Solution d’enroulement N°1

Généralement, l'enroulement proprement dit s'effectue sur un moule mis en rotation. De ce principe vient l’idée de cette première solution, qui est basée essentiellement sur l’enroulement d’une bobine du matériau d’âme (voir Figure II-60). Il faut donc s’assurer premièrement de la faisabilité et de l’industrialisation de ce procédé, et prendre en compte le fait qu’il y a un vaste choix de matériaux sur le marché et que chacun demande une mise en œuvre spécifique selon la résine utilisée, la méthode de fabrication, la température, la durée de polymérisation etc.

La première étape consiste en l’enroulement de la peau intérieure de la structure sandwich par la superposition de plusieurs couches de fibres qui passent préalablement à la dépose dans un bain de résine. En effectuant un mouvement de va-et-vient le long de l’axe du mandrin le chariot de guidage des fils permet la dépose des différentes couches. Une tension mécanique de l’ordre de 15 N est appliquée approximativement à chaque fil. D’après le cahier des charges fixé par le projet, la longueur minimum de l’enroulement, qui est la longueur totale de la citerne à fabriquer, doit faire 4226 mm. Le diamètre du mandrin sur lequel s’effectue l’enroulement est fixé à Ø 1500 mm (diamètre intérieur de la citerne). Ainsi, toute solution proposée doit respecter ces dimensions pour la cuve.

Figure II-60 : Illustration du concept de base de l’enroulement de sandwich.

Figure II-61 : Dépose de l’âme sandwich avec un certain angle.

La Figure II-60 illustre l’idée qui consiste à disposer d’un matériau d’âme disponible en rouleau, pour être enroulé ensuite sur la première couche de fibres avec un certain angle

d’enroulement qui dépend de la largeur du rouleau (Figure II-61). Il faut aussi corréler cela avec le diamètre de la bobine qui doit rester adapté aux machines utilisées pour assurer une bonne ergonomie dans le milieu de travail. Ce paramètre dépend essentiellement de l’épaisseur de l’âme et de la longueur totale à enrouler pour faire une citerne entière.

Une couche de résine doit d’abord être appliquée sur la première couche de fibres avant la dépose de l’âme sandwich pour assurer l’adhérence entre les différents constituants. En plus, une légère tension, comme pour les fils, doit être appliquée sur le rouleau de l’âme pour assurer le maintien du matériau sur le mandrin. La bobine se place donc plus vers le sol, dans la conception proposée, pour garantir premièrement ce besoin et pour faciliter la manutention pour l’opérateur qui va faire effectuer cette tâche. La résine, déjà pressente sur le mandrin, va aider l’âme sandwich à adhérer plus facilement aux fibres et à suivre le sens de l’enroulement. Cette solution d’enroulement est schématiquement décrite aux Figure II-62 et Figure II-63. Il faut remarquer que la bobine d’âme se situe sur le même chariot que celui qui guide les fils à enrouler. Egalement, cette bobine est posée en même temps sur un chariot orientable pour assurer l’angle d’enroulement voulu du matériau d’âme et éviter ainsi le chevauchement des couches déposées et les fibres qui tombent dans les jointures entre les bandes du matériau. Techniquement, pour garantir la dépose en continue des bandes d’âme sandwich, un film doit relier les plaques du matériau en le déposant sur la face supérieure pour éviter aussi que la résine ne tombe dans les fentes. D’après notre partenaire industriel, on doit avoir un diamètre de la bobine d’âme ne dépassant pas les 1500 mm.

Figure II-63 : Vue de dessus de la solution d’enroulement des bobines d’âme.

Après la pose de l’âme, vient l’enroulement de la peau supérieure de la structure sandwich. La polymérisation de l’ensemble est ensuite réalisée en mettant des lampes infrarouges en même temps que le mandrin tourne pour uniformiser la polymérisation de la résine sur toute la surface de la cuve. Il faut noter qu’entre les différentes phases de fabrication, il faut attendre 2 à 3 heures pour que la polymérisation soit effective. Egalement pour dé- mandriner la structure enroulée, il faut attendre au moins 3 heures après la fin de la pose de la 2ème peau. Cette solution possède notamment des avantages concernant le temps de production nécessaire et le prix de la matière première. Cependant, la demande d’outillage nécessaire à la production et la facilité de mise en œuvre de la structure sandwich restent des points durs industriellement.

