ovale à la section du monobrin avant la polymérisation finale.
La forme ovale permet de réduire la quantité de matière thermoplastique nécessaire à la fabrication du ruban, tout en minimisant son épaisseur.
La forme ovale permet également d’améliorer les performances en traction monobrins composites dans le sens parallèle aux monobrins composites.
En variante, on pourrait prévoir d’ ajouter une troisième source lumineuse à rayonnement ultra-violet disposée entre le dispositif à rayonnement supplémentaire et le dispositif à rayonnement final.
Par « élément composite longiligne », on entend un élément composite de grande longueur comportant un faisceau de fibres multifilamentaires noyées dans une composition à base d’un matière polymérisable, que l’on fabrique de manière continue à partir d’une ou plusieurs bobines d’ alimentation en fibres multifilamentaires pour former un faisceau qui est entrainé en translation pour réaliser successivement l’imprégnation de matière polymérisable de ses fibres et la polymérisation de la matière au fur et à mesure du déplacement du faisceau.
Par « fibre multifilamentaire », on comprend une fibre qui comprend plusieurs filaments élémentaires agencés côte à côte pour former un faisceau dont les fibres élémentaires sont unidirectionnelles en étant sensiblement parallèles entre elles.
Les fibres multifilamentaires peuvent être choisies dans le groupe constitué par les fibres de verre, de carbone, de silice, de céramique, de lin, de chanvre, de basalte, de cellulose, etc .... Ces fibres multifilamentaires sont utilisées pour réaliser des composites longilignes réalisées par imprégnation d’une composition polymérisable des fibres multifilamentaires.
La matière polymérisable peut être du type thermodurcissable, de préférence thermoréticulable, de préférence de type vinylester. Par matière polymérisable, on entend une matière comportant, en poids, plus de 50% de préférence plus de 75%, de matière organique, et encore plus préférentiellement plus de 90% de matière organique.
Ainsi, cette matière peut être une matière polymérique thermopolymérisable par exemple à base de polyester insaturé, de polyépoxide, de dérivé phénolique, ou d’ aminoplaste. De préférence, la matière polymérisable est réticulée.
Par exemple, la matière polymérisable est une résine réticulable par rayonnement ionisant, la polymérisation finale pouvant être déclenchée et contrôlée aisément au moyen d’un traitement ionisant, par exemple de type UV.
La température Tg de transition vitreuse de la matière polymérisable est de préférence supérieure ou égale à 130°C, par exemple supérieure à 170°C, de préférence supérieure ou égale à 180°C.
Par exemple, l’ élément composite final est un monobrin comportant des fibres multifilamentaires noyées dans une matière polymérisable, telle qu’une résine thermodurcissable.
Le monobrin composite final peut prendre une forme ovale de largeur compris entre 0.75mm et 2.5mm.
Les filaments élémentaires ont, par exemple, chacun un diamètre moyen compris entre 5 pm et 30pm.
Le dispositif d’ entraînement est, par exemple, du type comportant un tambour de traction motorisé permettant d’enrouler l’ élément composite autour de son axe ou comportant deux tambours motorisés se faisant face, en étant espacés d’une distance correspondante au moins égale à l’ épaisseur de l’ élément composite et qui tournent en sens contraires pour entraîner l’ élément composite final, par friction, en un mouvement de translation, en le faisant passer dans l’ espace situé entre les deux tambours. En variante, on pourrait utiliser tout dispositif d’ entraînement pour mettre en mouvement le faisceau de fibres multifilamentaires selon une direction d’avancement.
Avantageusement, le dispositif de déformation mécanique comprend au moins deux premiers rouleaux d’ extrémités et un rouleau central situé axialement entre les deux rouleaux d’ extrémité et décalé desdits rouleaux d’ extrémité verticalement d’une distance selon l ’axe vertical perpendiculaire à la direction d’ avancement, lesdits rouleaux, et notamment leur surface cylindrique extérieure, étant en contact partiel avec le monobrin pré-polymérisé.
Le dispositif de déformation mécanique comprend trois rouleaux sur lesquels le monobrin imprégné et pré-polymérisé par la première source UV se déforme grâce à la tension appliquée sur ledit monobrin par le dispositif d’ entrainement et le décalage vertical du rouleau central.
Le rapport d’ aspect largeur/hauteur est modifié en faisant varier la hauteur du rouleau central.
La polymérisation de la matière polymérisable est ensuite terminée lors du passage à travers les lampes UV placées après le dispositif de déformation mécanique.
Le monobrin pré-polymérisé est destiné à venir en contact avec les rouleaux d’ extrémité par le dessous et avec le rouleau central par le dessus.
Par exemple, le dispositif de déformation mécanique comprend une structure fixe, lesdits rouleaux étant solidaires de ladite structure fixe, les rouleaux d’ extrémités étant fixes en translation par rapport à ladite structure fixe et le rouleau central est mobile en translation selon l’ axe vertical.
Les rouleaux ont, par exemple, un diamètre compris entre 30mm et 70mm, de préférence égal à 50mm.
