Brevet FR2698059A1 — publié le 19940520

"Garniture composite pour carrosseries, carcasses et structures diverses L'invention concerne le domaine technique des garnitures appliquées contre les éléments de carrosseries, de carcasses et de structures diverses pour en réduire les bruits et les nuisances sonores. A l'origine, les voitures automobiles mais aussi les trains, les appareils industriels ou domestiques étaient très largement dimensionnés en puissance et en structure pour des raisons diverses de durabilité, d'esthétique, de méthode de fabrication, d'habitude, etc... La nécessité d'économiser l'énergie, la concurrence et les besoins d'augmenter les performances des appareils ont contraint les constructeurs à adapter au plus juste les structures de leur construction, à augmenter les rendements moteurs, à réduire les masses des matériaux,... Parallèlement à cette démarche les notions de confort et de protection de l'environnement ont développé la nécessité de réduire les nuisances et en particulier les nuisances sonores. On a donc eu recours à divers procédés pour diminuer les bruits et vibrations intempestives en utilisant divers matériaux comme les fibres, les mousses, les masses lourdes. Suite aux recherches entreprises pour analyser et quantifier les différents problèmes acoustiques, ceux-ci sont répartis en deux catégories, à savoir, l'amortissement des vibrations et l'absorption des sons. On sait parfaitement réduire les vibrations engendrées en augmentant la masse des tôles, par exemple, en collant des masses lourdes ou en rigidifiant l'ensemble par adjonction de renfort ou de nervures. Une première technique très largement employée consiste à fixer, sur l'élément dont il faut amortir les vibrations, et par collage, à l'adhésif ou autre, ou par magnétisme, des plaques à base de bitume. Toutefois, la plage d'efficacité de cette technique se situe autour de 20 C, c'est à dire près du point de transition vitreuse du bitume, car, à plus haute température, les performances décroissent très rapidement. Par ailleurs, l'efficacité étant fonction de la masse du produit, pour parvenir aux résultats attendus, il faut donner aux éléments une masse suffisante qui s'ajoute défavorablement au poids de la structure recevant ces éléments. La seconde technique consiste à diminuer l'émission des vibrations en renforçant la paroi par des nervures ou en ajoutant des éléments de renfort, de façon à diminuer l'effet de "tambour" des tôles. Cette technique est couramment utilisée dans l'industrie automobile mais se heurte à plusieurs facteurs: esthétique, poids, obligation d'assemblage, etc... qui limite son emploi. La dernière technique consiste à piéger les bruits avec des mousses à cellules ouvertes ou des matériaux fibreux ou poreux qui sont introduits dans les cavités ou placés contre les parois à protéger. Cette méthode de plus en plus employée pour entourer des accessoires, nécessite d'avoir des possibilités d'accès pour incorporer l'élément absorbant. A cela, il faut ajouter que si, les éléments fibreux ou poreux sont mis en place avant peinture de la structure qui les porte, la peinture peut altérer leur action amortissante, et les fibres se détachant d'eux et tombant dans les bains de peinture ou de traitement polluent ceux-ci. Les trois techniques précitées sont très souvent employées ensemble ou par deux, en fonction du degré de protection souhaité et/ou des impératifs techniques. Pour toutes ces associations, le rendement global se trouve diminué en raison des impossibilités techniques de mise en oeuvre des produits qui ne sont pas placés aux endroits d'émission des bruits (corps creux inaccessibles, produits ne résistant pas aux étuves de cuisson,...). I1 en résulte donc la nécessité d'augmenter les quantités de produit et leur poids, pour obtenir un degré acceptable. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques de garnissage actuelles en fournissant une garniture composite qui, ayant un très fort pouvoir d'amortissement antivibratoire et, une large plage de température d'utilisation, conduit à une diminution du poids de l'élément pour la même performance et peut être mis en place dans un endroit optimal de la structure avec un temps de montage réduit. A cet effet, la garniture selon l'invention est composée d'une plaque en matériau rigide dont la face, destinée à venir en vis à vis de la structure a traité, est recouverte par une couche de mastic à base de caoutchouc synthétique, réticulé ou non, ayant un faible module de Young, un fort caractère adhésif, et une température de transition vitreuse voisine de 60 C. L'originalité de cette garniture est de combiner deux des facteurs qui entrent dans le pouvoir amortissant des systèmes, contrairement aux plaques traditionnelles à base de bitume qui, elles, utilisent principalement la masse, pour amortir les vibrations. En effet, les facteurs importants d'amortissement sont la rigidité du matériau amortissant et son faible module de Young. Or, dans les matériaux simples, tels que les plaques en bitume, ces deux facteurs sont contradictoires. A une rigidité élevée correspond un module fort, ce qui annule en partie les effets amortissants. La garniture selon l'invention présente l'avantage de pouvoir lier les deux facteurs en associant un matériau rigide à un mastic de très faible module. I1 en résulte des facteurs d'amortissement antivibratoire important qui sont de l'ordre de 4 à 10 fois supérieurs à ceux des plaques bitumeuses. De plus, la plage de température d'efficacité maximale se trouve aux alentours de la température de transition vitreuse du produit, ce qui entraîne une très grande perte d'activité pour le bitume dès que la température dépasse 30"C. Dans le cas de l'invention, le matériau étant un produit complexe formulé, la plage de température utilisable s'étend de -40 C à + 60 C. Cette propriété est particulièrement importante pour les applications industrielles automobiles. En plus des avantages cités précédemment, cette garniture possède des propriétés intrinsèques qui améliorent sa mise en oeuvre et les résultats obtenus: - une très grande souplesse, même à très basse température, contrairement aux matériaux traditionnels qui deviennent très cassant dès 5 C, - un pouvoir adhésif important depuis les basses températures jusqu'aux plus hautes (220 C), qui rend inutile le collage au moyen d'adhésif ou de particules magnétiques, - une excellente tenue aux fortes chaleurs, - une comptabilité excellente vis à vis des bains de traitement de surfaces et des peintures. Dans une forme d'exécution de l'invention, la face de la couche de mastic, destinée à venir en vis à vis de la structure à traiter, est recouverte par un complexe qui, composé d'une armature déformable enduite par un mastic à base de résine époxy, polyester ou autre résine souple mais pouvant polymériser, est apte à épouser la structure à traiter et à la rigidifier après polymérisation de la résine de son mastic. Les composants de la couche de rigidification sont souples au moment de leur mise en oeuvre, afin de pouvoir épouser les formes du matériau à rigidifier, mais durcissent ensuite. En fonction de leur nature, ce durcissement peut être obtenu par la chaleur, par réaction chimique, par action ionisante ou par ultra-violet, par exemple. De façon générale, les composants de la garniture ont des densités qui n'excèdent pas 1,5 et permettent ainsi un gain de poids important par rapport à l'acier ou aux autres composants métalliques utilisés en renfort. Leur utilisation, en contact intime avec le matériau à rigidifier, les rend beaucoup plus performants que les renforts traditionnels qui sont soudés par points et qui nécessitent un calage intermédiaire. Enfin, ces matériaux sont tout à fait compatibles avec les chaînes de traitement de surfaces et de peinture des industries automobiles dont ils ne polluent pas les bains. Dans une autre forme d'exécution, la face de la plaque en matériau rigide, qui est tournée à l'opposé de la structure à traiter, est recouverte par une couche d'un mastic qui, à base de caoutchouc synthétique et comportant des agents gonflants et réticulants, et une résine lui donnant un fort pouvoir adhésif, forme une mousse d'insonorisation, après réticulation par action de la chaleur ou d'un rayonnement. On connaît la particularité des produits poreux ou cellulaires de piéger les sons et de les absorber par effet de réflection et de dissiper les bruits sous forme de chaleur. Les matériaux les plus utilisés pour cette application sont les mousses et les produits fibreux