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~ROC~ T ~ISPOSITIF DE FOR~IO~ D'~N FIL C~MPOSIT~
L'invention concerne un procédé et un dispositif de1~ fabrication d'un fil composite formé par l'association
d'une multiplicité de filaments cont.inus de verre et de
filaments continus de matière organique thermoplastique. La
fa~ricatio~ d'un tel fil composite est décrite dans la de-
mande de brevet EP-A-0 367 661. Ce document décrit des
20 installations comprenant une filière, à partir de la~uelle
sont étirés des filaments continus de verre, et une tete de
filage, alimentée sous pression par une matière organi~ue
thexmoplastique, délivrant des filaments continus organi-
ques. Les deux types de filaments peuvent être sous forme
25 de na~p~s, ou de nappe et de fil, 13rs d~ l'assemblage. Un
mode de réalisation avantageux décx t dans ce document
consis~e à en~urer les filaments ou le fil de verre par
les filaments organiques lors de leur réunion. Un fil com-
posite ainsi réalisé présente l'a~antage de proté~er les
30 filaments de verre des frottements sur les surfaces solides
avec lesquell s le fil composite vient en contact. Par
contre, cet arrangemen~ ne favorise pas une parfaite homo-
généisation du mélange des deux types de filaments. En ef-
fet, u~e coupe droite du fil composite montre des zones
~ privilegiées pour cha~ue type de filaments~ ce qui peut
être un mode d'assemhlage recherché r pour certaines appli-
cations.
Par ailleurs, ces fils composites présentent u~e on~
dulatio~, Celle-ci est flagrante lorsgue les ~ils se
2 1 ~ 7
~res~ntent sous forme de bobines car les bobines ondulent
sur toute leur périphérie. Cette ondulation du fil compo-
site es~ due en fait à un phénomène de retrait des fila-
ments organiques qui entraîne une ondulation des filaments
de verre. Ce phénomene présente différents inconvenients.
Tout d'abord, il nécessite des manchettes épaisses pour la
réalisation des bobines dP façon à ce qu'elles supportent
le frettage exercé par le fil composite. D~ plus, le dé-
vidage de la bobine devient très délica~ du fait dPs modi-
fications de géométrie. Cette présentation du fil peut ce-
p ndant être avantageuse lorsgue, par exemple, elle entre
dans la structure d'un tissu qui servira ultérieuremen~ à
renforcer une pièce galbee. La souplesse du tissu, conférée
a la fois par l'aptitude à la déformation des filaments
organi~ues et l'ondulation des filaments de verre, favorise
la mise en place dans un mou~e. Par contre, pour la réali-
sation de fils composites destinés à la fabricatio~ de
pièces planes renforcés dans une directivn, cette présen-
tation est un handicapO Les filaments n'étant pas alignés
dans le composite final, leur capacite de renforcement dans
une direction déterminée est amoindrie.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication
d'un ~il composite gui ne présen~e aucune ondulation lors
de sa formation et qui reste stable dans le temps.
Ce probleme posé par le retrait des filaments thermo-
plastiques au sein d'un fil composite gui contient des fi-
laments de verre est résolu par un procédé de fabrication,
dlun fil composite formé par l'association de filaments
contlnus de verre issus d'une filière et de filaments con-
tinus de matière organique thermoplastique issus d'une tête
de filage dans lequel les filaments thermoplastiques sont
melés sous form~ d'une nappe à un faisceau ou nappe de fi-
la~ents de verre après avoir été chauffés à une temperature
supérieure à leur température de transformation, étirés
puis refroidis très rapidementO L'étirement ainsi réalisé à
chaud permet de modifier la structure des filaments ther-
moplastiques qui sont refroidis dans ce nouvel état. Apres
l'association des filaments thermoplastiques ainsi traité.~,
aux filaments de verre, les filaments thermoplastiques ne
2 ~ 7
présentent plus aucun retrait. Selon un mode préféré de
l'invention, les filaments thermoplastiques sont guidés
sous forme d'une nappe jusqu'aux filaments de verre et leur
sont mélangés à vitesses identiques sur la génératrice d'un
5 rouleau.
