Brevet FR2639867A1 — publié le 19900608

Le procédé actuel de mise en forme par compression de matériaux composites thermoplastiques, encore appelé "estampage", consiste à découper des plaques de composites thermoplastiques à caractéristiques isotropes, en flans de dimensions plus petites, à chauffer un nombre suffisant de flans à une température telle que le polymère devienne plastique, à remplir le moule avec. lesdits flans, puis à fermer rapidement le moule, sous une pression déterminée, pour obtenir la pièce de forme recherchée correspondant au moule ; après refroidissement la forme de la pièce est conservée. La littérature décrit de nombreuses méthodes de production des plaques en matières thermoplastiques renforcées qui sont appelées NOTRE" (Thermoplastiques Renforcés Estampables). Ainsi - imprégnation du "matn par le polymère fondu - calandrage de films thermoplastiques sur le renfort - moulage à la presse par compression de films de résines et de mats - coulée de polymère fondu entre deux mats pris en sandwiches par deux films calandrés de polymère - projection électrostatique de résine en poudre sur le mat, suivie de la fusion de la matrice et compression de l'ensemble Quels que soient les modes de fabrication des plaques "TRE", le procédé actuel d'estampage est caractérisé par la discontinuité des opérations de fabrication des plaques d'une part, et d'estampage, sous une presse en compression, d'autre part. Entre ces deux opérations distinctes, de fabrication des plaques "TRE", d'une part, et l'estampage, d'autre part, se situent les opérations de découpe des flans, de pesée, de chauffage des flans et de positionnement des flans dans le moule. Le procédé connu de transformation par estampage présente les inconvénients suivants Difficulté d'optimiser l'utilisation du matériau composite ; Perte d'énergie ; Nombreuses manipulations. Difficulté d'optimiser l'utilisation du matériau composite. Les plaques dans lesquelles les flans sont découpés sont isotropes. Ceci est un avantage quand la pièce à estamper doit également avoir des caractéristiques isotropes. Si par contre la pièce nécessite des caractéristiques plus élevées dans certaines directions, il faut ajouter aux flans remplissant le moule, des rubans unidirectionnels positionnés en fonction des renforts à obtenir. IL existe enfin de nombreux produits dont les caractéristiques nécessaires sont essentiellement anisotropes ; citons à titre d'exemple des montants de fenêtres, des renforts de portes de voitures, ou encore des raquettes de tennis, produits représentés schématiquement en regard des figures la, 2a et 3a. Dans tous les cas, l'utilisation de flans isotropes pour estamper des produits particulièrement anisotropes conduit à un gaspillage de matière et ou à des propriétés faibles. Pertes d'énergie. Le processus complet comprend une phase de chauffage pour la fabrication des plaques, suivie d'un refroidissement à la température ambiante, puis une nouvelle phase de chauffage des flans pour l'alimentation du moule de la presse d'estampage. Nombreuses manipulations. Pour alimenter la presse, il est nécessaire de découper les flans, de les chauffer, puis de les manipuler pendant qu'ils sont chauds et donc très malléables, ce qui entraîne de nombreux défauts ponctuels de surface, et la nécessité d'une main d'oeuvre importante. On connaît par ailleurs des procédés pour fabriquer des rubans en matériaux composites à fibres longues unidirectionnelles. Ces procédés comportent généralement les étapes suivantes déroulement de mèches de fibres ; préchauffage ; imprégnation par des résines thermoplastiques ; calendrage ; refroidissement enroulement. L'imprégnation est généralement faite, soit avec des polymères thermoplastiques fondus, soit par des poudres. Si l'imprégnation est faite à partir de polymères fondus, il est nécessaire de faire fondre la résine avant l'imprégnation. Si l'imprégnation est faite à partir de polymères à l'état de poudre, cette imprégnation doit être immédiatement suivie d'un chauffage pour faire fondre la résine. Dans tous les cas, les procédés de fabrication de rubans unidirectionnels nécessitent une phase de chauffage pour fondre la résine et conformer le ruban, suivi d'un refroidissement. Après refroidissement, les composites thermoplastiques sont relativement rigides ; la nécessité d'enrouler le ruban unidirectionnel sur des