Le rouleau central est, de préférence, monté sur un axe coulissant dans une rainure verticale pratiquée sur la structure fixe.
Selon un mode de réalisation, les rouleaux sont mobiles en rotation selon un axe transversal perpendiculaire à l’ axe d’ avancement et à l’axe vertical par rapport à la structure fixe. Par exemple, les deux rouleaux d’ extrémités sont situés sur un même axe premier parallèle à l’ axe d’avancement longitudinal.
La hauteur entre l’ axe du rouleau central et l’ axe des rouleaux d’ extrémité est, par exemple, comprise entre 4mm et 40mm, de préférence entre 10mm et 30mm.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend au moins un instrument ou racloir associé à un des rouleaux et configuré pour racler la matière polymérisable déposée sur la surface extérieure du rouleau correspondant.
Le racloir est, avantageusement, fixé sur l’ axe de rotation du rouleau correspondant est fixe en rotation par rapport à celui-ci.
Le racloir permet de nettoyer en continu les rouleaux, et évite la modification de l’ aire de contact entre le monobrin pré-polymérisé et la surface extérieure du rouleau, et par conséquent la déformation dudit monobrin.
Le dispositif de déformation mécanique comprend, par exemple, deux racloirs associés chacun respectivement au rouleau central et au rouleau d’extrémité de sortie.
En variante, on pourrait prévoir que le dispositif de déformation comprenne trois racloirs associés chacun à un des rouleaux ou qu’il ne comprenne qu’un seul racloir associé à l’un du rouleau central ou du rouleau d’extrémité de sortie.
Le racloir se présente sous la forme d’une lame fine, de préférence métallique, dirigée vers la surface extérieure du rouleau correspondant, dans le sens opposé au sens de rotation du rouleau.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend un dispositif de chauffage associé à la chambre d’imprégnation et configuré pour chauffer la matière polymérisable présente dans ladite chambre d’imprégnation à une température comprise entre 50°C et 95°C, de préférence entre 60°C et 80°C .
En variante, on pourrait prévoir que l’installation ne comprenne pas un tel dispositif de chauffage. Selon un mode de réalisation, le premier dispositif à rayonnement comprend une première source lumineuse à rayonnement ultra-violet, d’ acronyme UV.
Selon un mode de réalisation, le premier dispositif à rayonnement comprend une première source lumineuse qui combine un rayonnement ultra-violet, d’ acronyme UV et un rayonnement infrarouge, d’ acronyme IR.
La durée d’ exposition du monobrin imprégné à la première source lumineuse à rayonnement combiné ultra-violet et infrarouge est comprise entre 0.1 s et 1.5s, de préférence entre 0.4s et 0.7s.
La puissance de la première source lumineuse à rayonnement combiné ultra-violet et infrarouge est comprise entre 2kW et 14kW, de préférence entre 4kW et 7kW.
Selon un mode de réalisation, la première source lumineuse comprend une pluralité de diodes électroluminescentes configurée pour émettre uniquement un rayonnement ultraviolet, monochromatique, de longueur d’onde comprise entre 200nm et 405nm, de préférence entre 365 nm et 405nm. Dans ce cas, les LEDs sont combinées avec un rayonnement infrarouge.
Selon un autre mode de réalisation, la première source lumineuse comprend une pluralité de lampes à vapeur de mercure configurée pour émettre un rayonnement ultraviolet à large spectre UV, un rayonnement infrarouge et une lumière visible. Les lampes à vapeur de mercure peuvent être combinées avec un rayonnement infrarouge de longueur d’onde du rayonnement infrarouge comprise entre I pm et 3 pm.
Selon un mode de réalisation, le deuxième dispositif à rayonnement comprend une deuxième source lumineuse à rayonnement combiné ultra-violet et infrarouge pour terminer la polymérisation du monobrin déformé.
La durée d’ exposition du monobrin déformé à la deuxième source lumineuse combinant des rayons ultraviolets et infrarouges est comprise entre 1 s et 6s, de préférence entre 1.5s et 3s.
La puissance de la deuxième source lumineuse UV et infrarouge est comprise entre l OkW et 60kW, de préférence entre 20kW et 40kW. Selon une variante, la deuxième source lumineuse comprend une pluralité de diodes électroluminescentes, d’ acronyme LED, de préférence dirigées radialement vers le monobrin déformé, dont les longueurs d’ondes disponibles sont comprises entre 200nm et 405nm, de préférence entre 365nm et 405nm. Dans ce cas, les LEDs sont combinées avec un rayonnement infrarouge.
Selon une autre variante, la deuxième source lumineuse pourrait comprendre une pluralité de lampes à vapeur de mercure, dont la durée d’ exposition du monobrin déformé est comprise entre 1 s et 4s, de préférence entre 1.5s et 2s, à une puissance comprise entre l OkW et 60kW, de préférence entre 20kW et 40kW.
