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FR3161592A1 - Procédé de fabrication d’un élément composite 3D - Google Patents

Procédé de fabrication d’un élément composite 3D

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FR3161592A1
FR3161592A1 FR2404265A FR2404265A FR3161592A1 FR 3161592 A1 FR3161592 A1 FR 3161592A1 FR 2404265 A FR2404265 A FR 2404265A FR 2404265 A FR2404265 A FR 2404265A FR 3161592 A1 FR3161592 A1 FR 3161592A1
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FR
France
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discontinuous
preform
manufacturing
layer
ribbon
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Pending
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FR2404265A
Other languages
English (en)
Inventor
Bertrand Laine
Aymeric Azran
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Ollow SAS
Original Assignee
Ollow SAS
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 Ollow SAS filed Critical Ollow SAS
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Priority to PCT/EP2025/061250 priority patent/WO2025224258A1/fr
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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un élément composite 3D (2) comprenant les étapes suivantes : - Mise en œuvre d’au moins un ruban discontinu (1) comprenant des fibres longues orientées dans l’axe longitudinal dudit ruban discontinu (1) et composé de segments (3), au moins un segment (3) comprenant une zone de relâchement (4) à un autre segment (3) adjacent, - Fabrication d’une préforme (7) comprenant au moins un ruban discontinu (1), - Activation de la ou des zones de relâchement (4), et - Obtention de l’élément composite 3D (2).

Description

Procédé de fabrication d’un élément composite 3D
La présente invention concerne le domaine technique des procédés de fabrication d’un élément composite 3D.
Dans le domaine ci-dessus, il est connu des techniques de fabrication d’un élément composite 3D à partir de ruban de matière comprenant une étape de moulage permettant d’obtenir une forme finale voulue.
Ces techniques sont toutefois très limitantes aussi bien par rapport aux matériaux utilisés qu’aux formes possibles.
Il existe également des procédés connus de fabrication de pièces creuses et tubulaires composite comprennent une étape de transformation d’une préforme par pression interne dans un outillage femelle. De tels procédés doivent intégrer la problématique du différentiel de périmètre des couches constituant la préforme et du périmètre des couches constituant la pièce finale après consolidation sous pression dans l'outillage femelle.
Il est habituel d'avoir un périmètre de préforme légèrement plus faible que celui de la forme de l'outillage femelle pour assurer que les fibres sont bien tendues. Certaines des couches de la préforme voient leur périmètre augmenter lors de la transformation. Or l’utilisation de fibres dites techniques telles que des fibres de verre, carbone ou encore kevlar n’ont pas des propriétés mécaniques permettant un tel allongement sous tension.
La présente invention vise à proposer un procédé de fabrication d’un élément composite 3D de forme complexe pouvant être creux ou tubulaire mais également comprendre une surface non développable telle qu’un hémisphère sortant d’un plan.
La présente invention permet notamment de réaliser industriellement et pour des grandes séries, des géométries plus complexes que n’en sont capables les technologies de l’état de l’art et/ou d’optimiser les propriétés mécaniques des éléments composites ainsi obtenus.
L’invention porte sur un procédé de fabrication d’un élément composite 3D comprenant les étapes suivantes :
- Mise en œuvre d’au moins un ruban discontinu comprenant des fibres longues orientées dans l’axe longitudinal dudit ruban discontinu et composé de segments, au moins un segment comprenant une zone de relâchement à un autre segment adjacent,
- Fabrication d’une préforme comprenant au moins un ruban discontinu,
- Activation de la ou des zones de relâchement, et
- Obtention de l’élément composite 3D.
La mise en œuvre d’au moins un ruban discontinu composé de segments et d’une ou de plusieurs zones de relâchement pour constituer la préforme permet notamment de garantir une souplesse entre la valeur du périmètre d’une forme complexe de la préforme et la valeur du périmètre de l’élément composite 3D fini après l’activation de la ou des zones de relâchement.
Selon une caractéristique de l’invention, le ruban discontinu comporte des fibres longues orientées dans l’axe longitudinal du ruban discontinu. Placer des fibres longues dans le sens du ruban discontinu permet de faciliter le relâchement des segments entre eux liés par au moins un point d’attache, les segments étant sollicités dans une direction sensiblement parallèle à celles des fibres les composant. La mise en œuvre de fibres de carbone, de verre, de kevlar, d’aramide/para-aramide ou de lin par exemple, permet d’obtenir un élément composite 3D avec une très bonne résistance mécanique.
Au sens de l’invention, un ruban discontinu composé de segments comprend des fibres discontinues. Selon une forme de réalisation, aucune fibre n’a une longueur supérieure à une longueur de l’ordre de celle du ou des segments. Selon une autre forme de réalisation, aucune fibre n’a une longueur supérieure selon une direction à une longueur de l’ordre de celle du ou des segments.