diamètres compatibles avec le stockage et le transport, oblige à calendrer le ruban en épaisseur relativement faible. Ces rubans peuvent être découpés et- utilisés en tant que renforts dans certaines directions. Leur mise en oeuvre, qui doit être associée à celle des flans isotropes, est cependant difficile et engendre des manipulations supplémentaires. -L'invention est donc relative à un procédé d'estampage d'un matériau composite thermoplastique au moyen d'un moule; associé à une presse de compression. Selon l'invention, on alimente ledit moule en un composite thermoplastique filiforme à fibres longues unidirectionnelles, de manière continue selon les orientations désirées et en réglant la température dudit composite à la valeur de sa mise en forme par compression. Des composites filiformes sont des composites ayant une dimension quasiment infinie dans une direction par rapport aux dimensions dans les deux autres directions. La section des produits filiformes peut être circulaire, carrée, rectangulaire, ou correspondre à des formes plus complexes. Ce qui caractérise un produit filiforme est l'existence d'une dimension dans une direction très nettement supérieure aux dimensions dans les autres directions. A titre d'exemple, un fil, une barre continue, un ruban, une bande, sont des produits filiformes malgré la diversité des sections, la longueur pouvant être considérée comme infinie par rapport à la largeur. Au contraire, une tole, une plaque, un flan, ne sont pas des produits filiformes, la longueur, même si elle est égale à plusieurs fois la largeur, demeurant limitée. Les avantageuses dispositions suivantes sont, en outre, préférentiellement adoptées - on réalise le dépôt dudit composite dans le moule en choisissant une partie du parcours de dépôt parallèle à une direction préférentielle d'anisotropie du produit après estampage, et/ou une partie de ce parcours selon une direction variable permettant l'obtention de l'isotropie des caractéristiques du produit après estampage - ledit composite thermoplastique est fabriqué en continu après imprégnation de fibres longues par de la résine thermoplastique, comportant éventuellement des additifs, en amont de l'opération d'estampage ; - on assemble les fibres en un faisceau avant de déposer celui-ci dans le moule - on dépose ledit composite dans le moule au moyen d'un bras articulé ou d'un chariot, de préférence au trajet programmable ;; - on stocke momentanément ledit composite pendant l'estampage - on utilise une presse munie de deux tables montées sur glissières et supportant chacune un premier élément de même nature d'un moule - matrice ou poinçon - le deuxième élément complémentaire unique du moule - poinçon ou matrice - étant monté sur la presse, cependant qu'on procède à l'enlèvement de la pièce estampée sur l'un des deux premiers éléments et à un nouveau remplissage dudit premier élément en composite, pendant qu'on réalise l'estampage avec l'autre des deux premiers éléments. L'invention a également pour objet une installation d'estampage permettant la mise en oeuvre d'un procédé d'estampage selon l'une quelconque des définitions précédentes. L'invention a enfin pour objet les produits fabriqués suivant l'une quelconque des définitions précédentes du procédé etlou de l'installation d'estampage. La description des différentes variantes du procédé, objet de l'invention, permettra de préciser ses caractéristiques et de mettre en évidence ses avantages par rapport aux procédés connus. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - les figures la, 2a et 3a représentent trois objets connus susceptibles de constituer des applications de l'invention - les figures lb, 2b et 3b représentent les trois mêmes objets, avec la représentation des applications correspondantes de l'invention, respectivement - la figure 4 est le schéma d'une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention - les figures Sa et 5b représentent schématiquement un dispositif de stockage par mouflage multiple pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention - les figures Sa et 6b représentent schématiquement, respectivement, les deux phases d'estampage utilisant une machine permettant la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention ;; - les figures 7a et 7b représentent une installation conforme à l'invention comportant deux presses d'estampage comportant, chacune, deux