Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
1
FABRICATION DE MATS A FILS CONTINUS
La présente invention concerne la fabrication de mats formés de fils
continus et notamment de fils de verre, ainsi que la fabrication de composites
réalisés avec de tels mats.
Les produits connus sous le nom de « mats » sont essentiellement des
produits utilisés comme renfort dans des matériaux composites et comprennent
le
plus souvent des fils de verre eux-mémes formés de filaments. On distingue
généralement deux types de mats : les mats de fils coupés et les mats de fils
continus.
Les mats de fils de verre continus sont généralement utilisés pour réaliser
des produits composites par moulage (moule fermé), en particulier par moulage
par compression ou par moulage par injection. Ils sont habituellement obtenus
en
distribuant et en superposant en continu des couches de fils continus sur un
convoyeur, chaque couche étant obtenue à partir d'une filière en étirant des
filets
de verre sous la forme de filaments continus, puis en rassemblant les
filaments en
fils et en projetant ces fils sur le convoyeur (avec un mouvement de battement
ou
va-et-vient pour que des fils balayent tout ou partie de la largeur du
convoyeur) qui
se déplace transversalement à la direction.des fils projetés, la cohésion des
fils au
sein du mat étant généralement assurée par un liant déposé sur les fils puis
traité
en étuve.
On appelle fil un ensemble de fibres unitaire. Un fil comprend généralement
de 5 à 500 fibres. On appelle mèche un ensemble de fils. Une mèche comprend
généralement 2 à 50 fils.
Selon les applications envisagées, on recherche des propriétés plus ou
moins variées dans les mats de fils de verre continus. Lorsque ces mats sont
destinés à la réalisation de composites par pultrusion ou sont destinés à des
applications électriques ou pour l'isolation, il est souhaitable d'utiliser
des mats
plats, constitués de fils fortement liés les uns aux autres et n'offrant que
de petits
interstices entre les fils. Par contre lorsque ces mats sont destinés à la
réalisation
de composites par injection, il est souhaitable d'utiliser des mats
sufFisamment
aérés et en particulier présentant ou conservant suffisamment de gonflant pour
un
poids de fils donné.
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
2
La présente invention concerne plus spécifiquement une installation
permettant de fabriquer de tels produits, aussi bien des mats « plats » que
des
mats « aérés » (ou gonflants).
Le US 4368232 enseigne un mat formé de deux couches de fils continus,
l'un issu d'une filière et l'autre d'une bobine ou « roving ». II est ici
rappelé que le
roving est un enroulement d'une mèche formée de fils de base plus ou moins
recollés, autour de l'axe de la bobine. Selon une caractéristique de ce
brevet, les
fils issus du rowing sont éclatés grâce à une buse fixe alimentée en air
comprimé.
La buse comporte une ouverture plus grande en haut (arrivée du fil) qu'en bas
(sortie du fil).
Le US 3265482 décrit une machine de projection de fil de verre continu sur
un tapis. Plus précisément la machine permet de déposer le fil sur toute la
largeur
du tapis qui défile au-dessous de la machine. Le fil provient directement des
filières, de sorte que de grandes quantités de fil peuvent ainsi ëtre déposées
sur le
tapis. On forme ici des mats tels que définis plus haut.
Des améliorations de ce type de fabrication ont été proposées, par exemple
par WO 98/10131, qui décrit une fabrication de mat anisotrope c'est-à-dire
dont
les fils présentent dans leur grande majorité une orientation préférentielle.
Ceci
améliore certaines propriétés mécaniques. Un mouvement de « va et vient » du
fil
transversalement au tapis-convoyeur permet de distribuer le fil selon
l'orientation-
préférentielle.
Le US 4158557 décrit une machine de fabrication de mats à partir de fil issu
d'au moins une filière ou de rovings. Le dispositif de projection du fil sur
le tapis
« balaye » transversalement le tapis de convoyage ; la particularité de cette
installation est une variation de la vitesse de projection du fil sur le tapis
convoyeur.
Les US 4345927 et US 5051122 divulguent ce méme type de machine avec
des améliorations au niveau de l'organe de projection lui-méme. Plus
précisément,
la solution envisagée dans le US 4345927 consiste à projeter le fil sur une
plaque
dite de rebond vu sa fonction. Le fil est préférentiellement issu d'une
filière et il est
entrainé par un ensemble de roues puis accéléré par un dispositif de type
buse.
Là encore la buse et la plaque sont animées d'un mouvement transversal
assurant
la répartition du fil sur le tapis. Ce mouvement n'assure pas une répartition
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
3
homogène des fils sur le tapis, les bords recevant moins de fil que la partie
centrale du tapis.