Selon une forme de réalisation de l’invention, une zone de relâchement comprend une partie de recouvrement à un autre segment, les segments étant liés deux à deux sur leur partie de recouvrement par au moins un point d’attache, et l’activation de la zone de relâchement comprend le relâchement d’au moins un point d’attache.
La mise en œuvre de segments liés deux à deux sur leur partie de recouvrement par au moins un point d’attache permet, d’une part, de concevoir un ruban discontinu prêt à l’emploi pour fabriquer la préforme, d’autre part, de pouvoir réutiliser des chutes de segments obtenus dans le cadre d’autres procédés de fabrication, et enfin, d’anticiper l’endroit du relâchement du ou des points d’attache pour transformer la préforme en l’élément composite 3D.
De plus, le point d’attache permet de stabiliser le recouvrement, le pliage selon la forme de réalisation du ruban discontinu.
Selon une autre forme de réalisation de l’invention, une zone de relâchement comprend deux plis du ruban discontinu, les plis étant maintenu par au moins un point d’attache, et l’activation de la zone de relâchement comprend le relâchement d’au moins un point d’attache.
Selon une caractéristique de l’invention, le relâchement d’au moins un point d’attache se fait selon au moins une condition prédéterminée, telle qu’une certaine température, pression ou tout effort de traction mécanique sur le ruban discontinu ou encore intensité électrique prédéterminée. Contrôler l’environnement permettant le relâchement des points d’attache permet d’anticiper la forme finale de l’élément composite 3D.
Selon une forme de réalisation de l’invention, les segments comprennent un matériau thermoplastique ou naturel tel que cellulose et les points d’attache sont réalisés par soudure par ultrasons. L’utilisation d’une soudure par ultrason permet de concevoir un ruban apte à pouvoir se relâcher facilement à chaque point de soudure lors de la transformation en élément composite 3D. Avantageusement ce type de soudure à ultrason est hautement compatible avec l’utilisation de matériaux thermoplastique.
Selon encore une autre forme de réalisation de l’invention, une zone de relâchement comprend au moins deux découpes partielles de la largeur du ruban discontinu, les découpes étant espacées selon la direction longitudinale du ruban discontinu. Un tel espacement permet de conserver une continuité du ruban tout en garantissant qu’aucune fibre comprise dans ce ruban ne soit continue.
Une zone de relâchement comprend une zone de découpe du ruban, le ruban discontinu comprenant des fibres unidirectionnelles longitudinales, le ruban discontinu étant découpé à différents endroits de manière à ce que toutes les fibres soient découpées, rendant le ruban discontinu.
Selon une forme de réalisation, les fibres du ruban discontinu sont toutes discontinues mais la matrice liant les fibres est continue garantissant ainsi une continuité du ruban discontinu jusqu’à l’activation de la ou des zones de relâchement, par exemple par une augmentation de température entraînant la fonte de la matrice.
Selon une caractéristique de l’invention, au moins une découpe comprend un angle de découpe α compris entre -90° et+90°, la valeur 0° étant exclue, l’angle de découpe α étant défini par rapport au sens longitudinal du ruban discontinu correspondant à 0°.
Avantageusement le ruban discontinu selon l’invention peut être utilisé d’un côté ou de l’autre. Le ruban discontinu peut également être retourné.
Selon une autre caractéristique de l’invention, l’étape de découpe se fait au moyen d’un laser.
Selon une forme de réalisation de l’invention, la préforme comprend plusieurs couches aptes à former la préforme, au moins une couche comportant au moins un ruban discontinu.
Selon une autre forme de réalisation de l’invention, la préforme comprend au moins une pièce creuse longitudinale formée par au moins une couche comprenant un ruban discontinu, le ruban discontinu comprenant un angle de dépose β compris entre -90° et 90°, un angle de dépose de 0° correspond à une dépose parallèle au sens longitudinal de la préforme et un angle de dépose de 90° correspond à une dépose perpendiculaire par rapport au sens longitudinale de la préforme. Fabriquer la préforme en s’appuyant sur un guide longitudinal comprenant une section variable sensiblement circulaire ou polygonale ou encore de forme libre permet d’anticiper la forme finale de l’élément composite 3D que l’on souhaite obtenir.
Pour des procédés de fabrication de pièces creuses et tubulaires en composite comprenant une étape de transformation d’une préforme par pression interne dans un outillage femelle, le diamètre de la préforme s’adapte ainsi au diamètre de l’outillage femelle lors de l’étape de transformation par pression interne sans risquer d’endommager les fibres du ruban discontinu de la préforme ou de ne pas parvenir à conformer la préforme sur l’outillage femelle.