Il est également possible de conférer une vitesse su-
périeure aux filaments thermaplastiques. Pour efectuer le
mélange des deux types de filaments, il est alors pré$éra-
ble de procéder à une projection des filaments thermoplas-
.0 tigues sous la forme d'une nappe dans le faisceau ou lanappe de filaments de verre.
Dans un tel cas, c'est-à-dire lorsque les filaments
thermoplastigues sont projetés avec une vitesse ~upérieure
à la vitesse d'étirage des filaments de verre, on obtient
~5 un enchevêtrement de filaments thermoplastiques ondulés au
milieu de filaments de verre linéaires. Il est ainsi pos
sible d'obtenir un fil composite plus ou moins volumineux
qui peut notamment ê~re utilisé pour la fabrication de
tissus~
Grâce à l'invention, il est possible d'utiliser non
plus des manchettes épaisses qui devaient pouvoir supporter
les compressions dues au frettage occasionné par le re~
trait, mais des manchettes ordinaires qu'il est même pos-
sible d'enlever après formation des bobines qui deviennent
25 alors des pelotes. Ceci est intéressant car il est donc
possi~le d'utiliser les fils composites selon le principe
de la déroulée ou bien de la défilée, par l'intérieux comme
par l'extérieur.
II est également possible dans ce cas de réutiliser
30 ces manchett~s plusieurs fois, ce qui représente une éco-
nomie~
Un autre avantage de ce procéde est d'assurer une ho-
mogénéité du fil composite superieure à celle obtenue par
des procédés de ~abrication consistant à étirer une fibre
35 de verre ou une nappe de filaments de verre entourée de
filaments thermoplastigues.
L'invention propose également un di~positif permettant
la mise en oeuvre de ce procédé.
Selon l'invention, pour permettre la fabrication d'un
2~13~'7
Eil composite forme par l'association de filaments continus
de verre e~ de filaments continus de matière organi~ue
thermoplastique, ce disposi~if comprend dl une part une
installation comprenant au moins une filière, alimentée en
5 verre, dont la face inférieure est munie d'une multiplicite
d'ori~ices, cette f ilière étant associée à un rouleau
enduc~eur, d'autre part une autre installation comprenant
au moins une tête de filage alimentée sous pression en ma-
tière thermoplastique fondue, dont la face inférieure est
10 munie d'une multiplicité d'orifices, cette tête de filage
étant associéQ à un étireur, du ty~e à tambour~, à des
moyens de chauffage et de refroidissement et à un moyen
perme~tant de mêler les fil~ments thermoplas~iques aux fi-
laments de verre, enfin des moyens communs aux deux ins-
15 tallations permettant l'assemblage et le bobinage du fil
composite.
De façon préférée, 1'étireur à tambours possède au
moins trois groupes de tam~ours assurant une vitesse li-
néaire croissante des filaments thermoplastiques.
Le premier groupe composé par exemple de deux tambours
correspond à une zo~e de chauffage. Le second groupe est
composé par exemple de deux tambours animés de vitesses
supérieures à celles des précédents tambours. Le troi~ième
groupe composé par exemple de deux tambours animés de vi-
25 tesses iden~iques à celles du dernier tambour du deuxièm~
groupe, correspond à une zone de refroidissement.
La dimension des moyens de chauffage, leur nombre et
leur disposition sont tels que les filaments thermoplasti-
ques restent à leur contact un temps suffisamment long pour
30 modifier leur structure. D'autre part, l'élévation de tem-
pérature obtenue doit être uniforme et identique pour tous
les filaments de façon à ce que leur structure soit iden-
~ique après passage sur 1'étireur.
Selon un ~ode préféré de l'invention, les moyens de
35 chauf~age notamment électriques sont placés au moins da~s
le premier tambour de 1'étireur rencontré par les filaments
thermoplasti¢ues. De cette façon, le chauffage des fila-
ments thermoplastiques se fait par contact sur au moins un
tambour chauffant. Il est ainsi rapide et uniforme.
~ ~ 19 1
r
Il est également possible de disposer un autre moyen
de chauffage notamment du type infra-rouge au moins face au
premier tambour de 1'étireur.
Les moyens de refroidissement doivent également agir
très rapidement de façon à figer les filaments thermoplas-
tiques dans leur nouvelle structure.
Leur dimension, leur nombre e~. leur disposition sont
choisis tels que les filaments thermoplastiques restent en
contact un temps suf~isammen~ long pour figer leux struc-
t~ ture.