tables de travail, et un robot d'alimentation desdites tables en matériau à estamper - les figures Sa, 8b, Bc représentent trois variantes conformes à l'invention de dépôt du matériau à estamper ; et, - la figure 9 représente une quatrième variante de trajectoires possibles de dépôt du matériau à estamper. Les figures lb, 2b et 3b représentent des sens de dépôt du composite thermoplastique filiforme à fibres unidirectionnelles 1 permettant de réaliser les objets des figures la, 2a et 3a, respectivement, ceci conformément à l'invention, entre un point de départ 2 du dépôt et un point de fin 3 de ce dépôt, afin de réaliser les armatures 4, 5 et 6 desdits objets, respectivement. On ne sortirait cependant pas du cadre de l'invention en déposant le composite filiforme à fibres longues unidirectionnelles suivant d'autres trajectoires. Une fois la quantité de composite thermoplastique filiforme à fibres longues unidirectionnelles déposée dans le moule, le composite est coupé en continu. Le moule ayant été empli de la quantité nécessaire de composite thermoplastiquue filiforme à fibres longues unidirectionnelles, à la température d'estampage, et suivant la trajectoire retenue, est fermé rapidement, puis la pièce estampée est démoulée et refroidie. Dans une réalisation préférée, les fibres longues, imprégnées en continu et portées à la température d'estampage, sont rassemblées pour constituer un faisceau, lequel est déposé dans le moule, suivant la trajectoire choisie, par un bras, ou par un chariot dont le déplacement dans l'espace est programmable. Ainsi, le chariot se déplace avantageusement sur un gabarit représentant le circuit de dépôt du composite thermoplastique filiforme. La figure 4 représente le schéma d'une installation suivant le procédé objet de l'invention, dans laquelle le dépôt est effectué par un bras articulé dans l'espace. Cette installation comprend - un module A comprenant un certain nombre de bobines 7 débitant les fibres 1 ; - un module d'imprégnation B de résine thermoplatsique - un module de chauffage C, dans le cas où l'imprégnation est réalisée à l'état de poudre - un système D d'entraînement des fibres imprégnées, qui peut simultanément compacter ces fibres en faisceau (8) en continu - un module E de chauffage ou de refoidissement optionnel, pour réguler la température du faisceau à la température optimale d'estampage - le bras articulé F de dépôt dans le moule du faisceau de composite thermoplastique filiforme à fibres longues unidirectionnelles - le moule G - la presse H, qui permet la fermeture du moule sous la pression nécessaire. Les fibres sont débitées dans le module A et sont imprégnées dans le module B ; la résine est fondue dans le module C si l'imprégnation dans B a été réalisée par un produit à l'état de poudre ; le faisceau de composite thermoplastique à fibres longues unidirectionnelles est tiré par le système d'entraînement D et éventuellement simultanément compacté ; la température de la résine est éventuellement réglée dans E à la température optimum d'estampage (par chauffage ou par refoidissement). Le faisceau passe alors sur le bras articulé F, ou le chariot dont le déplacement est programmable dans l'espace ; ce bras, ou ce chariot comporte un dispositif de coupe rapide qui coupe le faisceau, quand la quantité déposée correspond à la quantité nécessaire au remplissage du moule ; le moule est ensuite fermé sous pression par la presse H ; et la pièce, après refroidissement, est démoulée. Le procédé d'estampage est donc remarquable par un chargement du moule en continu avec des composittes filiformes thermoplastiques à fibres longues unidirectionnelles. Or, les opérations d'estampage sont par nature discontinues, dès lors qu'il y a fermeture et ouverture d'un moule. Pour mettre en oeuvre le procédé, il est avantageux de prévoir un système de stockage temporaire des composites filiformes thermoplastiques à fibres longues unidirectionnelles pendant le temps nécessaire au cycle de 1 'estampage. Un tel système de stockage est représenté sur les figures 5a et 5b est constitué par un mouflage 9 à brins multiples. Tout dispositif analogue permettant le stockage temporaire du composite, tel qu'un tapis roulant, sur lequel le composite filiforme est déposé en continu à la sortie de sa ligne de fabrication, puis repris en continu pour alimenter le moule par l'intermédiaire