comprimés. Ces produits sont généralement des matériaux qui ne résistent pas à des températures élevées ou qui ne supportent pas des immersions dans de la peinture ou des agents de traitement de surface à cause de l'effet "d'éponge" de ces produits. C'est pour cette raison qu'ils sont placés en fin de montage des structures des appareils et sont souvent assez loin du point d'émission des bruits. L'originalité de la garniture d'insonorisation selon l'invention est d'utiliser un produit qui peut être placé très près de la source d'émission, qui supporte des températures élevées, qui est inerte vis à vis des bains de peinture ou de traitement de surface, et dont la réticulation peut n'être effectuée, sous l'action de la chaleur ou d'un rayonnement, que lors d'une phase choisie d'un cycle de fabrication. Le taux de gonflement du produit peut être facilement contrôlé, soit par la formule du produit, soit par le mode de réaction choisi en influant sur la température, le temps ou l'intensité du rayonnement. La garniture pouvant être mise en place dès le montage de l'ensemble à insonoriser, il est très facile de supprimer les "caisses de résonnance" des corps creux par l'utilisation de ce procédé. Les deux dernières formes d'exécution peuvent être combinées pour former une garniture assurant, à la fois, l'amortissement des vibrations, la rigidification et l'insonorisation d'une structure, cas dans lequel chacune de ces fonctions est ajustée dans ses performances propres, par la sélection de ses composants. Enfin, un avantage important procuré par la structure selon l'invention, quelle que soit sa forme d'exécution, est que, dans la phase de récupération de la structure la portant, les composants organiques de la garniture sont pyrolysés vers 450" C, sans générer de pollution, et permettent le recyclage des produits métalliques entrant dans leur composition et de ceux de la structure dont ils assuraient le traitement. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé, représentant à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de la garniture selon l'invention. Figures 1 à 3 sont des vues partielles en coupe transversale montrant trois formes d'exécution de la garniture selon l'invention au moment de la mise en place de celle-ci sur la paroi d'une structure, Figure 4 est une vue partielle en coupe transversale montrant la garniture de figure 3 après expansion de la mousse d'insonorisation, Figure 5 est une vue partielle en coupe transversale montrant une forme d'exécution de la garniture assurant les fonctions d'amortissement, de rigidification et d'insonorisation. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 1, la garniture est destinée à n'assurer qu'une fonction d'amortissement antivibratoire. Elle est composée d'une plaque 2 en matériau rigide, c'est à dire ayant un fort module de Young, et d'un mastic 3, à base de caoutchouc synthétique, réticulé ou non. La plaque 2 est constituée par une feuille métallique, en acier, aluminium ou autre, choisie en fonction des conditions d'amortissement, de l'environnement ou du support 4 sur lequel elle doit être fixée. La plaque 2 peut avoir une épaisseur allant de quelques micromètres à un ou plusieurs millimètres. Elle peut aussi être constituée par une feuille en matière synthétique, par une plaque de matériau composite de type résine, polyester et fibres de carbone, de verre ou autres. Le mastic 3 a une épaisseur qui varie, selon les caractéristiques recherchées, et qui peut aller de quelques dixièmes de millimètres à dix ou vingt millimètres. Ce mastic se caractérise par un faible module de Young, un fort caractère adhésif, et une température de transition vitreuse voisine de la température ambiante dans laquelle évolue la structure devant recevoir la garniture et, par exemple, de l'ordre de 60"C. Ce mastic est à base de caoutchouc synthétique, de type caoutchouc butyle, polyisobutylène, polychloroprène, EPDM, nitrile ou autres produits équivalents, bien connus de l'Homme de l'Art. A titre d'exemple, une formulation de ce mastic comprend: caoutchouc butyle: 2 à 15 % - polyisobutylène: 5 à 25 % - résine tackifiante: 2 à 12 % -charge: 30à85% -agent anti-oxydant: 0,5 à 3 O/o -pigment: 0,5 à 5 % adjuvant : 0,5 à 5 %. La charge est du talc, du carbonate