Selon une variante, la deuxième source lumineuse pourrait comprendre une pluralité de lampes à vapeur de mercure configurée pour émettre un rayonnement ultraviolet à large spectre UV, un rayonnement infrarouge et une lumière visible. Les lampes à vapeur de mercure peuvent être combinées avec un rayonnement infrarouge de longueur d’onde du rayonnement infrarouge comprise entre I pm et 3 pm.
Selon encore une autre variante, on pourrait prévoir que le deuxième dispositif à rayonnement comprenne une source lumineuse à rayonnement infrarouge configurée pour émettre uniquement un rayonnement infrarouge, de longueur d’onde comprise entre I pm et 3 pm.
Dans ce cas, la durée d’ exposition du monobrin déformé à la deuxième source lumineuse combinant un rayonnement infrarouge seul est comprise entre 2s et 8s, de préférence entre 3s et 4s et la puissance de cette deuxième source lumineuse infrarouge est comprise entre l OkW et 60kW, de préférence entre 20kW et 40kW.
Selon un second aspect, l’invention concerne une installation de fabrication d’un ruban comprenant l’installation de fabrication d’un élément composite tel que décrit précédemment et un module de fabrication d’un ruban configurée pour fabriquer un ruban à partir d’une pluralité d’ éléments composites fabriqués par l’installation et d’une matrice en matière polymérisable, telle qu’une résine thermoplastique. D ’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. l ] représente très schématiquement une installation de fabrication d’un élément composite selon l ’état de la technique ;
[Fig.2] représente très schématiquement une installation de fabrication d’un élément composite selon un mode de réalisation de l’invention ;
[Fig.3 ] représente très schématiquement un dispositif de déformation mécanique de l’installation de la figure 2 ;
[Fig.4] illustre une vue de détails d’un rouleau du dispositif de déformation mécanique de la figure 3 ;
[Fig.5 ] est un graphique illustrant la variation du rapport d’ aspect en fonction de la puissance de la lampe à rayonnement ultraviolet de l ’installation de la figure 2 et de la vitesse de production selon un modèle mathématique de type bayésien ;
[Fig.6] est un graphique illustrant la variation du rapport d’ aspect en fonction de la hauteur du rouleau et de la vitesse de production, selon un modèle de type bayésien ; et
Figure imgf000013_0001
représente une installation de fabrication d’un ruban comprenant des monobrins composites issus de l’installation de la figure 2 noyés dans une matrice thermoplastique.
La figure 2 illustre de manière schématique une installation 100 de fabrication d’un élément composite EF longiligne de grande longueur.
Par « élément composite longiligne », on entend un élément composite de grande longueur comportant un faisceau de fibres multifilamentaires noyées dans une composition à base d’un matière polymérisable, que l’on fabrique de manière continue à partir d’une ou plusieurs bobines d’ alimentation en fibres multifilamentaires Fi_0 pour former un faisceau qui est entrainé en translation selon la flèche F pour réaliser successivement l’imprégnation de matière polymérisable de ses fibres et la polymérisation de la matière au fur et à mesure du déplacement du faisceau.
Par « fibre multifilamentaire », on comprend une fibre qui comprend plusieurs filaments élémentaires Fi agencés côte à côte pour former un faisceau dont les fibres élémentaires sont unidirectionnelles en étant sensiblement parallèles entre elles.
Les fibres multifilamentaires peuvent être choisies dans le groupe constitué par les fibres de verre, de carbone, de silice, de céramique, de lin, de chanvre, de basalte, de cellulose, etc .... Ces fibres multifilamentaires sont utilisées pour réaliser des composites longilignes réalisées par imprégnation d’une composition polymérisable des fibres multifilamentaires.
La matière polymérisable peut être du type thermodurcissable, de préférence thermoréticulable, de préférence de type vinylester. Par matière polymérisable, on entend une matière comportant, en poids, plus de 50% de préférence plus de 75%, de matière organique et encore plus préférentiellement plus de 90% de matière organique.
Ainsi, cette matière peut être une matière polymérique thermopolymérisable par exemple à base de polyester insaturé, de polyépoxide, de dérivé phénolique, ou d’ aminoplaste. De préférence, la matière polymérisable est réticulée.
Par exemple, la matière polymérisable est une résine réticulable par rayonnement ionisant, la polymérisation finale pouvant être déclenchée et contrôlée aisément au moyen d’un traitement ionisant, par exemple de type UV.
La température Tg de transition vitreuse de la matière polymérisable est de préférence supérieure ou égale à 130°C, par exemple supérieure à 170°C, de préférence supérieure ou égale à 180°C. Dans l’ exemple illustré sur les figures, l’ élément composite EF est un monobrin comportant des fibres multifilamentaires noyées dans une matière polymérisable, telle qu’une résine thermodurcissable.
Le monobrin composite EF peut prendre une forme ovale de larguer compris entre 0.75mm et 2.5 mm.
Les filaments élémentaires ont, par exemple, chacun un diamètre moyen compris entre 5 pm et 30pm.
