Brevet FR2524381A1 — publié le 19831007

PRESSAGE D 'ARTICLES EN POLYM 1 ERES TIHERMODURCISSABLES RENFORCES La présente invention a trait A la fabrication d'articles à base de polymères thermodurcissables renforcés et plus précisément au formage d'objets de formes diverses par moulage et polymerlsation de préimprégnés, préparés en couches minces, épaisses, ou même en masses constituées de résines thermodurcissables renfermant diverses charges et jusqu'à 30 Z et plus de fibres de verre de renfort. L'élaboration de nombreux panneaux plans ou peu bombés re- court à un formage qui s'apparente à l'emboutissage des tôles et s'ef- fectue sous de très faibles pressions, sans fluage important, à partir de nappes planes plus ou moins complexes renfermant de tels produits. S'il s'agit de pièces plus compliquées, le moulage des matiè- res thermodurcissables peut au contraire s'effectuer par injection, comme dans le cas des matières thermoplastiques, mais sous très haute pression; il s'agit alors d'un procédé coûteux reservé a des pièces complexes, et qui n'est pas sans inconvénients pour la résistance des fibres de renfort. Un autre procédé consiste à utiliser un moulage à pression moyenne de la matière mise en place à l'état pâteux entre les plateaux d'une presse conventionnelle; cette dernière solution permet d'obtenir des pièces d'épaisseurs variables, de formes plus simples que dans le cas précédent, néanmoins susceptibles de présenter des nervurations importantes, telles que des panneaux fortement bombés ou des caissons de types divers C'est ce procédé que l'invention se propose de per- fectionner. Dans tous les cas, si l'on veut atteindre des cadences in- dustrielles, le processus de fabrication exige en pratique un chauffage destiné à provoquer rapidement, après un stade éventuel de gélification, la polymérisation complète de la résine Pour ce qui est du moulage conventionnel à pression moyenne à partir de résines à l'état pâteux, il est connu d'employer des moules chauffés par conduction, en particu- lier au moyen d'une circulation de fluide caloporteur Toutefois, dès que l'épaisseur des pièces à fabriquer atteint quelques millimètres, l'opération se révèle difficile en raison de la mauvaise conductibilitê thermique des matières utilisées et du caractère parfois très exother- mique de la réaction; en bref, un chauffage externe permet difficile- ment d'obtenir dans de bonnes conditions une refluidification homogène et, par conséquent un fluage uniforme, non plus qu'une polymérisation à coeur. Il est aussi connu d'utiliser les propriétés de bon nombre de résines thermodurcissables (en particulier les résines phénoliques ou polyesters) pour effectuer le chauffage par voie interne, sous l'effet des pertes diélectriques provoquées par un champ de haute fréquence Ce processus, utilisé de longue date procure certes un échauffement plus homogène, tout au moins dans la mesure o le champ électrique est suf- fisamment uniforme; cependant, les pertes par les parois conduisent facilement à un inconvénient inverse du précédent. Diverses tentatives ont donc été faites pour vaincre cette difficulté On a bien entendu envisage de chauffer la matière avant in- troduction dans le moule, à une température évidemment inférieure à sa température de gélification, pour augmenter le temps accorde à la matu- ration et réduire ainsi les gradients thermiques sans immobiliser à l'excès la pièce dans le moule Un tel préchauffage possède en général pour avantages aussi bien de faciliter tout d'abord le fluage de la masse à mouler et permettre un bon remplissage du moule que d'accélérer les cadences en raccourcissant la durée de cuisson proprement dite. On a encore entrepris, au moins dans des cas simples, de mu- nir la face externe des parois de moulage, qui serviront aussi d'élec- trodes, d'un système de chauffage externe à fluide caloporteur permet- tant, après pressage, d'appliquer à l'ébauche obtenue un double échauf- fement, à la fois interne par haute fréquence et externe par conduction. Il a également été propose de neutraliser l'effet de paroi froide du moule, en employant, pour isoler des surfaces de formage le coeur de la pièce à mouler, une feuille déjà polymérisée, destinée à former ensuite face de parement; on peut, à défaut, équiper le moule de parois internes minces, thermiquement isolées de la structure por- teuse résistant à la pression, de façon que ces parois, constituant les armatures du condensateur de chauffage HF présentent une faible inertie thermique et ne refroidissent donc pas trop la matière On peut enfin chauffer extérieurement le moule