de calcium ou tout autre produit connu de l'Homme de l'Art. Comme indiqué dans le préambule, le mastic 3 présente un pouvoir adhésif important sur une plage de température de allant de -25 C à 220 C, ce qui rend inutile le recours à tout autre moyen adhésif pour assurer sa fixation, d'une part, sur la plaque rigide 2, d'autre part, sur le support 4. La figure 1 montre que, pour faciliter le stockage de la garniture, sa face 3a, qui sera utilisée pour le collage de la garniture sur le support 4, est recouverte par une pellicule amovible 5, en matériau anti-adhérent, tel que silicone ou autre. Cette garniture est fournie en bobines ou rouleaux de bandes, découpables à la longueur, ou sous forme de pièces découpées à la forme particulière du support sur lequel elle doit être fixée. Sa mise en place s'effectue très aisément par retrait de la pellicule protectrice 5 et plaquage de la garniture sur la face du support 4, c'est à dire sur la face de la tôle de carrosserie, carcasse ou structure devant être traitées. Des essais de traction du pelage du complexe ainsi mis en place sur un support effectués à une vitesse de 200 millimètres/minute, indiquent une force de pelage d'environ 10 newtons/cm. En traction cisaillement, la force de rupture du complexe est d'environ 4 décanewtons/cm2. Des mesures d'amortissement antivibratoire effectuées à l'aide d'un analyseur acoustique architectural Brüel et Kjaer 3550, suivant la méthode D451375, à la fréquence de 128,5 hertz, donnent les résultats apparaissant dans le tableau qui suit. Ce tableau montre le très bon pouvoir amortissant du complexe constitué par la garniture. CARACTERISTIQUE | RESULTATS Epaisseurenmm 0,8 1,6 2,3 Masse au m2 en Kg 1,6 3 4 Pouvoir amortissant des vibrations en db/s à230C 61 113 124 à400C 104 à600C 78 Indépendamment de ces caractéristiques propres à la fonction amortissement antivibratoire, il faut noter que la garniture composite précédemment définie possède une excellente résistance aux acides et bases dilués et que la nature de ses composants ne procure aucune pollution des bains de traitement, ni des bains de peinture cataphorétiques, ce qui permet de la mettre en place sur les structures avant ces traitements, ou avant toute opération de peinture. De plus, la plaque rigide 2 protège efficacement le mastic 3 contre les solvants qui pourraient être projetés pendant les opérations de construction de la structure. La garniture présente une bonne résistance au vieillissement, au brouillard salin, et une excellente résistance aux températures, sur une durée limitée d'une heure, entre - 50 C et 220 C et, en continu, à plus de 100" C. Aux basses températures, et grâce à sa base de caoutchouc butyle et de polyisobutylène, le mastic reste souple et non cassant, même aux températures extrêmes. Par ailleurs, son pouvoir adhésif n'est pas affecté par la température. Cette garniture d'amortissement des vibrations peut être appliquée sur tout support ayant une température supérieure à 0 C. En effet, pour des températures inférieures, il est nécessaire de s'assurer que le support soit exempt de glace ou de givre pouvant affecter la liaison par adhérence. Au-delà de 35 C, l'adhérence immédiate rend difficile un repositionnement en cas de mauvais positionnement. Pour améliorer le contact entre le mastic et le support, l'application de la garniture sur le support peut être suivie d'un marouflage, effectué à l'aide d'un rouleau ou d'une spatule. La garniture ne contient ni bitume, ni solvant, ni produit dangereux. Elle ne nécessite aucune précaution d'emploi et de stockage et n'est pas assujettie à la réglementation sur les matières dangereuses. En fin d'utilisation, son mastic peut être incinéré sans mesure particulière à une température de l'ordre de 400"C, ce qui entraîne des dégagements de gaz carbonique et de vapeur d'eau, c'est à dire des émanations non polluantes. Cette incinération désolidarise la plaque rigide 2 de la garniture et du support et permet ainsi de récupérer indépendamment les deux composants. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 2, la garniture à fonction d'amortissement vibratoire désignée par la référence générale V est combinée à un complexe désigné par la référence générale R assurant la rigidification du support 4 sur lequel la garniture est plaquée. Ce complexe, qui est appliqué contre la face inférieure 3a de la garniture, est composé d'une couche 6, à base de résine époxyde ou de résine polyester, déposée sur un support 7, tel qu'un mat de verre, une feuille non tissée, un support métallique ou composite. Au moment de leur application, l'armature 7 et le mastic 6 sont souples et déformables, de manière à pouvoir épouser parfaitement les variations de forme et l'état de surface de la face 4a contre laquelle ils vont être disposés, après enlèvement d'une pellicule de protection 5a. Immédiatement après dépôt ou, au contraire, bien après ce dépôt, et par exemple, lors d'une phase de traitement du support sur lequel ils sont déposés, et par exemple lors du passage d'une carrosserie dans un four tunnel après trempage de cette carrosserie dans des bains de traitement ou un bain de peinture, le mastic 6 est soumis à un durcissement qui assure la rigidification du support 4 sur lequel il est disposé, sans pour autant affecter les facultés d'amortissement vibratoire de l'autre partie de la garniture. I1 est évident que la polymérisation par la chaleur peut être remplacée par une action ionisante, par une réaction chimique, ou par un rayonnement ultra violet, en fonction des caractéristiques du mastic utilisé, des conditions de fabrication de la structure, et du moment de l'application de la garniture sur cette structure. I1 est à noter que la combinaison du complexe de rigidification avec la garniture forme un ensemble ayant une densité de l'ordre de 1,5 permettant, pour un surpoids réduit, de réduire considérablement l'épaisseur et le poids du support et notamment de la tôle, lorsqu'il s'agit d'un élément de carrosserie, tout en améliorant la rigidité et en supprimant les vibrations de cette structure. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 3, la garniture amortisseuse V est associée à une couche d'insonorisation désignée par la référence I et composée, elle-même, par un mastic 8 à base de caoutchouc synthétique non réticulé. La couche de mastic est disposée contre la face 2b de la plaque rigide 2 de la garniture, c'est à dire contre la face qui est tournée à l'opposé de la face 4a du support devant recevoir cette garniture. A titre d'exemple, la formulation du mastic comprend: - caoutchouc chloré: 15 à 28 % - polyisobutylène: 10 à 25 % charge minérale: 20 à 40 O/o - résine tackifiante: S à 15 % -agent réticulant: 1 à 5 % -agent gonflant: 1 à 6 %. Cette formule est ajustée en fonction de la qualité de la mousse recherchée, à savoir souple ou semi rigide, du taux de gonflement souhaité, ainsi que de la vitesse d'expansion requise. Grâce à son fort pouvoir adhérent, le mastic 8 est appliqué, sans aucun autre élément adhésif, directement sur la face 2b de la plaque 2 et cela quelle que soit la nature du matériau constituant cette plaque. La figure 3 montre que la couche d'insonorisation I fait corps avec la garniture V qui, comme décrit précédemment, peut être fournie sous forme de rouleaux ou de bobines, ou sous forme de plaques prédécoupées, dont la face adhérente 3a est protégée par une pellicule 5. Grâce à cette structure dont l'épaisseur varie en rapport avec les fonctions d'amortissement et d'insonorisation recherchées, la garniture peut être mise en place très tôt dans le processus de fabrication de la carcasse, au plus près des sources d'émission sonore, mais aussi dans des zones qui, en cours de fabrication, pourront être totalement obturées, par exemple par la mise en place de panneaux ou d'autres éléments de la structure de carrosserie, de carcasse. Après cette mise en place de la garniture, il peut être procédé immédiatement, à l'expansion de la couche 8. Toutefois, selon un avantage particulier propre à l'invention, cette expansion peut être réalisée plus tard, lors du processus de fabrication de la carrosserie, de la carcasse, ou de la structure, soit par élévation locale de la température, soit par rayonnement, ionisant ou ultra violet. Après expansion, la garniture présente la forme représentée à la figure 4 et comporte, en direction de la source d'émission sonore, une mousse 8a qui assure une excellente insonorisation. I1 faut ici noter que, lorsque la garniture selon l'invention est disposée sur un élément