Le refroidissement des filaments thermoplastiques sefait de préférence par circulation d'un fluide au moins
d~ns le dernier tambour de 1'étireur.
Le moyen permettant de mêler les deux types de fila-
15 ment peut être constitué par l'association de deux rou-
leaux. Un premier rouleau-"guide", éventuellement moteur,
oriente la nappe de filaments thermoplastiques ~ers un se-
cond rouleau. Sur ce second rouleau, ~es filaments thermo-
plastiques se mêlent aux filaments de verre, également sous
20 la forme d'une nappe. Ce dispositif a l'avantage de créer
un entremêlement des ~ilaments, ceux-ci arrivant avec des
vitesses identiques. Le mélange de filaments obtenu ne
contient alors gue des filaments linéaires.
Dans une variante, il peut être intéressant d'obtenir
25 des fils composites dont les filaments de verre sont li-
néaires et dont les filaments thermoplastiques présentent
une ondullation. De cette façon, il est possible d'~btenir
un fi1 plus ou moins volumi~eux ~ui peut notamment être
utilisé pour la fabrication de tissus. Pour cette ré~lisa-
30 tion, il peut être intéressant d'utiliser un dispositifmettant en oeuvre les propriétés des fluides qui peuvent
être des liquides ou des gaz tels que de l'air pulsé ~u
comprime. Il peut s'agir par exemple d'un dispositif ven-
turi, qui permet de projeter les filaments thermoplastiques
35 dans une nappe ou un faisceau de ~ila~ents de verre, même
si les fil~ments thermoplastiques ont une vitesse supé-
rieure à celle des filaments de verre. Afin dlobtenir une
vitesse supérieure des filaments thermoplastiques,
1'étireur à tambours doit communig~ler aux filaments
2 1 1 9 ~ 3 1
thermoplastiques une vitesse supérieure à la vitesse
d'étirage des ~ilaments de verre.
Les dispositifs ainsi décrits permettent la réalisa-
tion de fils composites, à partir de filaments de verre et
5 de filaments thermoplastiques/ qui ne présen~ent aucune
déformation par la suite, c~est-à-dire qu'il ne se produit
plus aucun retrait des fil~ments thermoplastiques.
De tels dispositifs présentent également l'avantage de
pouvoir être réalisés sur un même niveau, contrairement à
10 certaines installations de l~art antérieur. Pour cela, il
est possible de disposer un élément de déviation tel qu'un
rouleau entre la tête de filage de matière organique et
1'étireur à tambours.
D'autres détails et caractéristigues avantageuses de
15 l'inven~ion ressortent ci-après de la description des
exemples de dispositi~s mettant en oeuvre l'invention dé-
crit en références aux figures qui représentent :
- figure 1 : une représentation schématique d'une
installation selon l'invention,
- figure 2 : une représentation schematique d'un se-
cond mode de réalisation,
- figure 3 a,b,c : des représentations schPmatiques de
coupes droites de fils composites obtenus selon l'invention
et selon les techniques antérieures.
Sur la ~igure 1 est représentée une vue schéma~ique
d'u~e installation complète selon l'invention. Une filière
1, alimentée en verre soit depuis l'avant-corps d'un four
qui achemine directemen~ le verre en fusion jusqu'a ~on
sommet, soit par une tremie contenant du verre froid, par
30 exemple sous ~orme de billes, qui tombe par simple gravité.
Selon l'une ou llautre de ces alimentations, la filière 1
est habitu~llement en alliage platine-rhodium et chauffée
par e~fet joule de façon à refondre le verre ou à le main-
tenir à une température élevée. Le verre fondu s'écoule
35 alors sous la ~orme d'une multitud2 de filets étirés sous
la forme d'un faisceau 2 de ~ilamen~s, par un dispositif,
non représenté ~ui permet Pgalement de former la bobi~e 3,
sur lequel il sera r~enu par la suite. Ces filaments 2
passent ensuite sur un rouleau enducteur 4 qui depose un
apprêt ou ensimage sur les filaments de v~rre. Cet ensimage
~eut comprendre des composes, ou leurs dérivés, constituant
les filame~ts thermoplastiques 5 gui vont venir s'associer
aux filaments de verre pour former un fil composite 6.