par conduction sur la presse, avant de le transférer dans un four de polymérisation par chauffage diélectrique, ou inversement, pour amorcer la polymérisation, préchauffer la matière sous haute fréquence avant de la mouler à l'intérieur d'un moule chauf- fé par conduction, o s'achève la réticulation, compensant ainsi d'un stade à l'autre les écarts de température observés. Le procédé le plus élaboré, déjà ancien (FR A 1 232 996), se situe dans le même esprit; il prévoit les phases suivantes, correspon- dant à trois étapes de mont 6 e en température: préchauffage, de préférence externe et d'ailleurs facultatif moulage à la c 8 te désirée chauffage diélectrique sous haute fréquence, bref et aussi précoce que possible, pour provoquer la gélification; chauffage final par conduction pour obtenir la polymérisation. Le procédé de l'invention se propose de parvenir à des résul- tats analogues par la voie la plus simple Il consiste: à chauffer la matière par voie interne dès le début de son pressage pour atteindre, par une montée en température suffisante, la fluidi- fication qui permet d'obtenir un parfait remplissage du moule; à continuer de chauffer par voie interne après formage et obtention de la cote désirée pour porter le coeur de la pièce à la température voulue, tout en stockant dans le moule, formé d'el 6 ments d'une épais- seur suffisante pour avoir une capacité calorifique à tout le moins égale à celle de la pièce à mouler et isolé extérieurement, la cha- leur que la matière lui transmet par conduction, de façon R se trou- ver en mesure de réutiliser cette chaleur après un temps mort minimal dû au démoulage, pour obtenir aussi un chauffage externe de la matière, à partir de la masse du moule, lors de l'opération suivante. Une fois le régime permanent obtenu, il est facile de se ren- dre compte que l'invention permet, par l'emploi d'une source d'énergie unique mais mise en oeuvre en mime temps que le pressage, d'obtenir très simplement un processus d'élaboration des pièces qui s'est révélé d'une efficacité au moins comparable à celle des procédés antérieurs les plus complexes. Les exemples, dont le premier sera décrit en référence aux dessins, permettront de faire apparaître de façon plus détaillée les caractéristiques de l'invention. Ces dessins montrent: figure 1: une double représentation groupant une vue en plan (a) et une coupe élévation (b) d'une pièce en résine renforcée, figure 2: en coupe élévation, un moule destiné à la mise en oeuvre de l'invention. figure 3: un détail sur le joint du moule montré figure 2. La pièce visible sur la figure 1 est un bottier circulaire 1 possédant la forme d'une cuvette d'un diamètre de 250 mm et d'une épaisseur de 13 mm, barrée intérieurement par une nervure 2 qui court d'un bord à l'autre, porteuse en outre d'un bossage circulaire tronco- nique 3 et d'un logement 4, parall 6 lépipédique avec une légère dépouil- le Les bords relevés 5, d'une hauteur de 40 mm, possèdent une lèvre supérieure 6 d'une largeur de 5 mm et, au voisinage de son arête exté- rieure, une portée externe cylindrique 7 d'une hauteur de 12 mm Sa masse est de 1320 g. Le moule, représenté figure 2, est monté sur les mâchoires 8 et 9 d'une presse hydraulique, la première fixe et solidaire du bâti, la seconde mue par un vérin capable de développer une force de 70 tonnes Il se trouve en position fermée, en fin de course de pressage mais vide, et sa mâchoire 9 est également figurée en 9 ', en traits mix- tes dans la position qui permet d'y introduire la masse à mouler Il se compose de deux parties métalliques amagnétiques, en alliage léger (AU 4 G) par exemple, à savoir une matrice 10 associée à un poinçon 11, dont les masses respectives sont de 8 et 7 kg, plus de cinq fois supé- rieuresà celle du bottier 1 Ces deux pièces constituent des parois épaisses portées respectivement, avec interposition de deux couches isolantes 12 et 13 en amiante-ciment de 5 mm d'épaisseur, par deux pla- ques de montage 14 et 15, elles aussi en alliage léger AU 4 G Les deux couches d'amiante-ciment 12 et 13 ont un rôle essentiellement thermique et permettent de retenir, donc d'accumuler à l'intérieur du moule, con- formement à l'invention, la chaleur dégagée au sein des pièces au cours du traitement. Les plaques 14 et 15 sont elles-mêmes montées sur les m 8 choi- res de la presse, avec interposition de deux couches isolantes 16 et 17, par l'intermédiaire de deux plateaux support en acier 18 et 19 Une jupe thermiquement isolante 20 peut entourer totalement ou partielle- ment la matrice 10 pour réduire encore les pertes thermiques du moule. Les