Tel qu’illustré sur la figure 2, l’installation 100 de fabrication comprend, dans la direction d’ avancement du faisceau de fibres multifilamentaires selon la flèche F :
- un dispositif d’ alimentation 1 1 1 comprenant ici une ou plusieurs bobines 1 12 d’ alimentation en filaments élémentaires Fi_0 pour former un faisceau de fibres multifilamentaires E0,
- une chambre à vide 1 13 ou chambre de dégazage disposée entre une buse d’ entrée 1 13a et une buse de séparation 1 13b ;
- une chambre d’imprégnation 1 14 en aval de chambre à vide 1 13 et notamment de la buse de séparation 1 13b et remplie d’une composition d’imprégnation 1 15 à base d’une matière polymérisable ;
- une filière de calibrage 1 16 en sortie de la chambre d’imprégnation 1 14 de manière à obtenir un monobrin E l imprégné de matière polymérisable ;
- un premier dispositif à rayonnement 1 17 à travers lequel circule le monobrin E l imprégné de matière polymérisable et configuré pour réaliser une polymérisation partielle ou intermédiaire pour former un monobrin E2 pré-polymérisé ;
- un dispositif de déformation mécanique 120 du monobrin E2 pré-polymérisé disposé en aval du premier dispositif à rayonnement 1 17 et configuré pour conférer une forme ovale à la section dudit monobrin E2 pré-polymérisé et former un monobrin déformé E3 ;
- un deuxième dispositif à rayonnement 1 18 ou dispositif à rayonnement final, distinct du premier dispositif à rayonnement 1 17, à travers lequel circule le monobrin E3 déformé et configuré pour réaliser une polymérisation finale pour former un monobrin composite final EF ; et - un dispositif D d’entrainement en translation selon la flèche F configuré pour entrainer en translation le faisceau de fibres multifilamentaires pour réaliser successivement le dégazage, l’imprégnation de matière polymérisable de ses fibres et la polymérisation de la matière au fur et à mesure du déplacement du faisceau.
La chambre à vide 1 13 , la chambre d’imprégnation 1 14, la filière de calibrage 1 16, le premier dispositif à rayonnement 1 17 et le deuxième dispositif à rayonnement 1 18 sont agencés selon un même axe correspondant à l’ axe longitudinal X-X’ de l’installation 100 dans la direction longitudinale X.
De manière générale, les fibres sont livrées par une ou plusieurs bobines 1 12, appelées « rovings » en termes anglo-saxons. Le faisceau, en provenance du dispositif d’ alimentation 1 1 1 , traverse l’installation en avançant dans la direction de la flèche F, en étant mis en mouvement par le dispositif d’ entraînement D situé en sortie du dispositif.
Chaque bobine 1 12 permet d’ alimenter une fibre multifilamentaire. Si l’installation 100 comporte deux fibres multifilamentaires, le dispositif d’ alimentation 1 1 1 comprend deux bobines.
Le dispositif d’ entraînement D est, par exemple, du type comportant un tambour de traction motorisé permettant d’enrouler l’ élément composite autour de son axe ou comportant deux tambours motorisés se faisant face, en étant espacés d’une distance correspondante au moins égale à l’ épaisseur de l’ élément composite et qui tournent en sens contraires pour entraîner l’ élément composite EF, par friction, en un mouvement de translation, en le faisant passer dans l’ espace situé entre les deux tambours. En variante, on pourrait utiliser tout dispositif d’ entraînement pour mettre en mouvement le faisceau de fibres multifilamentaires selon une direction d’avancement.
La chambre à vide 1 13 est, de manière connue en soi, délimitée par une buse d’ entrée 1 13a, rigide, munie d’un ou plusieurs orifices traversant et une buse de séparation 1 13b, rigide, munie également d’un ou plusieurs orifices traversant situé axialement en regard du ou des orifices de la buse d’ entrée 1 13a.
Le faisceau de fibres multifilamentaires EO est introduit dans la chambre à vide 1 13 en le faisant passer par l’orifice de la buse d’ entrée 1 13a et en ressortent par le ou les orifices traversant de la buse de séparation 1 13b.
La chambre à vide 1 13 est reliée à une pompe à vide (non représentée) qui maintient un niveau de pression d’environ O. lbar dans la chambre à vide 1 13 , malgré le passage de faisceau de fibres multifilamentaires EO à travers le ou les orifices ayant un diamètre supérieur à ceux du faisceau de fibres multifilamentaires EO qui les traverse.
La chambre à vide 1 13 permet de dégazer le faisceau de fibres multifilamentaires EO par l ’action du vide et ainsi de renforcer l’ efficacité de l’imprégnation ultérieure et surtout de garantir l’ absence de bulles à l’intérieur du monobrin composite final.
Après traversée de la chambre à vide 1 13 , le faisceau de fibres multifilamentaires EO entre dans une chambre d’imprégnation 1 14 qui est totalement pleine de matière polymérisable d’imprégnation, donc dépourvue d’ air.
La chambre d’imprégnation 1 14 est une enceinte étanche à l’ air, délimitée par la buse de séparation 1 13b et une buse de calibrage 1 16, rigide, munie également d’un orifice traversant situé axialement en regard de l’orifice de la buse de séparation 1 13b.