Selon une forme de réalisation, la préforme comprend plusieurs couches de ruban et au moins une couche comprend un ruban discontinu au sens de l’invention.
Selon des formes de réalisation du procédé de fabrication, la préforme comprend des couches de ruban qui ne sont pas destinées au relâchement. Par exemple, la dépose d’une couche de ruban selon une direction longitudinale à la préforme creuse et tubulaire n’est pas problématique pour une étape de transformation induisant une augmentation du diamètre de la préforme. Une telle couche déposée à 0° peut comprendre un ruban discontinu mais l’activation de la ou des zones de relâchement n’est pas nécessaire à l’obtention de l’élément composite 3D selon l’invention.
Selon certaines formes de réalisation d’un élément composite 3D, il est nécessaire que la préforme comprenne une zone de relâchement à un ou plusieurs endroits déterminés. Chaque singularité est ainsi anticipée en plaçant une zone de relâchement permettant la déformation de la préforme aux endroits déterminés. Plus l’élément composite 3D voulu comprend une forme complexe, plus la préforme correspondante comprend des couches comprenant des rubans discontinus au sens de l’invention afin de faire coïncider chaque zone de relâchement avec une singularité entre la préforme et l’élément composite 3D voulu.
Selon une caractéristique de l’invention, la longueur des segments de chaque couche est choisie en fonction de l’angle de dépose de la couche ainsi qu’en fonction de la variation de périmètre choisi entre ladite couche de la préforme et la même couche de l’élément composite 3D. Ces paramètres d’angle et de variation de périmètre peuvent varier le long de la pièce, de même que les paramètres de longueur de segments associés entre ladite couche de la préforme et la même couche après consolidation dans un outillage.
Selon une caractéristique de l’invention, une couche comprend plusieurs rubans discontinus, chaque ruban discontinu d’une même couche comprenant le même angle de dépose β. Cet angle pouvant ainsi évoluer le long de la préforme, mais les rubans constituant une même couche présentent, localement, le même angle.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la longueur des segments de chaque ruban discontinu est choisie en fonction de l’angle de dépose β de la couche correspondante ainsi qu’en fonction de la variation de périmètre choisi entre ladite couche de la préforme et la même couche de l’élément composite 3D. Ces paramètres d’angle et de variation de périmètre peuvent varier le long de la pièce, de même que les paramètres de longueur de segments associés entre ladite couche de la préforme et la même couche après consolidation dans un outillage.
Selon une forme de réalisation de l’invention, l’étape de l’activation de la ou des zones de relâchement comprend une étape de conformation thermique sous pression. Sous certaines conditions d’utilisation de matériaux, l’étape de conformation thermique sous pression comprend des paramètres de température et pression aptes à l’activation de la ou des zones de relâchement. Avantageusement, l’étape de conformation thermique sous pression est une étape de consolidation de la préforme voire une étape de transformation de la préforme en l’élément composite 3D voulu.
Selon une autre forme de réalisation de l’invention, l’étape d’activation de la ou des zones de relâchement de la préforme comprend une étape d’emboutissage ou d’estampage de la préforme. Sous certaines conditions d’utilisation de matériaux, l’étape d’emboutissage comprend des paramètres de température et pression aptes à l’activation de la ou des zones de relâchement. Avantageusement, l’étape d’embossage est une étape de consolidation de la préforme voire une étape de transformation de la préforme en l’élément composite 3D voulu.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
De plus, diverses autres caractéristiques de l’invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l’invention et où :
FIG. 1est une vue à plat d’un premier exemple d’un ruban discontinu selon l’invention,
FIG. 2est une vue en perspective du ruban discontinu de laFIG. 1,
FIG. 3est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une couche d’une préforme comprenant deux rubans discontinus de laFIG. 1,
FIG. 4est une vue en perspectives après l’étape d’activation des zones de relâchement des segments des rubans discontinu de la couche de la préforme de laFIG. 3,
FIG. 5est une vue à plat d’un deuxième exemple de réalisation d’un ruban discontinu selon l’invention,
FIG. 6est une vue à plat après l’étape d’activation de la zone de relâchement des segments du ruban discontinu de laFIG. 5,
FIG. 7est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une couche d’une préforme comprenant deux rubans discontinus de laFIG. 5,
FIG. 8est une vue en perspectives après l’étape d’activation des zones de relâchement des segments des rubans discontinus de la couche de la préforme de laFIG. 7,
FIG. 9est une vue en perspective d’un autre exemple de réalisation d’une préforme comprenant des rubans discontinus de laFIG. 5avec un seul ruban discontinu représenté,
FIG. 10est une vue en perspectives de l’activation des zones de relâchement de deux segments du ruban discontinu représenté de la préforme de laFIG. 9,
FIG. 11est une vue en perspective d’un troisième exemple de réalisation d’un ruban discontinu selon l’invention,
FIG. 12est une vue à plat après l’étape d’activation de la zone de relâchement des segments du ruban discontinu de laFIG. 11,
FIG. 13est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une couche d’une préforme comprenant deux rubans discontinus de laFIG. 11, et
FIG. 14est une vue en perspectives après l’étape d’activation des zones de relâchement des segments des rubans discontinu de la couche de la préforme de laFIG. 13.
Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
L’invention vise à proposer un procédé de fabrication d’un élément composite 3D à partir d’au moins un ruban discontinu.
A ces fins, une première étape du procédé de fabrication d’un élément composite 3D selon l’invention consiste donc à mettre en œuvre un ruban discontinu désigné par la référence 1 tel qu’illustré aux figures 1 et 2.
Au sens de l’invention, un ruban discontinu 1 est défini avant sa mise en forme.
Un ruban comprenant des fibres longitudinales est un ruban discontinu 1 s’il existe deux segments adjacents dudit ruban pour lesquelles les fibres ne sont plus continues ou s’il existe un segment dudit ruban pour lequel les fibres ne sont plus disposées dans une direction unique, la forme du segment pouvant être libre.
Selon les exemples de réalisation décrits ci-après, les fibres d’un ruban discontinu 1 sont coupées ou pliées, l’exemple de réalisation avec pliage imposant un sens de direction différent des fibres.
Ainsi, un ruban est considéré ruban discontinu 1 s’il n’existe pas de trajectoire parallèle à l’un de ses bords ne traversant pas une discontinuité tel qu’un pli sur lui-même, un recouvrement ou une découpe.
Le procédé de fabrication selon l’invention permet de concevoir un élément composite 3D 2 à partir d’un ruban discontinu 1.
Un ruban discontinu 1 comporte des fibres orientées dans l’axe du ruban discontinu 1. Le ruban discontinu 1 peut par exemple comprendre des fibres unidirectionnelles de carbone, de verre, de kevlar, d’aramide/para-aramide ou encore de lin, noyées dans une matrice. Selon différentes formes de réalisation, la matrice peut comprendre un matériau thermoplastique, métallique ou thermodurcissable. Selon d’autres formes de réalisation, le ruban discontinu 1 peut comprendre un matériau naturel tel que la cellulose ou encore des fibres naturelles soudées directement les unes aux autres.
Trois formes de réalisation d’un ruban discontinu 1 pour le procédé de fabrication selon l’invention sont décrites ci-après. D’autres formes de réalisation d’un ruban discontinu 1 compatibles avec l’invention sont possibles. Un ruban discontinu 1 compatible avec l’invention comprend au moins deux segments 3, avec au moins un segment 3 comprenant une zone de relâchement 4 à un autre segment 3 adjacent.
Selon une première forme de réalisation illustrée notamment aux figures 1 et 2, le ruban discontinu 1 comprend plusieurs segments 3, un segment 3 comprenant une partie de recouvrement 5 sur un autre segment 3 adjacent.
Chaque segment 3 compris entre deux segments 3 comprend alors une partie de recouvrement 5 et une partie recouvrée par une partie de recouvrement 5 du segment 3 adjacent. Un tel segment 3 comprend donc deux zones de relâchement 4 à deux segments 3 situés de part et d’autre.
Selon cette première forme de réalisation d’un ruban discontinu 1, la zone de relâchement 4 comprend la partie d’un recouvrement 5 d’un segment 3 à un autre segment 3.
Pour un ruban discontinu 1, la longueur S d’un segment 3 correspond à la distance entre deux parties de recouvrement 5 consécutives, les deux parties de recouvrement 5 étant inclues. La longueur Z de la zone de relâchement 4 correspond à la longueur de la partie de recouvrement 5, soit la longueur du chevauchement des deux segments 3 selon le sens longitudinal du ruban discontinu 1.
Par exemple, pour un ruban discontinu 1 dont la largeur est comprise entre 5 et 15 mm, la longueur Z d’une partie de recouvrement 5 d’un segment 3 sur l’autre segment 3 est comprise entre 1 et 7 mm, de préférence entre 4 et 6 mm, de préférence 5 mm.
Plus généralement, une partie de recouvrement 5 correspond sensiblement à la moitié de la largeur du ruban discontinu 1 tout en gardant une valeur supérieure à 1mm. La valeur maximale dépend de la quantité de longueur qui sera consommée lors du procédé de fabrication selon l’invention, c’est-à-dire en fonction de la complexité géométrique de l’élément composite 3D 2 souhaité.
Selon cet exemple de réalisation, le maintien de la partie de recouvrement 5 d’un segment 3 à un autre segment 3 est garanti au moyen d’au moins un point d’attache.