Dans le US 4948408, les fils sortent directement d'une filière, puis passent
autour d'un rouleau distributeur qui anime le fil d'un mouvement de battement
transversalement au tapis-convoyeur. Une plaque dite de déviation est prévue
en
aval du rouleau distributeur de fil, au-dessus du tapis-convoyeur. Le fil
sortant du
rouleau vient frapper contre la plaque, dont la surface est préférentiellement
striée
afin d'élargir la largeur du faisceau de fils de base (formant le fil) qui
tombe sur le
tapis-convoyeur.
Le WO 02084005 enseigne un dispositif de fabrication de mat à fils continu
partant de roving de fils. Les fils sont tractés pour dérouler les roving.
Cependant,
l'expérience montre que le déroulement par traction des rovings conduit à la
casse
trop fréquente des fils.
L'invention remédie aux problèmes sus-mentionnés et permet la fabrication
de mats à fils continu à grande vitesse avec très peu voire pas de casse de
mèche. Selon l'invention la mèche ne subit qu'une faible tension, ce qui
limite le
risque de cassure de mèche. Dans le cadre de la présente invention, on utilise
des
rovings. II est donc possible de la mettre en oeuvre en un lieu différent de
celui de
la fabrication des rovings. L'utilisation de roving permet par ailleurs de
réaliser une
installation de fabrication de mat plus compacte que si les fils étaient
utilisés
directement sous filière.La présente invention concerne le domaine des mats
formés de fils continus issus de roving (ou bobines). L'invention permet
notamment de réaliser plus aisément de petites productions de mats, par
exemple
des mats réalisés à partir de fils chers et/ou spécifiques. En effet, II est
possible
par exemple d'associer l'installation à un ou plusieurs rovings, de fabriquer
ainsi
du mat en une quantité limitée, avec les caractéristiques avantageuses qui
vont
étre citées ci-après, puis de passer à une autre production réalisée à partir
d'autres rovings c'est-à-dire d'autres fils de base. Une telle souplesse ne
peut pas
étre obtenue lorsque le mat est réalisé en continu sous filière.
Dans le cas de mèches issues non pas de filières mais de rovings, les
mèches ont été séchées avant leur bobinage et les fils de base qui les
constituent
sont partiellement recollés entre eux au niveau du roving. En dévidant les
rovings,
les fils de base sont donc plus ou moins collés de sorte qu'il existe un
problème à
ce niveau. On cherche en efFet à projeter les fils de base sur le tapis-
convoyeur de
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
4
la façon la plus homogène possible. La difficulté majeure rencontrée avec ce
type
de production concerne la séparation des fils de base constituant le fil (ou
mèche)
enroulé autour du roving. Les concepts utilisant une buse de rebond résolvent
en
partie ce problème. Cependant, on dévide habituellement le roving par
l'intérieur,
ce qui est la méthode la plus simple a priori. Or, cette méthode crée une
torsion
dans la mèche dès la sortie du roving. Ceci nuit à la qualité du mat produit,
méme
si une buse est prévue pour mieux éclater la mèche.
Selon l'invention, le roving est dévidé par l'extérieur. On évite ainsi toute
torsion de la mèche, de sorte que les fils de base sont moins solidaires dès
la
sortie du roving. Par ailleurs, un traitement ultérieur approprié aboutit à
une
séparation complète des fils de base ainsi projetés sur le tapis-convoyeur.
Par ailleurs, le traitement de mèches issues de rovings induit généralement
un arrét du processus dès qu'un roving est dévidé. Une intervention humaine
est
alors nécessaire pour remplacer le roving c vide » ; ceci prend du temps donc
abaisse le débit de production. On a donc cherché à automatiser le changement
de roving, et la présente invention propose une solution à ce problème, dans
le
contexte précité c'est-à-dire tout en ayant une séparation optimale des fils
de
base.
L'invention concerne un procédé de préparation d'un mat à fils continus
issus d'au moins une mèche par projection sur un tapis-convoyeur comprenant
K~;
- le déroulement par l'extérieur d'au moins une bobine de mèche
supportée sur un axe, la vitesse dudit déroulement étant imposée par un
moteur actionnant directement la bobine de façon à ce que la vitesse
linéaire de la mèche déroulée soit constante, puis
- le passage de la mèche à travers une buse en passant par une entrée
puis une sortie de la buse, ladite buse étant par ailleurs munie d'une
arrivée transversale d'au moins un fluide, ledit fluide étant dirigé
principalement vers la sortie de la buse provoquant une tension vers le
bas de la mèche, ledit fluide provoquant également la division de la
mèche, puis
- la projection selon un mouvement d'oscillation des fils formant la mèche
sur ledit tapis-convoyeur.