deux couches isolantes 16 et 17, d'une épaisseur de 25 mm, sont constituées d'une résine fluorée telle que le polytêtrafluor 6- thylène, et tout en répartissant la pression sur le moule, elles rem- plissent essentiellement un rôle d'isolant électrique Les plaques 14 et 15 sont fixées sur les plateaux 18 et 19 par des boulons 21 isolés bagues céramiques 22. Les deux parties principales du moule, à savoir la matrice 10 et le poinçon 11 constituent les deux armatures d'un condensateur qui permet de créer dans l'espace interne et par conséquent dans la résine un champ électrique de haute fréquence A cette fin, le moule est ali- menté en courant sous une tension de 2 k V et à une fréquence de 13,5 M Hz, à partir d'un générateur 23 d'une puissance disponible de 5 k W qui lui est raccordé par deux conducteurs 24 et 25 dont le second au moins est constitué d'une tresse métallique souple Ce générateur est muni d'un circuit d'accord réglable représenté sur la figure sous la forme du condensateur variable 26. Un joint isolant rigide 27 vient fermer l'espace intérieur dessinant la pièce lors de la descente du poinçon Il s'agit d'un joint radial qui, après avoir atteint la position de fermeture, vient coulis- ser en face de la paroi cylindrique interne 28 de la matrice. De façon avantageuse, et comme le montre mieux la figure 3, c'est la face inférieure 27 a du joint 27 qui, débordant suffisamment sur la partie inférieure du poinçon, forme la portée délimitant la lè- vre supérieure 6 du boîtier 1; mais il importe que sa face supérieure 27 b soit bien épaulée pour qu'il reste pratiquement exempt de déforma- tion sous l'effort important que lui transmet alors la pression de moulage. Le joint est donc monté sur le poinçon dans un dégagement pé- riphérique o il est maintenu en place par une bride 29 que pressent des vis 30 disposées sur le pourtour d'une plaque de montage 31, tou- jours en alliage léger Bien entendu, il est également indispensable que l'espacement entre les parties métalliques du moule solidaires du poinçon et de la matrice reste partout suffisant pour éviter l'appari- tion d'une décharge entre les armatures. En tout état de cause il est nécessaire que le joint soit rigide, résistant à l'-usure, qu'il n'adhère pas à la matière plastique utilisée et que son coefficient de pertes diélectriques soit suffisam- ment faible C'est pourquoi on adoptera avantageusement un joint cons- titué d'une âme rigide en polyimide armée de fibres de verre mais revêtue d'une couche anti-adhérente en polytêtrafluoréthylène. Pour que le jeu existant alors entre le joint 27 et la paroi 28 reste constant sur l'ensemble du pourtour du moule, la plaque 14 reçoit des colonnes 32 sur lesquelles des bagues électriquement isolan- tes 33, en céramique, guident en face d'elle la plaque de montage 15. Un jeu diamétral de l'ordre de 0,2 mm crée une fente suffi- sante pour permettre à l'air de s'échapper au fur et à mesure que le poinçon, continuant à descendre après la fermeture du moule, écrase la masse à mouler mais cependant assez faible pour empêcher, par le jeu des forces capillaires, la résine de fluer vers l'extérieur dans les régions o elle atteint le joint 27, ce qui oblige la matière à remplir progressivement l'espace libre délimité par ce joint Au fur et à mesu- re de la descente du poinçon, la matière vient ainsi remplir la tota- lité de l'espace interne, en chassant l'air, jusqu'à ce que l'augmen- tation de pression résultant de l'incompressibilité de la résine vienne équilibrer la pression du vérin, réglée à une valeur de 20 à 30 B. Le chauffage sous haute fréquence commence aussitôt après remplissage du moule, dès que les armatures sont assez rapprochées pour qu'un champ électrique suffisamment intense puisse apparattre entre elles En pratique, le générateur 23 peut être mis en route à peu près au moment o le joint 27 vient fermer le moule, la capacité du conden- sateur formé par ce dernier augmentant au fur et à mesure que le poin- çon se rapproche de la matrice Il est intéressant, pour qu'un champ électrique suffisant apparaisse aussitôt que possible et se maintienne à la valeur désirée pendant toute l'opération, de faire varier l'accord du générateur en fonction de la course du poinçon en modifiant selon un programme convenable la capacité du condensateur 26. En fin d'opération, la pièce est expulsée par un système d'éjecteurs électriquement isolés, qui, par raison de simplicité, n'a pas été montré sur les dessins car il est de structure classique. Deux exemples de fabrication de pièces selon l'invention se- ront décrits de façon détaillée Ils