La chambre d’imprégnation 1 14 est alimentée en matière polymérisable 1 15 provenant d’un réservoir extérieur (non représenté) via un tuyau d’ entrée 1 15a, ici située en partie supérieure de ladite chambre d’imprégnation 1 14.
La chambre d’imprégnation 1 14 peut également comprendre, par exemple sur sa partie inférieure, un tuyau d’ évacuation (non représentée) de la matière polymérisable.
La chambre d’imprégnation 1 14 est totalement remplie de matière polymérisable de manière à ce que le faisceau de fibres multifilamentaires sortant de la chambre à vide 1 13 et qui la traverse en parcourant un traj et linéaire soit complètement imprégné de matière polymérisable.
La chambre d’imprégnation 1 14 est, ici, associée à un dispositif de chauffage 1 14b configuré pour chauffer la matière polymérisable à une température comprise entre 50°C et 95°C, de préférence entre 60°C et 80°C .
Ainsi, le faisceau de fibres multifilamentaires imprégné sort de la chambre d’imprégnation 1 14 à une température comprise entre 50°C et 95°C, de préférence entre 60°C et 80°C avant de traverser les dispositifs de polymérisation 1 17, 1 18.
En variante, on pourrait ne pas prévoir un tel dispositif de chauffage 1 14b.
La filière de calibrage 1 16 comprend ici une buse de calibrage configurée pour mettre en forme le faisceau de fibres multifilamentaires sortant de la chambre d’imprégnation 1 14 pour former un monobrin imprégné E l .
Le premier dispositif à rayonnement 1 17 comprend une première source lumineuse 1 17a qui combine un rayonnement 1 17a ultra-violet, d’ acronyme UV et infrarouge, d’ acronyme IR.
La durée d’ exposition du monobrin imprégné E l à la première source lumineuse à rayonnement combiné ultra-violet / infrarouge est comprise entre 0.1 s et 1.5s, de préférence entre 0.4s et 0.7s.
La puissance de la première source lumineuse à rayonnement combiné ultra-violet / infrarouge est comprise entre 2 kW et 14 kW, de préférence entre 4 kW et 7 kW.
Par exemple, la première source lumineuse comprend une pluralité de diodes électroluminescentes (non représentées), d’ acronyme LED, de préférence dirigées radialement vers le monobrin imprégné E l .
Par exemple, la puissance de LED ’ s est comprise entre 2kW et 14 kW, de préférence entre 4 kW et 7 kW.
Encore selon une autre variante, la première source lumineuse à rayonnement est configurée pour émettre uniquement un rayonnement ultraviolet, monochromatique, par exemple via des LEDs, dont les longueurs d’ondes disponibles sont les suivantes : 365 , 385 , 395 , 405nm, et plus généralement comprises entre 200nm et 405nm.
De manière nullement limitative, le premier dispositif à rayonnement 1 17 peut comprendre un tube de guidage (non référencé) du monobrin imprégné E l qui entre dans le premier dispositif à rayonnement 1 17. Le tube de protection est, par exemple en verre de quartz, à travers lequel circule le monobrin en cours de formation, ce tube peut être parcouru par un courant de gaz inerte, de préférence de l’ azote.
La première source lumineuse à rayonnement ultra-violet 1 17a à LEDs permet donc d’ émettre un rayonnement radial sur le monobrin imprégné E l , avec ou sans réflecteurs pour optimiser l ’irradiation.
Selon encore une autre variante, la première source lumineuse 1 17a pourrait comprendre une pluralité de lampes à vapeur de mercure configurée pour émettre un rayonnement ultraviolet à large spectre UV, un rayonnement infrarouge et une lumière visible.
Le premier dispositif à rayonnement 1 17 est configurée pour polymériser partiellement ou pré polymériser le monobrin imprégné E l et délivrer un monobrin de fibres multifilamentaires imprégné pré polymérisé E2.
Par « polymérisation partielle ou pré polymérisation, on entend que le degré de polymérisation du faisceau de fibres multifilamentaires a atteint entre 35% et 65%, de la polymérisation complète.
L ’ étape de pré-polymérisation permet d’obtenir un monobrin de fibres pré-polymérisé, non collant, capable de ne plus se déformer à l’ état libre tout en étant malléable pour être déformé sous contrainte mécanique.
Le deuxième dispositif à rayonnement 1 18 ou dispositif à rayonnement final comprend une deuxième source lumineuse 1 18a à rayonnement combiné ultra-violet et infrarouge ou à rayonnement infrarouge seul configurée pour terminer la polymérisation du faisceau de fibres multifilamentaires imprégné pré polymérisé et déformé, appelé monobrin déformé E3. La polymérisation complète du composite est obtenue lorsque le degré de polymérisation de la matière polymérisable est proche de 100%, de préférence supérieur ou égal à 95 %.
La durée d’exposition du monobrin déformé E3 à la deuxième source lumineuse combinant des rayons ultraviolets et infrarouges est comprise entre 1 s et 6s, de préférence entre 1 .5 s et 3 s.