Selon une forme de réalisation du procédé, et notamment pour un ruban discontinu 1 comprenant une matrice thermoplastique ou comprenant un matériau naturel tel que la cellulose ou encore directement des fibres naturelles soudées les unes aux autres, les points d’attache sont créés par soudure ultra son.
Selon d’autres formes de réalisation du procédé, les points d’attache peuvent aussi comprendre des points de colle ou d’autres résines permettant de garantir le maintien de la partie de recouvrement 5 d’un segment 3 à un autre segment 3.
Selon une deuxième étape du procédé selon l’invention, une préforme 7 est fabriquée à partir d’au moins un ruban discontinu 1. Différents exemples de préforme 7 sont décrits ci-après.
La troisième étape du procédé de fabrication selon l’invention comprend une étape d’activation de la zone de relâchement 4.
Selon certaines formes de réalisation, l’étape d’activation de la zone de relâchement 4 est maitrisée en prévoyant une ou plusieurs conditions prédéterminées, telle qu’une certaine température, pression ou tout effort de traction mécanique sur le ruban discontinu 1 ou encore intensité électrique prédéterminée.
Selon la forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 illustrée aux figures 1 et 2, l’étape d’activation de la zone de relâchement 4 permet en partie l’éloignement de deux segments 3 consécutifs. La distance d’éloignement peut être anticipée lors de la transformation de la préforme 7 en l’élément composite 3D 2 par la maîtrise de l’activation des zones de relâchement 4.
LaFIG. 3illustre une couche d’une préforme 7 de forme cylindrique comportant deux rubans discontinus 1, tels que définis aux figures 1 et 2, disposés parallèlement entre eux et déposés avec une distance d’écart entre eux. Une telle couche ou plusieurs couches peuvent ainsi constituer une préforme 7 formant une pièce longitudinale creuse. Selon d’autre formes de réalisation de couche pour une préforme 7, le ou les rubans discontinus 1 sont déposés en contact les uns des autres c’est-à-dire sans écart.
Selon une forme de réalisation d’une préforme 7 cylindrique, le ou les rubans discontinus 1 sont déposés sur un support ou mandrin de dépose non illustré. Ce support ou mandrin de dépose peut être retiré une fois la préforme 7 prête ou utilisé pour une étape de transformation en l’élément composite 3D et retiré par la suite ou encore faire partie de l’élément composite 3D 2 obtenu.
Selon la forme de réalisation illustrée à laFIG. 3, les deux rubans discontinus 1 sont déposés parallèlement entre eux et selon une direction de dépose D formant un angle de dépose β valant sensiblement 55° par rapport à la direction longitudinale X de la préforme 7 cylindrique.
Selon une forme de réalisation non illustrée, la préforme 7 comprend plusieurs couches de ruban discontinu 1, chaque couche comprenant un angle de dépose propre du ou des rubans discontinus 1 respectif différent de la couche supérieure et/ou inférieure immédiate. Par exemple, une première couche est déposée à 0°, deux couches sont déposées avec un angle de -30° et 30° et une quatrième couche est déposée à 85°. En fonction de la complexité de la préforme 7 et des points de singularité entre la préforme 7 et l’élément composite 3D 2 obtenu, les zones de relâchement 4 ne sont pas toutes activées.
Pour réaliser une préforme 7 comprenant une forme cylindrique évolutive (non illustrée), c’est-à-dire comprenant différents diamètres, plusieurs pièces longitudinales sont mises en œuvre consécutivement, un même ruban discontinu 1 pouvant former au moins en partie une première pièce longitudinale avec un premier diamètre et au moins en partie une deuxième pièce longitudinale avec un deuxième diamètre de valeur différent au premier diamètre. Plusieurs rubans discontinus 1 peuvent également être mis en œuvre pour concevoir une préforme 7 avec au moins un changement de taille de diamètre.
LaFIG. 4illustre l’activation des zones de relâchement 4 des deux rubans discontinus 1 mis en œuvre afin d’obtenir au moins en partie la forme finale de l’élément composite 3D 2 souhaité, à savoir une forme cylindrique comprenant un diamètre plus grand que le diamètre de la forme cylindrique de la couche de la préforme 7 de laFIG. 3.
Une deuxième forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 compatible avec l’invention est illustrée aux figures 5 et 6.
Selon cette forme de réalisation illustrée, le ruban discontinu 1 comprend une zone de relâchement 4 formée par cinq découpes 8.
Les cinq découpes 8 sont toutes parallèles entre elles. Trois découpes 8 sont selon une première droite Y1 et deux autres découpes 8 sont selon une deuxième droite Y2 parallèle à la première droite Y1. Cette architecture particulière forme une zone de relâchement 4 en créneaux.