de carrosserie, lors d'un cycle disposé en amont du cycle de peinture par trempage de cette carrosserie, le trempage n'altére en rien les caractéristiques d'insonorisation, puisqu'il est suivi d'une phase de séchage par passage dans un tunnel ou la chaleur, ou des lampes à ultra violet, provoquent le séchage de la peinture, mais aussi l'expansion et la réticulation du mastic 8. Cette expansion du mastic fragmente et écaille la couche de peinture précédemment déposée sur le mastic 8 et, progressivement éliminer ces écailles de peinture pour libérer totalement la couche 8a de la mousse obtenue. La forme d'exécution représentée à la figure 5 se différencie des précédentes par le fait que la garniture selon l'invention comprend, en combinaison, la structure V assurant la fonction d'amortissement des vibrations, la structure R assurant la rigidification du support sur lequel elle est déposée, et enfin la couche I assurant l'insonorisation. Cette dernière couche peut être expansée ou après application de la garniture sur le support 4. Cette garniture multifonctionnelle, qui est peu onéreuse à réaliser puisque obtenue par extrusion et/enduction sur la plaque rigide 2, est très facile à mettre en oeuvre, a une masse spécifique comprise entre 1 et 2 c'est à dire bien inférieure à la masse spécifique des métaux courants, a une épaisseur réduite par rapport aux garnitures actuelles n'assurant qu'une fonction, et permet, par une mise en oeuvre simple, d'améliorer considérablement les qualités de la structure qu'elle traite, et parallèlement de réduire l'épaisseur des tôles utilisées pour réaliser cette structure. Il faut enfin noter que l'association à la garniture V représentée à la figure 1 ayant une fonction d'amortissement des vibrations, des couches R et I représentées aux figures 2 et 3 ayant, respectivement, une fonction de rigidification et une fonction d'insonorisation, améliore les caractéristiques d'amortissement des vibrations et constitue, grâce à la synergie des couches en présence, une combinaison originale. REVENDICATIONS 1. Garniture composite pour carrosseries, carcasses et structures diverses du type composé d'éléments se fixant par adhérence contre le panneau de structure devant être traité, caractérisée en ce qu'elle est composée d'une plaque (2) en matériau rigide dont la face, destinée à venir en vis à vis de la structure a traité, est recouverte par une couche (3) de mastic à base de caoutchouc synthétique, réticulé ou non, ayant un faible module de Young, un fort caractère adhésif, et une température de transition vitreuse voisine de 60 C. 2. Garniture composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que la face (3a) de la couche de mastic (3), destinée à venir en vis à vis de la structure à traiter, est recouverte par un complexe qui, composé d'une armature déformable (7) enduite par un mastic (6) à base de résine époxyde, polyester ou autre résine souple mais pouvant polymériser, est apte à épouser la structure à traiter et à la rigidifier après polymérisation de la résine de son mastic (6). 3. Garniture selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la face (2b) de la plaque (2) en matériau rigide, qui est tournée à l'opposé de la structure à traiter, est recouverte par une couche (8) d'un mastic qui, à base de caoutchouc synthétique et comportant des agents gonflants et réticulants, et une résine lui donnant un fort pouvoir adhésif, forme, après réticulation par action de la chaleur ou d'un rayonnement, une mousse (8a) d'insonorisation. 4. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mastic (3) est à base de caoutchouc butyle et de polyisobutylène. 5. Garniture selon la revendication 4, caractérisée en ce que le mastic (3) comprend, en proportion sur le poids, entre 2 et 15 % de caoutchouc butyle, 5 à 25 % de polyisobutylène, 2 à 12 % de résine tackifiante, 30 à 85 % de charges, 0,5 à 3 % d'agents antioxydants, 0,5 à 5 % de pigments, 0,5 à 5 % d'adjuvants. 6. Garniture selon la revendication 3, caractérisée en ce que le mastic (8) comprend, en proportion de son poids, 15 à 28 % de caoutchouc chloré, de 10 à 25 % de polyisobutylène, de 20 à 40 % de charges minérales, de 5 à 15 % de résine tackifiante, de 1 à 5 % d'agents réticulants, et de 1 à 6% d'agents gonflants.