du bras articulé ou du chariot, peut être prévu. Il est également possible, en variante, d'alimenter deux moules, l'un étant en cours de remplissage, quand l'autre est fermé, et vice-versa. Dans ce cas, la presse d'estampage est équipée par exemple d'un poinçon monté sur le plateau mobile et de deux tables de travail montées sur glissières, sur lesquelles sont montées deux matrices. L'une des matrices permet l'enlèvement de la pièce finie et le remplissage de la matière, tandis que l'autre matrice est en phase de "travail". A la fin du moulage, la presse s'ouvre, l'ensemble des deux tables coulisse, et la presse est refermée sur la matrice de nouveau remplie, l'autre matrice étant déchargée de la pièce finie. Ce dispositif nécessite de travailler avec un moule constitué par deux matrices montées sur les tables de travail et par un poinçon monté sur le plateau mobile, ou encore, suivant le dessin de la pièce, par deux poinçons montés sur la table de travail et par une matrice montée sur le plateau mobile. Quel que soit le dispositif de stockage provisoire du composite filiforme thermoplastique à fibres longues unidirectionnelles (mouflage, tapis roulant, tables de travail sur glissière ou autre), il est possible de conserver la température du composite pendant la période d'attente et/ou de régler la température par une rampe de chauffage, à infrarouge ou autre. Les figures 6a et 6b représentent un cycle d'estampage utilisant un moule et demi à deux tables 10 et 11. les figures 7a et 7b représentent une installation constituée par deux presses 12,13 comportant quatre tables de travail 14, 15, 16 et 17 alimentées par un robot 18. Le procédé, objet de l'invention, comporte les nombreux avantages suivants - adaptation optimale de l'orientation des fibres suivant les directions préférentielles - facilité de chargement et automatisation possible du chargement - possibilité d'alimentation du moule avec des composites de section importante - bilan énergétique amélioré. Adaptation optimale de l'orientation des fibres en fonction des ca racteristiques recherchées suivant les directions préférentielles. Si la pièce doit avoir des caractéristiques anisotropes, le dépôt dans le moule du composite filiforme thermoplastique à fibres longues unidirectionnelles est réalisé suivant une trajectoire qui renforce les directions souhaitées. Si la pièce à estamper doit, au contraire, posséder une isotropie de ses caractéristiques, le déport dans le moule du composite filiforme thermoplastique à fibres longues unidirectionnelles est réalisé suivant une trajectoire qui restaure, dans la pièce moulée en compression, l'isotropie des caractéristiques. Ceci est obtenu en déposant, par exemple, le composite filiforme thermoplastique à fibres longues unidirectionnelles 1 sous forme de spirales continues ou encore sous forme de huits continus ou de manière aléatoire (figures Sa, Bb et 8c). S'il est souhaité d'obtenir une partie de la pièce avec des caractéristiques isotropes, et un renforcement de certaines autres zones, il est possible de combiner les deux trajectoires. Ainsi, figure 9, si le composite filiforme thermoplastique à fibres longues unidirectionnelles est déposé suivant les contours du rectangle, puis en spirales continues, on obtiendra, après estampage, une pièce dont les caractéristiques du panneau central 19 sont isotropes, sauf en ce qui concerne le contour rectangulaire 20, où les caractéristiques sont renforcées. Facilité de chargement et automatisation possible. a) le produit étant constitué de composite filiforme, le dépôt dans le moule peut être réalisé de manière précise et facilement, en utilisant un bras ou un chariot se déplaçant sur un gabarit, alors que le chargement de flans à l'aide d'un robot est une opération particulièrement difficile, qui freine l'automatisation de l'estampage ; de même, il est relativement aisé de mesurer la quantité de composite déposé, par la mesure de la longueur débitée; enfin, la coupe d'un composite filiforme, en fin de chargement, est une opération simple. b) le chauffage étant réalisé en continu sur des composites thermoplastiques filiformes à fibres longues unidirectionnelles, et ces composites étant immédiatement déposés dans le moule, sans reprises de manutention, les défauts superficiels sont évités or ces défauts superficiels entraînent de nombreux rebuts très difficiles à