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
Le déroulement de la bobine par l'extérieur, en évitant une torsion de la
mèche, permet à l'opération de division de la mèche dans la buse de
s'efFectuer
de manière plus efFicace.
L'invention concerne également une installation de fabrication de mats
5 formés de fils continus issus de bobines et projetés sur un tapis-convoyeur,
comprenant
- au moins une bobine de mèche supportée sur un axe,
- un moyen de déroulement de la mèche sortant de la bobine,
- au moins une buse à travers laquelle la mèche circule en passant par
une entrée puis une sortie de la buse, ladite buse étant par ailleurs muni
d'une arrivée transversale d'au moins un fluide, ledit fluide étant dirigé
principalement vers la sortie de la buse, de façon à provoquer une
tension de la mèche vers la sortie,
- un moyen de projection des fils formant la mèche, sur ledit tapis-
convoyeur.
Le moyen de déroulement est généralement un moteur relié à l'axe de la
bobine (le cas échéant par l'intermédiaire d'une courroie ou tout autre moyen
de
transmission approprié) et faisant tourner celle-ci sur son axe.
Après déroulement de la mèche, on peut faire passer celle-ci sur une poulie
dont on mesure la vitesse à tout moment, par exemple par un codeur. La vitesse
de la mèche déroulée peut ainsi étre mesurée par le codeur couplé à la poulie
entraïnée par la mèche. Grâce au codeur, on peut modifier par un moyen
automatique actionnant le moteur de la bobine, la vitesse de déroulement afin
que
la vitesse de la mèche soit constante, indépendamment de l'état de vidage de
la
bobine.
On peut notamment procéder ainsi: après déroulement à l'horizontale, la
mèche passe sur une poulie, puis est renvoyée vers le bas. Généralement, on
fait
passer la mèche à travers un anneau ou oeillet fixe situé avant la poulie de
renvoi
vers le bas, pour que la mèche soit en permanence correctement positionnée par
rapport à la poulie, quelle que soit la position de la mèche sur la bobine au
moment ou elle la quitte.
Dans tous les cas, il convient que la mèche soit dirigée vers le bas avant de
passer à travers la buse, laquelle a une position sensiblement verticale.
Lorsque
cette direction vers le bas est prise, la mèche passe par l'entrée puis la
sortie de la
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
6
buse. La buse peut étre fixe, auquel cas la mèche passe ensuite dans un moyen
de projection sur un tapis défilant. Le moyen de projection comprend un bras
oscillant destiné à projeter le fil transversalement au tapis-convoyeur. Le
moyen
de projection peut comprendre un tube (à travers lequel la mèche défile) qui
oscille d'un côté à l'autre à la manière d'un balancier d'horloge pour
projeter la
mèche sur toute la largeur du tapis de réception.
De préférence, la buse est portée par le moyen de projection (système
oscillant). Dans ce cas, l'entrée de la buse se trouve sensiblement sur l'axe
d'oscillation.
L'arrivée d'au moins un fluide dans la buse est transversale entre l'entrée et
la sortie. Le fluide ressort plus facilement vers la sortie que vers l'entrée
car la
buse crée vis-à-vis du fluide une perte de charge plus forte vers l'entrée que
vers
la sortie. Une telle difFérence de perte de charge peut par exemple étre
réalisée
par une différence de diamètre d'ouverture. Généralement, le fluide peut étre
de
l'air sous pression. La pression du fluide peut par exemple aller de 2 à 10
bars et
plus généralement de 3 à 8 bars. Le fluide est principalement dirigé vers la
sortie,
ce qui signifie que plus de la moitié du flux entrant sort par la sortie
(généralement
dirigée vers le bas). Le fluide arrivant dans la buse a deux fonctions
- provoquer la division de la mèche en fils dont elle est constituée,
- provoquer une légère tension de la mèche vers le bas comme ,â~.
conséquence de ce qu'il ressort plus facilement vers le bas que vers le
haut.
On peut appeler ce fluide « fluide d'éclatement » (ou de division). Ce fluide
est généralement un gaz sous pression comme de l'air comprimé. La fabrication
de mats à fils continu à grande vitesse, avec très peu voire pas de casse de
mèche, est rendue possible du fait que la mèche ne subit qu'une faible tension
qui t
lui est conférée au niveau de la buse par le fluide de division.