Selon ce deuxième exemple de réalisation, la longueur S d’un segment 3 correspond à une nouvelle itération d’une découpe 8 similaire, c’est-à-dire une même découpe 8 du schéma et située à la prochaine coordonnée longitudinale selon le sens longitudinal du ruban discontinu 1. Et, la longueur Z de la zone de relâchement 4 correspond à la distance entre la première droite Y1 et la deuxième droite Y2 définie selon le sens longitudinal du ruban discontinu 1.
Selon la forme de réalisation illustrée aux figures 5 et 6, les droites Y1,Y2 comprennent un angle de découpe α sensiblement égal à 15° par rapport au sens longitudinal du ruban discontinu 1.
Cette étape de création de découpe 8 peut se faire au moyen d’un laser ou d’autres outils coupant de précision.
LaFIG. 6illustre l’activation de la zone de relâchement 4, les découpes 8 espacées créées une structure en créneaux entre deux segments 3 consécutifs.
Selon une forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 comprenant une matrice apte à être ramollie sous certaines conditions telle qu’un matériau métallique, thermoplastique ou encore thermodurcissable, l’étape d’activation de la zone de relâchement 4 comprend une augmentation de la température entraînant au moins le ramollissement voire la fonte de la matrice conduisant au glissement des fibres et à l’ouverture en créneaux de la zone de relâchement 4.
Selon une autre forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 comprenant une matrice moins apte à être ramollie, l’étape d’activation de la zone de relâchement 4 comprend une mise en tension entraînant le déchirement de la matrice et l’ouverture en créneaux de la zone de relâchement 4.
Un contrôle de l’activation de la zone de relâchement 4 permet de choisir la distance souhaitée d’éloignement entre deux segments 3.
Pour cette forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 comprenant au moins deux découpes 8, de nombreux schémas sont possibles.
Deux découpes 8 espacées d’une distance Z qui assurent une discontinuité des fibres longitudinales d’un segment 3 d’un ruban discontinu 1 sont nécessaires pour former une zone de relâchement 4 selon l’invention.
Selon une forme de réalisation du ruban discontinu 1 comprenant une largeur valant au maximum 100mm, la distance Z vaut au maximum 100mm, de préférence moins de 25mm et encore de préférence moins de 10mm.
Selon une forme de réalisation du ruban discontinu 1, la longueur d’une découpe 8 vaut au minium 0.5mm
Selon une forme de réalisation du ruban discontinu 1, la longueur d’une découpe 8 vaut au maximum un quart de la largeur du ruban discontinu 1 et préférentiellement d’un huitième de la largeur du ruban discontinu 1, les longueurs additionnées de toutes les découpes 8 d’une zone de relâchement Z valant au moins la largeur du ruban discontinu 1.
Le nombre de découpes 8, leurs espacements, leurs largeurs, les angles de découpe α peuvent ainsi varier en fonction des matériaux utilisés mais également en prévision de l’activation de la zone de relâchement de la préforme 7 créée à partir d’un tel ruban discontinu 1.
Par exemple, pour former une couche d’une préforme 7 cylindrique telle qu’elle apparait à laFIG. 7, deux rubans discontinus 1 identiques et comprenant des zones de relâchement 4 formées par des découpes 8 avec un angle α, sont déposées parallèlement entre eux et selon un angle de dépose β, par exemple sur un support cylindrique non illustré. Un tel angle de découpe α est choisi en fonction de l’angle de dépose β du ruban discontinu 1 pour former au moins en partie la préforme 7 cylindrique.
Selon cet exemple illustré aux figures 7 et 8, l’angle de découpe α est sensiblement égal à 15° et l’angle de dépose β est sensiblement égal à 55°. Selon cette forme de réalisation, les découpes 8 se retrouvent dans une position sensiblement perpendiculaire au sens longitudinal de la préforme 7 cylindrique.
Pour atteindre cette position préférée, l’angle de découpe α et l’angle de dépose β sont interdépendants.
Si la valeur de l’angle de dépose β s’approche de 0°, c’est- à dire pour une dépose selon le sens longitudinal du mandrin, la valeur de l’angle de découpe α doit s’approcher de 0° pour permettre une zone de relâchement 4 efficace, à savoir permettre une augmentation du diamètre de la préforme 7 cylindrique associé à un allongement longitudinal de ladite préforme 7 cylindrique.
Si l’angle de découpe α s’approche sensiblement de 90° (est supérieur à 45°), le ruban discontinu 1 associé doit être déposé avec un angle de dépose β de préférence supérieure à 45° et encore de préférence supérieure à 80°. Ainsi la position des lignes de découpes 8 sur la préforme 7 se rapprochent de la perpendiculaire au support ou mandrin de dépose.