correspondent au moulage de pièces en polyester, l'une de caractéristiques correspondant à celles qui ont été décrites en liaison avec la description des figures, l'autre ayant la forme d'une coupelle tronconique de plus petites dimensions Dans le premier cas, on a utilisé un préimprégné TMC d'une masse surfacique de 42 kg/m 2 b découpé en pastilles circulaires Dans le second, un préim- prégné SMC d'une masse surfacique de 5 kg/m 2, découpé en blocs de forme carrée La composition du produit, les dimensions principales des pii- ces fabriquées et les principaux paramètres du moulage sont donnés pour chacun des exemples dans le tableau ci-après Dans le cas de l'exemple 1, des essais ont en outre été faits à l'aide d'un préimprégné consti- tué de trois couches superposées, de 4 mm d'épaisseur chacune et de mê- me composition mais différemment colorées Ils ont permis de montrer que, contrairement à ce qui se produit au cours d'une opération de mou- lage classique dans laquelle le moule resterait à basse température, les trois couches de matière fluent de façon pratiquement identique et sont ainsi présentes sous des épaisseurs sensiblement égales dans la quasitotalité de la section transversale de la pièce, comme le repré- sente la figure 1 qui fait apparaltre les deux lignes de démarcation 1 ' que l'on peut alors observer en coupe. Préimprégné Dimensions des blocs (mm) Composition (parties en poids) Rsine polyester (Leguwal W 20 de Bayer) Carbonate de calcium (Millicarb Omya BL) Poudre de polyéthylène (Coathylène de Plast-Labor) Stéarate de zinc Oxyde de titane O O yde de magnésium empaté Perbenzoate de tertiobutyle -(Trigonox C) (Trigonox 21 S) Renfort fibres de verre (EC 17 4800 P 279 de VSG) épais ( 1 couche) 200 x 12 4,8 mince ( 6 couches) x 12 Pièce moulée Masse Diamètre Epaisseur Hauteur Moulage Pression maximale Temperature de moule Tension d'alimentation Fréquence Puissance HF utilisée g mm mm mm g mm mm mm B C oc k V M Hz k W B C 2 k V 13,5 M Hz 4 k W 13,5 1,7 Cycle opératoire Chargement du moule Fermeture du joint Mise sous tension Remplissage de la cavité Cuisson Arrêt HF Ejection Ouverture du moule TOTAL s s s s o., 30 3 s % 30 s s s s s s s 4 mn 30 s 1 mn 30 s REVENDICATIONS 1 Procédé de moulage à pression moyenne de polymères thermo- durcissables renforcés mis en oeuvre à l'état pâteux, au cours duquel la matière est soumise à' un chauffage interne par pertes diélectriques sous haute fréquence, caractérisé en ce que, pour uniformiser sa tempé- rature, on chauffe cette matière par voie interne dès le début de son pressage, on continue à la chauffer par voie interne après formage et obtention de la cote désirée pour porter le coeur de la pièce à la tem- pérature voulue, tout en stockant dans le moule la chaleur que la ma- tière lui transmet par conduction, puis, après démoulage et nouveau remplissage immédiat du moule, on réutilise cette chaleur pour obtenir aussi un chauffage externe de la matière à partir de la masse du moule. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage sous haute fréquence est appliqué dès la fermeture du moule. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fait varier l'accord du circuit haute fréquence en fonction de la course de fermeture du moule. 4 Presse pour le moulage de polymères thermodurcissables renforcés équipée d'un dispositif de chauffage interne par pertes dié- lectriques sous haute fréquence, caractérisée en ce que le moule est isolé extérieurement et qu'il possède une capacité calorifique à tout le moins égale à celle de la pièce à mouler. Presse selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moule est essentiellement constitué d'éléments en alliage léger. 6 Presse selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le moule comprend un poinçon ( 11) et une matrice ( 10) isolés thermiquement de leur plaques de montage ( 14-15) et entoures ext&rieu- rement par une jupe d'isolation thermique ( 20). 7 Presse selon l'une des revendication 4 à 6, caractérisée en ce que la cavité interne du moule est fermée par un joint radial ( 27) laissant un très faible jeu sur toute sa périphérie. 8 Presse selon la revendication 7, caractérisée en ce que le poinçon et la matrice sont guidés l'un par rapport à l'autre par des organes électriquement isolés. 9 Presse selon la revendication 8, caractérisée en ce que les organes de guidage sont des colonnes extérieures ( 32) coulissant dans des bagues électriquement isolantes en céramique ( 33). Presse selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisée par un joint mixte en polyimide armé revêtu de polytêtrafluorêthylène.