En parallèle à cette étude, une feuille de calcul a été élaborée pour prédire le diamètre des bobines d’âmes sandwich, en prenant comme idée le principe du filetage des vis illustré dans la figure ci-dessous :

Figure II-64 : Principe de filetage des vis.

En effet, il suffit de calculer la surface de la face latérale de l'âme. Etant déroulée, cette surface fait un rectangle de largeur « l » (en m) multipliée par l’épaisseur de l’âme « e » (en m). La surface latérale de l’âme enroulée est calculée donc comme suit (en m²) :

Supposant que la bobine est enroulée sur un petit cylindre intérieur de diamètre « c » (en m), pris en compte dans les calculs, on obtient une bobine de diamètre global « D » (en m), donc la surface globale obtenue est calculée par π x (D²/4), composée de la surface latérale du petit cylindre intérieur, soit π x (c²/4) et de la surface latérale de l'âme enroulée (2.45). Donc on a :

𝜋𝐷

4 = 𝜋

𝑐

4 + 𝑆 (2.46)

L’équation (2.46) permet de calculer le diamètre global recherché de la bobine « D » (m) :

𝐷 = 𝑐 +4 × 𝑆

𝜋 (2.47)

Pour récapituler, la Figure II-65 illustre la relation entre les paramètres d’entrée et de sortie du calcul, à savoir : la largeur de la bande du matériau d’âme à déposer l (mm), son épaisseur e (mm), le diamètre de la citerne d (mm) et sa longueur C (mm) comme des paramètres d’entrée (Figure II-66). Les 4 paramètres de sortie essentiels sont :

 i) l’angle d’enroulement des bandes sandwich ;  ii) le nombre de tours de l’enroulement total ;

 iii) la longueur totale d’âme nécessaire pour couvrir toute la citerne ;  iv) le diamètre de la bobine comme résultat principal.

Figure II-66 : Paramétrage du système Mandrin + Sandwich.

Quatre abaques peuvent alors être calculés (Tableau II-4) qui illustrent l’évolution des principaux paramètres définis pour l’obtention, respectivement, de :

1) l’angle d’enroulement qui doit être appliqué ;

2) le diamètre de la bobine de l’âme sandwich à utiliser pour l’enroulement en fonction des différents diamètres possibles du mandrin, de l’épaisseur de l’âme et sa largeur.

(a) Angle d'enroulement = f (largeur âme)

(b) Diamètre de bobine d'âme = f (largeur âme)

(c) Diamètre de bobine d'âme = f (épaisseur âme)

(d) Diamètre de bobine d'âme = f (diamètre de la citerne)

Plusieurs constatations peuvent être faites :

 (a) L’angle d’enroulement α (°) évolue linéairement en fonction de la largeur de l’âme sandwich l (m), pour une épaisseur de l’âme e fixée à 25 mm par exemple ;

 (b) Le diamètre de la bobine de l’âme D (m) est inversement proportionnel à la largeur de l’âme l (m), pour une épaisseur d’âme e fixée à 25 mm comme exemple ;

 (c) Le diamètre de la bobine de l’âme D (m) est proportionnel à l’épaisseur de l’âme e (m), pour une largeur d’âme l fixée à 1000 mm par exemple ;

 (d) Le diamètre de la bobine de l’âme D (m) est proportionnel au diamètre du mandrin de fabrication d (m), pour une épaisseur d’âme e fixée à 25 mm et une largeur d’âme l fixée à 1000 mm par exemple.

Remarque : Il faut noter que le diamètre du cylindre intérieur (Ø initial de la bobine globale) est fixé à 1200 mm afin de pas abimer l’âme sandwich qui doit être enroulée convenablement.

L’idée est de pouvoir choisir convenablement, à titre d’exemple, la largeur de la bande sandwich déposée sur le mandrin, en adéquation avec l’angle d’enroulement qui n’engendre pas de chevauchement des nappes au cours de fabrication. En effet, on remarque une forte sensibilité du diamètre global de la bobine par rapport à la largeur de l’âme déposée, surtout pour des valeurs de largeur inférieures à 0,4 m. Néanmoins, plus la largeur de la bande augmente, plus les valeurs du diamètre de la bobine sont rapprochées (entre 1,4 m et 1,5 m). L’épaisseur choisie de l’âme sandwich influence notamment sur le diamètre de la bobine globale du matériau, qui augmente linéairement. Une relation linéaire existe également pour l’angle d’enroulement en fonction de la largeur de la bande d’âme et aussi le diamètre de la bobine en fonction du diamètre de la citerne.