Selon une forme de réalisation de l’étape de mise en œuvre de la préforme 7, la longueur S d’un segment 3 d’un ruban discontinu 1 est choisie en fonction de la largeur du ruban discontinu 1 et de l’angle de dépose β pour former la préforme 7 cylindrique. Selon une forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 comprenant une largeur comprise entre 5 et 15mm, la longueur S est au maximum égale à cinq fois, de préférence 2,5 fois et à minima une fois la valeur de l’hélicoïde de révolution de la préforme 7 cylindrique, la valeur de l’hélicoïde dépendant du diamètre de la préforme 7 cylindrique ainsi que de l’angle de dépose β.
Les formes de réalisation décrites pour le premier exemple de réalisation d’une couche d’une préforme 7 à partir d’au moins un ruban discontinu 1 tel qu’il apparait aux figures 1 et 2 sont compatibles avec la forme de réalisation d’une couche d’une préforme 7 illustrée à laFIG. 7.
LaFIG. 8illustre l’activation des zones de relâchement 4 de la couche de la préforme 7 cylindrique de la figue 7.
LaFIG. 9illustre un autre exemple d’une préforme 7 plate formée à partir de plusieurs rubans discontinus 1 comprenant des découpes 8 tels qu’illustré à laFIG. 5et déposés parallèlement les uns aux autres. Un seul ruban discontinu 1 apparait sur laFIG. 9pour une meilleure visibilité. Selon d’autres formes de réalisation, plusieurs couches de rubans discontinus 1 peuvent être déposés pour former la préforme 7 plate, chaque couche pouvant être orientée selon un angle de dépose propre dans le plan.
LaFIG. 10illustre l’activation de la zone de relâchement 4 illustrée à laFIG. 9. Selon d’autres formes de réalisation non illustrée, la troisième étape du procédé de fabrication selon l’invention, permet l’activation de toutes les zones de relâchement 4 de chacun des rubans discontinus 1 formant la préforme 7 plate.
Selon cette forme de réalisation du procédé de fabrication, l’activation des zones de relâchement 4 a lieu lors d’une étape d’emboutissage permettant de définir un tel relief en demi-sphère. La prédétermination de la pression et température de l’embossage permet de contrôler l’activation des zones de relâchement 4. La préforme 7 plate est ainsi déformée de manière à obtenir cette forme de demi-sphère et les zones de relâchement permettent que la matière formée par au moins une couche de rubans discontinus 1 s’étale uniformément sans créer d’amas de matière et garantissant ainsi un état de surface uniforme.
La dernière étape du procédé consiste en l’obtention de l’élément composite 3D 2 ainsi formé.
Selon une troisième forme de réalisation illustrée à laFIG. 11, le ruban discontinu 1 comprend une zone de relâchement 4 formée par deux plis 9,10. Un premier pli 9 à 180° est suivi d’un deuxième pli 10 à 180° selon le sens longitudinal du ruban discontinu 1.
La longueur S d’un segment 3 correspond à une nouvelle itération d’un premier pli 9 suivant et la longueur Z de la zone de relâchement 4 correspond à la distance entre les deux plis 9,10 selon le sens longitudinal du ruban discontinu 1.
Par exemple, pour un ruban discontinu 1 dont la largeur est sensiblement comprise entre 5 et 15 mm, la longueur Z de la zone de relâchement 4 d’un segment 3 à l’autre segment 3 est comprise entre 1 et 7 mm, de préférence entre 4 et 6 mm, de préférence 5 mm. Selon cette forme de réalisation avec deux plis, la longueur maximale du relâchement correspond donc à deux fois la valeur de la longueur Z de la zone de relâchement.
Un segment 3 comprend deux plis 9,10 consécutifs qui sont maintenus de manière réversible par au moins un point d’attache par pli 9,10. Différents procédés sont compatibles selon les matériaux utilisés de manière similaire à la première forme de réalisation d’un ruban discontinu 1 par recouvrement.
Selon une forme de réalisation du procédé, et notamment pour un ruban discontinu 1 comprenant une matrice thermoplastique, les points d’attache peuvent être créés par soudure ultra son.
Selon une autre forme de réalisation du procédé, les points d’attache peuvent aussi comprendre des points de colle ou d’autres résines permettant le maintien des deux plis 9,10 d’un segment 3.
LaFIG. 13illustre une couche d’une préforme 7 de forme cylindrique comportant deux rubans discontinus 1, tels que définis aux figures 11 et 12, disposés parallèlement entre eux et déposés avec une distance d’écart entre eux. Une telle couche ou plusieurs couches peuvent ainsi constituer une préforme 7 formant une pièce longitudinale creuse. Selon d’autre formes de réalisation de couche pour une préforme 7, le ou les rubans discontinus 1 sont déposés en contact les uns des autres c’est-à-dire sans écart.