S Sur cette figure 1, est également representée schéma-
tiquement une t&te de ~ilage 7 d'oi~ sont extrudes les fi-
laments thermoplastiques 5 9 La tête de filage 7 peut être
alimentée par un matériau thermoplas~iqu~, par exemple du
type polypropylène, stocké par exemple sous forme de gra-
10 nulés qui est fondu puis qui s'écoule sous pression par de
multiples orlfices placés sous la tête de filage 7, pour
former les filaments 5 par étirage et refr~idissement. Le
refroidissement des filaments est réalisé par conveetion
forcée, par un dispositif de condi~ionnement 8 de forme
15 adaptée a celle de la tête ae filage 7 et qui génere un
écoulement d'air lami~aire perpendiculaire aux filaments.
L'air de refroidissement a un debit, une temprature et une
hygrométrie maintenus constants. Le~ filaments 5 passent
ensuite sur un rouleau 9 gui perme~ d'une part de les ras-
20 sembl~r sous la forme ~'une nappe 10 et d'autre part, dedévier leur trajectoire. De cette façon, il est possible de
disposer la filière 1 et la tête de filage 7 sur un meme
niveau et donc de poUYOir réaliser des fîls composites sur
des sites où jus~ue là n'étaient réalisées que des fils de
2S verre, sans nécessiter de grosses modifications si ce n'est
l'installation d'une position de filage pour thermoplasti-
que. ~n effet, les dispositifs déjà proposés pour la réa-
lisation de fils composites nécessitent en général une ar-
rivée du fil ou de la nappe de filaments ~e verre au-dessus
30 de la filière thermoplastigue et donc une installation de
la filière de verre sur ~n niveau plus élevé. Cela co~duit
généralement à une totale modification des structures.
Après passage sur le rouleau 9, la nappe 10 de fila-
ments thermoplastiques passe sur un étireur a tambours 11
35 formé par exemple de si~ t~mbours 12, 13, 14~ 1~, 16, 17.
Ces tambours 12~ 13, 14, 15, 16, 17 ont des vitesses
différentes de sorte qu~ils créent une accélération dans le
sens du défilement des filaments thermoplastiques. Ces
ta~bours sont également associés aux dispositifs de
191~7
a
chauf~age et de refroidissement qui ne sont pas représe~tés
sur les figures~ Dans le cas représenté, les tambours peu-
vent par exemple fonctionner par paire. Les tambours 12, 13
sont alors associés à un dispositi~ de chauffage. Ce dis-
5 positif est par exemple un système électrique qui procureune élévation de température des filamen~s thermoplastiques
homogène et rapide car le chauffage se fai~ par contact.
Ces tambours 12, 13 sont animés d'une vitesse, identique
pour les deux, qui permet l'étirage des filaments thermo-
10 plastigues depuis la tête de ilage 7.
La seconde paire de tambours 14, 15 est animée d'unevitesse supérieure à celle de la première paire. Les fila-
ments thermoplastiques chauffés lors de leur passage sur la
première paire de tambours à une température définie par la
15 nature du matériau thermoplastique, subissent une accéle-
ration due à la différence de vitesses entre les deux
paires de tamboursO Cette accélération entraîne une élon-
gation des filaments thermoplastiques ~u~ modifie leur
structure.
La dernière paire de tambours 16, 17 est animée d'une
vitesse identique a ce~le de la précédente et compoxte u~
dispositif de refroidissement par exemple du type "water-
jacket" qui permet de figer l~s filaments dans leur nouvel
état.
2~ Le chauffage et le re~roidissement des filaments
thermoplastiques doivent être executés rapidement et ~e
fason homogène. Le choix des moyens y contribuent comme
nous 1'avons vu précédemment. D'autre part, 1'inYention
consiste en un traitement de filaments et non de fils comme
30 il est usuel de le faire. Le chauffage et le refroidisse-
ment des filaments ~euvent etre réalisés plus rapidement et
de fason plus homogène que s'il s'agissait du traitement
d'un fil, du fait de la surface d'échange thermique par
quantité de matière plus importante.