En plus du fluide d'éclatement, la buse peut également ëtre alimentée en
eau. Cette eau sert en premier lieu à alourdir la mèche pour influencer sa
trajectoire à la projection sur le tapis-convoyeur (augmentation de l'angle de
chute
de la mèche éclatée). L'eau peut également contribuer, en tant que fluide, à
générer de la tension à la mèche. Le poids de la mèche à la verticale
contribue
également à la tension de la mèche. En plus du fluide d'éclatement, une
solution
ou dispersion aqueuse diluée renfermant une substance active peut également
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
7
arriver dans la buse pour imprégner la mèche, afin de conférer au mat des
propriétés particulières telle que la formation d'une fine pellicule en
surFace, ou
une meilleure compatibilité avec la matière à renforcer. Ainsi, selon
l'invention, la
vitesse de la mèche est imposée par le moteur agissant directement sur la
bobine.
L'action du fluide d'éclatement dans la buse ainsi que le poids de la mèche ne
modifient pas la vitesse de la mèche mais seulement sa tension.
Généralement, la tension de la mèche, entre la buse et la bobine (roving)
est comprise entre 50 et 200 grammes et plus particulièrement entre 100 et 160
grammes. On règle la pression du ou des fluides alimentant la buse pour
obtenir
une telle tension.
Avantageusement, l'on détecte en outre les anomalies dans le diamètre de
la mèche déroulée et l'on coupe la mèche dès qu'une anomalie est détectée. Les
anomalies ainsi détectées peuvent âtre des boucles, des noeuds dans la mèche.
Cette détection peut ëtre réalisée grâce à un rayon lumineux couplé à une
cellule
photo-électrique. On fait passer le rayon lumineux juste à côté de la mèche,
de
sorte qu'en l'absence d'anomalie, le rayon n'est pas perturbé. Lorsqu'un noeud
ou
boucle vient à se présenter, cette surépaisseur vient à perturber le rayon
lumineux
ce qui déclenche un signal . ou un ordre adapté, comme par exemple le
déclenchement d'un coupe-fil. Ce coupe-fil peut ètre placé au-dessus de la
buse,
sur le chemin de la mèche. Ce coupe-fil peut âtre actionné à.xtout moment par
un
opérateur, ou automatiquement, par exemple lorsqu'une anomalie est détectée.
L'installation peut également comprendre un moyen de détection de
présence de la mèche, disposé en aval de la bobine et au-dessus de la buse. Ce
moyen de détection de présence peut ëtre un rayon lumineux couplé à une
cellule
photo-électrique. Le rayon est ici en permanence sur la mèche de sorte que
c'est
l'absence du fil qui provoque un déclenchement de signal ou d'ordre.
Si une mèche particulièrement homogène et difFicile à éclater doit âtre
traitée, on pourra équiper l'organe oscillant d'une plaque de rebond liée à la
buse
et située à proximité de la sortie de la buse. La mèche, incomplètement
éclatée,
vient alors frapper la plaque et l'éclater totalement de sorte que les fils de
base
sont projetés de façon bien dispersée et bien homogène sur le tapis qui défile
au-
dessous.
Selon un mode de réalisation, l'installation comprend au moins deux
bobines, chacune associée à une buse ; et lesdites bobines sont actionnées
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
8
successivement. On fait alors fonctionner alternativement deux groupes de
composants afin de dévider successivement un grand nombre de bobines
provenant alternativement de ces deux groupes.
Selon une caractéristique additionnelle la fin du dévidage de chaque bobine
(ou roving) est détectée.
Ainsi, toute détection de fin de bobine ou d'anomalie dans l'une des
installations (absence de fil, noeud ou boucle sur la mèche), peut déclencher
le
fonctionnement de la seconde installation.
La matière constituant les fils (de base) est un verre fibrable tel que le
verre
E ou le verre alcalino-résistant dit verre AR, lequel comprend au moins 5% en
mole de Zr02. Notamment l'utilisation de verre AR mène à un mat à fil continu
renforçant efficacement les matrices cimentaires.
La figure 1 représente une vue en perspective du dispositif selon l'invention.
La figure 2 représente une vue de dessus du dispositif selon l'invention.