éviter quand, dans les processus connus, des flans sont chauffés et manipulés, quand ils sont encore chauds, pour charger le moule de la presse. Possibilités d'alimentation du moule avec des composites de section importante. L'absence de stockage et de manutention permet d'éviter d'avoir à préparer le composite en rubans de faible épaisseur pour réduire le diamètre d'enroulement ; il est au contraire possible de rassembler plusieurs mèches en un faisceau de section importante alimentant le moule. Bilan énergétique amélioré. Dans le mode décrit de réalisation préférée, l'imprégnation d'une part, et le dépot dans le moule d'estampage des composites filiformes thermoplastiques à fibres longues unidirectionnelles d'autre part étant réalisés en une opération continue, le bilan énergétique est nettement amélioré, puisque sont évités le chauffage puis le refroidissement du composite dans une opération séparée d'imprégnation, puis le réchauffage du composite pour le chargement du moule d'estampage. Il reste cependant conforme à l'invention de séparer l'imprégnation, de l'opération d'estampage, sous réserve que l'estampage soit réalisé par un chargement du moule en continu avec des composites filiformes thermoplastiques à fibres longues unidirectionnelles. En séparant les opérations d'imprégnation et d'estampage, serait certes perdu l'avantage d'un meilleur bilan thermique lié au jumelage, mais seraient conservés les avantages liés au chargement en continu du moule de la presse avec des composites filiformes thermoplastiques à fibres longues unidirectionnelles, et notamment la possibilité d'orienter les fibres dans le sens optimal pour obtenir les caractéristiques optimales de la pièce estampée, et, d'automatiser 1' estampage. L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient leur être apportées sans sortir de leur cadre, ni de leur esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estampage d'un matériau composite thermoplastique au moyen d'un moule, associé à une presse de compression, caractérisé en ce qu'on alimente ledit moule en un composite thermoplastique filiforme à fibres longues unidirectionnelles (1), de manière continue selon les orientations désirées et en réglant (E) la température dudit composite à la valeur de sa mise en forme par compression. 2. Procédé d'estampage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise le dépôt dudit composite dans le moule en choisissant au moins une partie du parcours (1) du dépôt parallèle à une direction (4 ; 5 ; 6) préférentielle d'anisotropie du produit après estampage. 3. Procédé d'estampage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on réalise le dépôt dudit composite dans le moule en choisissant au moins une partie du parcours (1) du dépôt selon une direction sensiblement variable (figures 8a Bb; 8c) permettant l'obtention de l'isotropie des caractéristiques du produit après estampage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit composite thermoplastique est fabriqué en continu (figure 4) par imprégnation de fibres longues par de la résine thermoplastique (B), comportant éventuellement des additifs, en amont de l'opération d'estampage. 5. Procédé d'estampage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on assemble les fibres en un faisceau (8) avant de déposer celui-ci dans le moule. 6. Procédé d'estampage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on dépose ledit composite dans le moule au moyen d'un bras articulé (F), de préférence au trajet programmable. 7. Procédé d'estampage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5t caractérisé en ce qu'on dépose ledit composite dans le moule au moyen d'un chariot, de préférence au trajet programmable. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on stocke (9) momentanément ledit composite (1) pendant l'estampage. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on utilise une presse munie de deux tables (10,11) montées sur glissières et supportant chacune un premier élément de même nature d'un moule - matrice ou poinçon -, le deuxième élément complémentaire unique du moule - poinçon ou matrice - étant monté sur la presse, et en ce qu'on procède à l'enlèvement de la pièce estampée sur l'un des deux premiers éléments et à un nouveau remplissage dudit premier élément en composite, pendant qu'on réalise l'estampage avec l'autre des deux premiers éléments.