L'étireur 11 peut également etre constitué de plu~ de
tambour~ tout en respecta~t les trois zones précédemment
décrites : chau~fage, étirage, refroidiss~ment. D'autre
part, chacune de ces æones peut se composer d'un unique
tambour. Il est égaleme~t possible que ces trois ~ones se
2~ 7
répetent plusieurs fois, c'est-à-dire que les filaments
thermoplastiques apres avoir subi le traitement précedem-
ment décrit peuvent a nouveau être traités une ou plusieurs
fois par des passages successifs dans des zones du même
5 type en renouvelant à chaque fois le processus : chauffage,
étirage, refroidissement.
Pour contribuer aux étapes de chauffage ou de refroi-
dissement, il est également possible d'intercaler des dis-
positifs fixes, chauffants ~ permettant un refroidisse-
10 ment, entre les rouleaux de l'étireux, sur lesquelsviennent glisser les filaments ~hermoplastiques. Il est
ainsi possible d'augmenter les temps de contact permettant
les échanges thermigues soit pour 1'étape de chauffage~
soit pour l'étape de refr~idissement.
La nappe 10 de filaments thermoplastiques passe en-
suite ~ur un rouleau "guide" 1~ éventuellement moteur et un
rouleau "presseur" 19. Les filaments thermop~astigues sont
alors mêlés aux filaments de verre de fason a ce que la
jonction des deux nappes se fasse sur une génératrice du
20 rouleau "presseur" l 9 o Ce dispositif de mélange pe~met de
bien ~éfinir la géométrie de la nappe de filaments thermo-
plastigues et permet donc un mélange très homogène.
L'ensemble des filaments de verre et thermoplastiques
passe ensuite sur un disposi.tif 20 qui permet l'assemblage
2~ de ces filaments pour former un fil composite 6. Ce fil
composite 6 est alors immédiatement mis sous forme ~'une
bobine 3 par un dispositif non représenté qui permet
1létirage des filaments de verre à une vitesse linéaire
donnée, maintenue constante ~our garantir la masse linéique
~0 recherchée.
Cette vitesse linéaire qui permet l'etirage des fila-
ments de verre doit être identique à celle que communigue
les tambours 14, l~ à la nappe de filaments thermoplasti-
ques. De cette fasonJ tous les filaments ont la même ~i-
35 tesse lors du mélange et le fil composite ne présente au-
cune ondulation lors de sa formation.
Il est également possible de fabriquer un fil compo-
site a haute capacité de remplissage, c'est-à-dire qui
comporte des f ilaments de verre linéaires et des f ilaments
thermoplastiques ondulés. Ce ~ype de fil composite est no-
tamment intéxessant pour certaines applications de tissage
car il apporte une épaisseur au tissu.
Pour réaliser un tel fil composite, il est préférable
5 de modifier le dispositif représenté sur la figure 1 et
plus particulièrement le système permettant le mélange des
filaments thermoplastiques aux filaments de verre.
Cet autre dispositif est représenté sur la figure 2.
N'apparaît sur cette figure gue le dispositif de mélange
10 des deux types de :Eilaments. Le reste du dispositif reste
identi~ue à la figure 1. Une différence essentielle mais
non représentée est que la vitesse communi~uée à ~a nappe
de filaments thermoplastiques, par l'étireur ll et plus
précisément par les tambours 14, 15, n'est plus identique à
15 la vitesse d'étirement des filaments de verre. ~n effet, de
façon à obtenir des filaments thermoplastiques ondulés dans
le fil composite, leur vitesse doit 8tre supérieure à la
vitesse d'é~irement des filaments de verre, lors du mé-
lange.
Sur cette figure 2, est représentée la nappe 10 de
filaments thermoplastigues après son passage sur l'étireur
11 qui n' est pas représenté O la nappe 10 qui a donc déjà
subi un traitement sur 1'étireur et gui a la vitesse dé-
sirée, passe sur un rouleau de déviation 21 puis au travers
25 d'un système venturi 22~ Ce dispositif assure la projection
de la nappe 10 de filaments thermoplasti~ues dans la nappe
23 de filaments de verre, en maintenant les filaments
thermoplastiques individualisés. Par contre, le dispo~itif
venturi ne communique aucune vitesse supplémPntaire a la
30 nappe 10 de sor~e qu'un minimum d'air comprimé soit pro~eté
sur les filaments de verre. De cette façon, les risques de
perturbation dans les filaments de verre, dus à 1'envoi
d'air comprimé en plus de la projection de filaments ther-
moplastiques sont limités au maximum~
Un élément 27 ~eut également être ajouté à ce dispo-
sitif~ Il s'agit d'un plateau comportant un renfoncement
ayant unP dimension permettant le passage de la nappe de
filaments de verre. Cet élément 27 permet notamment de
conserver la géométrie en form~ de nappe 10 des filaments
17
.` 1 1
thermoplastiques après la projection et évite la divergence
des filaments thermoplastiques.