La puissance de la deuxième source lumineuse à rayonnement combiné UV et infrarouge est comprise entre 10 kW et 60 kW, de préférence entre 20 kW et 40 kW.
Selon une variante, la deuxième source lumineuse comprend une pluralité de diodes électroluminescentes (non représentées), d’ acronyme LED, de préférence dirigées radialement vers le monobrin déformé E3 , dont les longueurs d’ondes disponibles sont comprises entre 200nm et 405nm, de préférence entre 365nm et 405nm.
Selon une autre variante, la deuxième source lumineuse 1 18a pourrait comprendre une pluralité de lampes à vapeur de mercure, dont la durée d’ exposition du monobrin déformé est comprise entre 1 s et 4 s, de préférence entre 1 .5 s et 2 s, à une puissance comprise entre 10 kW et 60 kW, de préférence entre 20 kW et 40 kW.
Selon une variante, la deuxième source lumineuse 1 18a pourrait comprendre une pluralité de lampes à vapeur de mercure configurée pour émettre un rayonnement ultraviolet à large spectre UV, un rayonnement infrarouge et une lumière visible et une pluralité de lampes de longueur d’onde du rayonnement infrarouge comprise entre 1 pm et 3 pm.
Selon encore une autre variante, la deuxième source lumineuse pourrait être à uniquement rayonnement infrarouge. Le deuxième dispositif à rayonnement comprend dans ce cas une source lumineuse à rayonnement infrarouge seul configurée pour émettre uniquement un rayonnement infrarouge, de longueur d’onde comprise entre I pm et 3 pm.
Dans ce cas, la durée d’ exposition du monobrin déformé E3 à la deuxième source lumineuse combinant un rayonnement infrarouge seul est comprise entre 2s et 8s, de préférence entre 3s et 4s et la puissance de cette deuxième source lumineuse infrarouge est comprise entre l OkW et 60kW, de préférence entre 20kW et 40kW.
En variante, on pourrait prévoir un troisième dispositif à rayonnement à source lumineuse à rayonnement combiné ultra-violet et infrarouge ou à rayonnement infrarouge seul entre le dispositif de déformation mécanique 120 et le deuxième dispositif à rayonnement 1 18.
Le dispositif de déformation mécanique 120 du monobrin E2 pré- polymérisé est illustré en détails en référence à la figure 3.
Le dispositif de déformation mécanique 120 du monobrin E2 pré- polymérisé est configuré pour déformer plastiquement, le monobrin E2 pré-polymérisé et obtenir un monobrin déformé E3.
Tel qu’illustré, le dispositif de déformation mécanique 120 du monobrin E2 pré-polymérisé comprend une structure fixe 121 et trois rouleaux de guidage 122, 124, 126 solidaires de ladite structure fixe 121 et mobiles en rotation par rapport à ladite structure fixe 21 selon un axe transversal Y perpendiculaire à l’ axe d’ avancement longitudinal X-X’ .
Les deux rouleaux d’ extrémités 122, 126 sont fixes en translation selon l’axe vertical Z, et le rouleau central 124, situé axialement entre les deux rouleaux d’ extrémités 122, 126 est mobile en translation selon l’axe vertical Z.
Les deux rouleaux d’extrémités 122, 126 sont situés sur un même axe premier X2 parallèle à l’ axe d’ avancement longitudinal X-X’ et le rouleau central 124 est situé sur un deuxième axe X3 parallèle à l’ axe d’ avancement longitudinal X-X’ et décalé verticalement du premier axe X2 d’une hauteur H.
Le rouleau central 124 est, ici, axialement situé entre les deux rouleaux d’ extrémité 122, 126. En variante, on pourrait prévoir que le rouleau central 124 soit plus proche axialement du rouleau d’ extrémité d’ entrée 122 que du rouleau d’ extrémité de sortie 126 ou vice-versa.
Chaque rouleau 122, 124, 126 comprend un corps cylindrique présentant une surface extérieure cylindrique 122a, 124a, 126a en contact partiel avec le monobrin pré-polymérisé E2. Le monobrin pré-polymérisé E2 est destiné à venir en contact avec les rouleaux d’extrémité 122, 126 par le dessous et avec le rouleau central 126 par le dessus.
En variante, on pourrait prévoir une inversion structurelle dans laquelle le rouleau central 124 est décalé verticalement au-dessus des rouleaux d’ extrémités 122, 126. Dans cette configuration, le monobrin pré-polymérisé E2 est destiné à venir en contact avec les rouleaux d’ extrémité 122, 126 par le dessus et avec le rouleau central 126 par le dessous.
Le corps cylindrique de chaque rouleau 122, 124, 126 comprend une surface intérieure cylindrique 122b, 124b, 126b montée à rotation sur la structure fixe 121 , par exemple via un palier à roulement 122c, 124c, 126c.
En référence à la figure 4, l’ axe 127 du rouleau central 124 est monté dans une rainure verticale 128 permettant de régler la hauteur H de le deuxième axe X3 du rouleau central 124 et ainsi de conférer une forme ovale au monobrin pré-polymérisé E2.