Les formes de réalisation décrites pour le premier exemple de réalisation d’une couche d’une préforme 7 à partir d’au moins un ruban discontinu 1 tel qu’il apparait aux figures 1 et 2 sont compatibles avec la forme de réalisation d’une couche d’une préforme 7 illustrée à laFIG. 13.
LaFIG. 14illustre l’activation des zones de relâchement 4 des deux rubans discontinus 1 mis en œuvre afin d’obtenir au moins en partie la forme finale de l’élément composite 3D 2 souhaité, à savoir une forme cylindrique comprenant un diamètre plus grand que le diamètre de la forme cylindrique de la couche de la préforme 7 de laFIG. 13.
Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l’invention dans le cadre des revendications annexées.

Claims (15)

  1. Procédé de fabrication d’un élément composite 3D (2) comprenant les étapes suivantes :
    - Mise en œuvre d’au moins un ruban discontinu (1) comprenant des fibres longues orientées dans l’axe longitudinal dudit ruban discontinu (1) et composé de segments (3), au moins un segment (3) comprenant une zone de relâchement (4) à un autre segment (3) adjacent,
    - Fabrication d’une préforme (7) comprenant au moins un ruban discontinu (1),
    - Activation de la ou des zones de relâchement (4), et
    - Obtention de l’élément composite 3D (2).
  2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel une zone de relâchement (4) comprend une partie de recouvrement (5) à un autre segment (3), les segments (3) étant liés deux à deux sur leur partie de recouvrement (5) par au moins un point d’attache, et l’étape d’activation de la zone de relâchement (4) comprend le relâchement d’au moins un point d’attache.
  3. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel une zone de relâchement (4) comprend deux plis (9,10) du ruban discontinu (1), les plis (9,10) étant maintenu par au moins un point d’attache, et l’activation de la zone de relâchement (4) comprend le relâchement du ou des points d’attache.
  4. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 2 ou 3 dans lequel le relâchement d’au moins un point d’attache se fait selon au moins une condition prédéterminée, telle qu’une certaine température, pression ou tout effort de traction mécanique sur le ruban discontinu (1) ou encore intensité électrique prédéterminée.
  5. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 2 à 4 dans lequel les segments (3) comprennent un matériau thermoplastique ou naturel tel que cellulose et les points d’attache sont réalisés par soudure par ultrasons.
  6. Procédé de fabrication selon la revendication 1 dans lequel une zone de relâchement (4) comprend au moins deux découpes (8) partielles dans une direction non parallèle à la direction longitudinale du ruban discontinu (1), les découpes (8) étant espacées selon la direction longitudinale du ruban discontinu (1).
  7. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel au moins une découpe (8) comprend un angle de découpe (α) compris entre -90° et+90°, la valeur -0° étant exclue, l’angle de découpe (α) étant défini par rapport au sens longitudinal du ruban discontinu (1) correspondant à 0°.
  8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 ou 7 dans lequel l’étape de découpe se fait au moyen d’un laser.
  9. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes dans lequel la préforme (7) comprend au moins une couche apte à former la préforme (7), au moins une couche comportant au moins un ruban discontinu (1).
  10. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes dans lequel la préforme (7) comprend au moins une pièce creuse longitudinale formée par au moins une couche comprenant un ruban discontinu (1), le ruban discontinu (1) comprenant un angle de dépose (β) compris entre 0 et +-90°, un angle de dépose (β) de 0° correspond à une dépose dans le sens longitudinal (X) de la préforme (7) et un angle de dépose (β) de 90° correspond à une dépose perpendiculaire au sens longitudinal (X) de la préforme (7).
  11. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel la longueur des segments (3) de chaque couche est choisie en fonction de l’angle de dépose (β) de la couche ainsi qu’en fonction de la variation de périmètre choisi entre ladite couche de la préforme (7) et la même couche de l’élément composite 3D (2).
  12. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 10 ou 11 dans lequel une couche comprend plusieurs rubans discontinus (1), chaque ruban discontinu (1) d’une même couche comprenant le même angle de dépose (β).
  13. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 10 à 12 dans lequel la longueur des segments (3) de chaque ruban discontinu (1) est choisie en fonction de l’angle de dépose (β) de la couche correspondante ainsi qu’en fonction de la variation de périmètre choisi entre ladite couche de la préforme et la même couche de l’élément composite 3D.
  14. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape de l’activation de la ou des zones de relâchement (4) comprend une étape de conformation thermique sous pression.
  15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel l’étape d’activation de la ou des zones de relâchement (4) de la préforme (7) comprend une étape d’emboutissage de la préforme (7).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20100233423A1 (en) * 2006-05-22 2010-09-16 Advanced Composites Group Limited Moulding materials
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