Cet élément 27 est de préfére~ce réalisé en une ma-
tiere composite de tissu textile et de résine phénolique du
5 type bakélite, permettant le glissement des filame~ts.
Sur la fi~lre 2, les filaments thermoplastiques sont
projetés dans une nappe de filaments de verre après son
passage sur le rouleau ensimeur 4. Il est également possi-
ble de réaliser une projection des filaments thermoplasti-
10 ques dans le faisceau 2 de filaments de verre, c'est-à-dire
avant passage de ceux-ci sur le rouleau ensimeur 4. L'ho-
mogénéité du mélange de filaments obtenue peut être supé
rieure dans ce dernier cas.
Les filaments thermoplastiques étant projetés dan~ la
15 nappe ou faisce~u de filaments de verre, les deu~ types de
filaments se melangent pour former un fil composite sur un
dispositif 20 identique à celui de la figure 1.
Ces techniques conduisent donc à la formation de bo-
bines de fils composites qui contrairement à celles obte-
20 nues jusque là~ ne presentent plus d'ondulations dues auxfilaments de verre et peuvent être deroulées sans pro-
blèmes. Il est également possible, les bobines ne se dé-
for~ant plus, d'enlever la manchette, qui peut al~rs être
réutilisée, et de les dévider par l~intérieur. D'autre
25 part, les filaments de verre restent linéaires et peuvent
jouer pleinement leur rôle de renfort unidirectionnel,
lorsqu'il est recherché, dans les pièces réalisées à partir
de ces ils composites.
Sur les figures 3 a,b,c sont représentées schémati-
30 quement des coupes droites de fils composites obtenus pardif~érents procédés. La figure 3a est une représentation
d'une coupe d'un fil composite obtenu selon l'in~ention. On
observe une répartition homogene des filaments thermoplas-
tiqu~s 25 et des filaments de verre 26. Une bonne homogé-
35 néisation du fil composite conduit à une meilleure cohésiondu ~il composite. Les figures 3b et 3c représentent des
coupes droites de fils composites obtenus par d'autres
procédés tels que l'utilisation d'une filièr~ thermoplas-
tique annulaire, soit par association fil à ~appe I Eigure
2 ~ 7
~2
4b~, soit par association nappe à nappe (figure 4c). Dans
ces deux cas, la répartition des filaments est moins homo-
gène et le coeur du fil est une zone privilégiee pour les
filaments de verre 26', 26" al~rs que les filaments ther~
5 moplasti~ues 25', 25'' sont plus en périphérie. Notons que
1'assemblage nappe à nappe aboutit à une meilleure homoyé-
néisation.
Il est possible d'apporter quelques modifications aux
dispositifs décrits. Tout d'abord, la solution d'ensima~e
10 peut contPnir un photo-amorceur, susceptible d'initier une
transformation chimi~ue de l'ensimage sous l'action d 7 un
rayonnement actinique. Un tel ensimage permet d'auymenter
encore la ~ohésion du fil composite. Pour le mettre en
oeuvre, il suffit de disposer sur le parcours du fil c~m-
15 posite une source de rayonnements du type ultra-violets
entre le dispositif d'assemblage et le dispositif per-
mettant la réalisation d'une bobine. Il peut éyalement
s'agir d`un amorceur thermi~ue qui est mis en oeuvre par ~n
traitement thermique.
Il est également possible d'associer l'invention à la
réalisation de fils composites complexes, c'est à dire de
fils composi~es comportant dif~srentes matières oxganiques
thermoplas~iques~ Pour cela, il est possihle de projeter
des filaments ~e différentes natures obtenus par ~xemple à
2~ partir de plusieurs tetes de filage et préassemblés ava~t
la projection sur les filaments de verre.