La hauteur H entre le deuxième axe X3 et le premier axe X2 est comprise entre 3mm et 40mm, de préférence entre 10mm et 30mm.
Tel qu’illustré sur la figure 4, le dispositif 120 de déformation mécanique comprend un instrument ou racloir 129 configuré pour racler la matière polymérisable déposée sur la surface extérieure 124a du rouleau central 124.
Le racloir 129 est fixé sur l’ axe de rotation du rouleau central 124 est fixe en rotation par rapport à celui-ci.
Le racloir comprend une lame fine 129a, de préférence métallique, dirigée vers la surface extérieure du rouleau correspondant, dans le sens opposé au sens de rotation du rouleau.
Le racloir 129 permet de nettoyer en continu les rouleaux, et évite la modification de l’ aire de contact entre le monobrin pré- polymérisé et la surface extérieure du rouleau, et par conséquent la déformation dudit monobrin.
Le dispositif 120 de déformation mécanique comprend ici deux racloirs associés chacun respectivement au rouleau central 124 et au rouleau d’ extrémité de sortie 126. En variante, on pourrait prévoir que le dispositif de déformation comprenne trois racloirs associés chacun à un des rouleaux 122, 124, 126 ou qu’il ne comprenne qu’un seul racloir associé à l ’un du rouleau central 124 ou du rouleau d’ extrémité de sortie 126.
Le dispositif de déformation mécanique 120 du monobrin E2 pré- polymérisé étant configuré pour conférer une forme ovale à la section dudit monobrin E2 pré-polymérisé.
Par forme « ovale », on entend une forme non circulaire, elliptique ou oblongue dont le rapport largeur/hauteur est différent de 1.
Le rapport d’ aspect largeur/hauteur du monobrin est modifié en faisant varier la hauteur H du rouleau central 124.
On retrouve deux graphiques illustrés le rapport d’ aspect sur les figures 5 et 6.
Sur la figure 5 , le graphique illustre la variation du rapport d’ aspect R selon l’ axe Z en fonction de la puissance de la première source lumineuse à rayonnement ultraviolet 1 18a selon l’ axe des abscisses X et de la vitesse V de production selon l’ axe des ordonnées Y selon un modèle mathématique de type bayésien.
Plus le rapport d’ aspect R est grand, plus la nuance de gris est foncée.
Sur la figure 6, le graphique illustre la variation du rapport d’ aspect R selon l’ axe Z en fonction de la hauteur H du rouleau central 124 selon l’ axe des abscisses X et de la vitesse V de production selon l’ axe des ordonnées Y, selon un modèle mathématique de type bayésien.
Il en ressort qu’il existe un set de paramètres optimal.
La figure 7 illustré une installation 200 de fabrication d’un ruban « Tape » comprenant l’installation 100 de fabrication d’un élément composite EL tel que décrit en référence aux figures 2 à 4 et un module 210 de fabrication d’un ruban « Tape » configurée pour fabriquer un ruban à partir d’une pluralité d’ éléments composites (EE)n fabriqués par l’installation 100 et d’une matrice en matière polymérisable (non représentée), telle qu’une résine thermoplastique. L ’installation selon l’invention permet de réaliser en continu un monobrin en composite déformé et ne nécessitant pas de post-traitement.
Une telle installation peut facilement s’implanter sur toute les lignes de productions de renforts composites existants. Grâce au dispositif de déformation mécanique, il est possible de conférer une forme ovale à la section du monobrin avant la polymérisation finale.
La forme ovale permet de réduire la quantité de matière thermoplastique nécessaire à la fabrication du ruban, tout en minimisant son épaisseur.
La forme ovale permet également d’améliorer les performances en traction monobrins composites dans le sens parallèle aux monobrins composites.