La bobine 1 est actionnée directement par un moteur 19, via par exemple
une courroie crantée 20. Le roving 1 débite une mèche 2 non encore divisée. La
mèche passe à travers l'anneau (ou aeillet) 3 dont la fonction est de bien
positionner la mèche en face de la poulie 4. La mèche passe sur cette poulie 4
pour ëtre renvoyée vers le bas. Un rayon lumineux passe transversalement et
juste à côté de la mèche au niveau 5, ce qw~i permet de détecter une
éventuelle
augmentation de diamètre de la mèche (la coupure du rayon lumineux est
détectée par une cellule photo-électrique qui déclenche farrét du déroulement
du
roving ainsi que le coupe-fil 7). La mèche passe ensuite à travers un oeillet
6 dont
l'ouverture est égale à celle de la buse 8. Ainsi, tout fil trop épais pour
passer à
travers la buse serait arrété par l'oeillet 6. Sous l'oeillet 6 se trouve un
coupe-fil 7.
Ce coupe-fil peut ëtre déclenché manuellement à tout moment ou par
automatisme suite à la détection d'un diamètre trop important au niveau 5. Un
rayon lumineux couplé à une cellule photo-électrique détecte la présence ou
non
de la mèche au niveau 9. la mèche passe ensuite à travers la buse 8, par son
entrée 10 et ressort par sa sortie 11. La buse comprend une arrivée d'air 12
et une
arrivée d'eau 13. L'arrivée d'air provoque la division de la mèche en fils de
base
dans la buse et la mèche sort divisée en fils unitaires de la buse. La buse 8
est
fixée sensiblement au niveau de son entrée 10 sur une plaque 14 , elle-méme
reliée à un moteur 15. Le moteur imprime un mouvement d'oscillation à la buse
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
9
d'un côté puis de l'autre, comme le balancier d'une horloge, ce qui fait
balayer à la
mèche tombant vers le bas la largeur du tapis 16 qui défile en dessous. La
mèche
éclatée est réceptionnée sur ledit tapis en un mat à fils continus. La plaque
14
comprend une autre buse 17 capable de prendre le relais de la première lorsque
celle-ci ne débite plus (roving vide ou problëme nécessitant son arrét). II
faut
imaginer qu'à cette buse 17 correspond tout une installation équivalente (non
représentée pour alléger la figure) à celle qui vient d'étre décrite pour la
buse 8
(roving, oeillets, poulie, etc). A titre illustratif, la vitesse linéaire
(constante) de la
mèche 2 de l'ordre de 8 m/s et, selon le diamètre extérieur de la bobine 1, la
vitesse angulaire de la mèche sortant de la bobine 1 varie de 500 tr/min à
2000 tr/min.
Lorsque le détecteur au niveau 9 détecte une absence de mèche, cela
déclenche l'arrét des divers éléments qui amenaient la mèche jusque dans la
buse
8; simultanément cette détection déclenche la mise en route de l'autre groupe
d'éléments (montés en série) parallèlement au premier groupe et qui dévident
une
deuxième bobine, et amènent une autre mèche jusque dans l'autre buse 17. Cette
alternance représente un gain considérable dans la production puisqu'elle
permet
de débiter en permanence du fil sur le tapis 16. Pendant qu'une bobine est
dévidée, un opérateur peut intervenir sur une bobine voisine inactive, la
changer,
pour préparer en temps masqué l'alifr~entation du deuxième groupe d'éléments.
On ne pourrait se permettre de dévider des rovings les uns après les autres
avec une intervention humaine entre chaque dévidage. En efFet un roving de
2400
tex, pesant environ 24 kg, contient 10000 mètres de mèche dévidée par exemple
à la vitesse de 8 mls. Ce dévidage prend environ 20 minutes. Industriellement,
il
est impensable d'arréter la production tautes les 20 minutes pour changer un
roving, avec un temps d'arrét de quelques minutes entre chaque dévidage, avec
une intervention humaine ou méme une intervention robotisée. II s'est donc
avéré
nécessaire de placer difFérents dispositifs en série, pour former deux groupes
de
dispositifs parallèles et fonctionnant en alternance.
Sans sortir du cadre de l'invention, une solution ou dispersion aqueuse
diluée renfermant une substance active peut ëtre appliquée via l'alimentation
13.
Cette solution peut alors conférer au mat des propriétés particulières telle
que la
formation d'une fine pellicule en surface, ou une meilleure compatibilité avec
la
matière à renforcer. La figure 2 représente un dispositif à deux bobines (1,
1') vu
CA 02550427 2006-06-16
WO 2005/059223 PCT/FR2004/050714
de dessus. La mèche passe à travers les oeillets (3, 3') puis sur les poulies
(4, 4')
qui la renvoie vers le bas. L'opérateur 18 est à proximité des deux bobines et
peut
intervenir rapidement d'une part pour remplacer une bobine vide et d'autre
part
pour agir en cas d'anomalie. On peut également procéder au chargement des
5 bobines par un dispositif robotisé.
i i~1'~l
(~~i2