Le dispositif de déformation mécanique selon l’invention s’installe facilement sur une ligne de production de monobrin composite de section circulaire connue, après le premier dispositif à rayonnement UV.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation ( 100) de fabrication en continu d’un élément composite longiligne (EF) comportant un faisceau de fibres multifilamentaires imprégné d’une composition à base d’une matière polymérisable, l’installation ( 100) comportant, dans la direction d’ avancement (X-X’) du faisceau de fibres multifilamentaires :
- un dispositif d’ alimentation ( 1 1 1 ) configuré pour former un faisceau de fibres multifilamentaires (E0) ; une chambre de dégazage (1 13) du faisceau de fibres multifilamentaires (E0) ;
- une chambre d’imprégnation ( 1 14) remplie d’une composition à base d’une matière polymérisable et configurée pour imprégner ledit faisceau de fibres multifilamentaires (E0) dégazé avec ladite composition et former un monobrin imprégné (E l ), ladite chambre ( 1 14) d’imprégnation étant située en aval de la chambre de dégazage dans la direction d’ avancement du faisceau de fibres multifilamentaires ; et
- un premier dispositif à rayonnement ( 1 17) à travers lequel circule le monobrin imprégné (E l ) de matière polymérisable et configuré pour réaliser une polymérisation partielle pour former un monobrin (E2) pré- polymérisé ; et au moins
- un deuxième dispositif à rayonnement ( 1 18), séparé et distinct du premier dispositif à rayonnement ( 1 17) configuré pour former un monobrin composite final (EF), et
- un dispositif (D) d’ entrainement en translation configuré pour entrainer en translation le faisceau de fibres multifilamentaires et pour appliquer une tension sur ledit faisceau de fibres multifilamentaires, caractérisée en ce qu’ elle comprend un dispositif de déformation mécanique ( 120) du monobrin (E2) pré-polymérisé disposé entre le premier dispositif à rayonnement (1 17) et le deuxième dispositif à rayonnement ( 1 18) dans la direction d’ avancement du faisceau de fibres multifilamentaires, ledit dispositif de déformation mécanique (120) du monobrin (E2) pré-polymérisé étant configuré pour déformer plastiquement le monobrin pré-polymérisé (E2) et conférer une forme ovale à la section dudit monobrin (E2) pré-polymérisé et former un monobrin déformé (E3), caractérisé en ce que le dispositif de déformation mécanique (120) comprend au moins deux premiers rouleaux (122, 126) d’extrémités et un rouleau central (124) situé axialement entre les deux rouleaux d’extrémité (122, 126) et décalé desdits rouleaux d’extrémité (122, 126) verticalement d’une distance (H) selon l’axe vertical (Z) perpendiculaire à la direction d’avancement (X-X’), lesdits rouleaux (122, 124, 126) étant en contact partiel avec le monobrin pré-polymérisé (E2), le monobrin imprégné et pré-polymérisé par la première source UV étant configuré pour se déformer grâce à la tension appliquée sur ledit monobrin par le dispositif d’entrainement et le décalage vertical du rouleau central.
2. Installation (100) selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de déformation mécanique (120) comprend une structure fixe 121, lesdits rouleaux (122, 124, 126) étant solidaires de ladite structure fixe (121), les rouleaux d’extrémités (122, 126) étant fixes en translation par rapport à ladite structure fixe (121) et le rouleau central (124) est mobile en translation selon l’axe vertical (Z).
3. Installation (100) selon la revendication 2, dans laquelle le rouleau central (124) est monté sur un axe (127) coulissant dans une rainure verticale (128) pratiquée sur la structure fixe (121).
4. Installation (100) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle les rouleaux (122, 124, 126) sont mobiles en rotation selon un axe transversal (Y) perpendiculaire à l’axe d’avancement longitudinal (X-X’) et à l’axe vertical (Z) par rapport à la structure fixe (121).
5. Installation (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les deux rouleaux d’extrémités (122, 126) sont situés sur un même axe premier (X2) parallèle à l’axe d’avancement longitudinal (X-X’).
6. Installation (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la hauteur (H) entre l’axe du rouleau central (124) et l’axe des rouleaux d’extrémité (122, 124) est comprise entre 4mm et 40mm, de préférence entre 10mm et 30mm.
7. Installation ( 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un racloir ( 129) associé à un des rouleaux ( 122, 124, 126) et configuré pour racler la matière polymérisable déposée sur la surface extérieure ( 122a, 124a, 126a) du rouleau correspondant (122, 124, 126).
8. Installation ( 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de chauffage ( 1 14b) associé à la chambre d’imprégnation ( 1 14) et configuré pour chauffer la matière polymérisable présente dans ladite chambre d’imprégnation ( 1 14) à une température comprise entre 50°C et 95°C, de préférence de 60°C à 80°C .
9. Installation ( 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier dispositif à rayonnement ( 1 17) comprend une première source lumineuse ( 1 17a) à rayonnement ultra-violet.
10. Installation ( 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première source lumineuse (1 17a) à rayonnement ultra-violet comprend une pluralité de diodes électroluminescentes configurée pour émettre uniquement un rayonnement ultraviolet, monochromatique, de longueur d’onde comprise entre 200nm et 405nm.
1 1. Installation ( 100) selon la revendication 10, dans laquelle la première source lumineuse (1 17a) à rayonnement ultra-violet comprend en outre un rayonnement infrarouge.
12. Installation ( 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première source lumineuse (1 17a) à rayonnement ultra-violet comprend une pluralité de lampes à vapeur de mercure configurée pour émettre un rayonnement ultraviolet à large spectre UV, un rayonnement infrarouge et une lumière visible.
13. Installation ( 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième dispositif à rayonnement ( 1 18) comprend une deuxième source lumineuse ( 1 18a) à rayonnement combiné ultra-violet et infrarouge ou à rayonnement infrarouge seul pour terminer la polymérisation du monobrin déformé (E3).
14. Installation (200) de fabrication d’un ruban comprenant l’installation de fabrication d’un élément composite (EF) selon l ’une quelconque des revendications précédentes et un module (210) de fabrication d’un ruban (Tape) configurée pour fabriquer un ruban à partir d’une pluralité d’ éléments composites (EF) fabriqués par l’installation ( 100) et d’une matrice en matière polymérisable.
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