Brevet FR2704800A1 — publié le 19941110

PROCEDE ET INSTALLATION DE MOULAGE PAR INJECTION D'UNE PIECE EN UN MATERIAU THERMOPLASTIQUE. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de moulage par injection destiné à la fabrication d'une pièce en un matériau thermoplastique, chargée ou non de fibres courtes telles que des fibres de carbone. L'invention concerne également une installation mettant en oeuvre ce procédé. Le moulage par injection des matériaux thermoplastiques s'effectue au moyen d'installations telles que celle qui est décrite dans le document EP-A-0 457 230. Une telle installation comprend une vis sans fin animée en permanence d'un mouvement de rota- tion à l'intérieur d'un fourreau horizontal. Le maté- riau, introduit sous forme de granulés à l'une des extrémités du fourreau, est acheminé par la vis sans fin vers une buse d'injection placée à l'extrémité opposée. Au cours de ce transfert, le matériau est amené à sa température de transformation, qui corres- pond à un état fondu ou plastique, sous l'effet conjoint de l'action mécanique de la vis sans fin et de l'action thermique d'un ensemble de colliers chauffants placés autour du fourreau. Ce transfert du matériau jusqu'à proximité de la buse d'injection s'accompagne d'un mouvement de recul de la vis sans fin, qui est également mobile selon l'axe du fourreau. Lorsqu'une quantité suffisante de matériau a été amenée à l'état plastique ou fondu, un vérin hydraulique agit sur la vis sans fin pour injecter le matériau à l'intérieur du moule, au travers de la buse d'injection. Entre la buse d'injection et la cavité du moule, le matériau traverse un passage en forme de carotte divergente faisant partie du moule et situé directement après le plateau fixe d'une presse servant à maintenir le moule fermé pendant l'injection. La pression exercée sur le matériau par le vérin hydraulique est maintenue pendant un certain temps après le remplissage du moule, afin d'assurer un compactage nécessaire pour compenser le retrait volumi- que du matériau au cours de son refroidissement et de réduire au mieux les porosités dans ce matériau. Ce retrait volumique est dû au changement d'état liquide à l'état solide de la matière et a pour conséquences un non respect des formes et cotes de la pièce et un aspect gondolé de sa surface, peu satisfaisants. Enfin, le matériau contenu dans le moule est refroidi jusqu'à une température de solidification permettant l'ouverture du moule et l'éjection de la pièce. Pour cela le moule est équipé de moyens per- mettant de le maintenir en permanence à une température de solidification du matériau. L'obtention d'une pièce présentant des ca- ractéristiques satisfaisantes, notamment du point de vue de sa forme, de ses dimensions et de son aspect, impose des temps d'injection et de compactage qui va- rient selon la forme et les dimensions de la pièce et selon la nature du matériau injecté. Ainsi, lorsqu'on désire réaliser le moulage par injection d'une pièce de relativement grandes dimensions telle qu'une pale de rotor anti-couple de type fenestron pour hélicoptère, en un matériau tel qu'une résine PEEK (Polyetheretherketone) ou PEI (polyetherimide), chargée de fibres de carbone ou de verre, l'obtention d'une pièce de formes et de dimen- sions satisfaisantes impose un compactage dont la durée théorique est d'environ 60 s. En effet, lorsqu'il se trouve à l'état fondu ou plastique permettant son injection dans le moule, un tel matériau présente une configuration pâteuse et fortement visqueuse qui impose un temps de compactage relativement long pour faire disparaître la majeure partie des porosités présentes dans le matériau. Cette configuration nécessite également une pression d'injection très élevée (environ 1200 bars), à cause de la forte viscosité du matériau et du faible temps d'injection qui est de l'ordre de 1 s. Cependant, la durée de compactage requise pour ce type de matériau ne peut être obtenue avec une installation existante. En effet, dans les installations existantes telles que celle qui a été décrite ci-avant, la tempé- rature relativement froide du moule par rapport à la température d'injection du matériau se traduit rapi- dement par une solidification de ce matériau dans le passage en forme de carotte divergente par lequel le matériau est introduit dans le moule. Cette solidifica- tion est due au faible diamètre du passage, notamment à son extrémité d'entrée. Il se produit donc un bouchon qui interdit toute poursuite du compactage. A titre d'exemple, lorsqu'on utilise une buse dont le diamètre est de 4 mm, le passage en forme de carotte divergente a habituellement un diamètre d'entrée de 4,5 mm. Dans ces conditions, une solidification du matériau dans la carotte intervient en moins de 10 s. Le compactage est alors très insuffisant, puisqu 'une durée de compac- tage d'environ 60 s est souhaitable pour l'obtention d'une pièce présentant précisément la forme et les dimensions requises. Dans certaines installations existantes de moulage par injection, utilisées notamment pour la fabrication de pièces à partir de matériaux thermoplas- tiques dont la fusion intervient à des températures relativement faibles (autour de 200 C), le passage d'alimentation, de forme cylindrique est chauffé en permanence sur toute sa longueur. L'utilisation d'installations de ce type pour le moulage de pièces de relativement grandes di- mensions en des matériaux thermoplastiques présentant un état pâteux et fortement visqueux lors de leur in- jection dans le moule permettrait de résoudre le pro- blème posé par la solidification du matériau à l'inté- rieur de la carotte avant que le compactage ne soit terminé. Cependant, le chauffage du passage d'alimenta- tion sur toute sa longueur a pour conséquence la pour- suite de l'écoulement du matériau par la buse d'injec- tion lorsque le moule est ouvert et que la pièce précédemment fabriquée en est extraite. L'invention a principalement pour objet un nouveau procédé de moulage par injection d'une pièce en un matériau thermoplastique, permettant de fabriquer des pièces de formes et de dimensions très précises et dont les caractéristiques mécaniques sont uniformes, même lorsque le matériau se présente sous une forme pâteuse et fortement visqueuse lors de son injection. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de moulage par injection d'une pièce en un matériau thermoplastique, selon le- quel: - on chauffe le matériau thermoplastique à une tempéra- ture de transformation, autorisant son injection; - on remplit un moule à l'aide du matériau chauffé, en l'injectant sous pression, au travers d'une buse d'injection et d'un passage en forme de carotte divergente; - on compacte le matériau injecté dans le moule, pen- dant un temps déterminé, en appliquant une pression au travers de la buse d'injection et du passage; - on refroidit le matériau injecté dans le moule en maintenant ce dernier en permanence à une température de solidification du matériau; puis - on ouvre le moule et on démoule la pièce ainsi obte- nue; caractérisé par le fait qu'on chauffe en permanence seulement une partie du passage, attenante à la buse d'injection, à une température de gel du matériau, intermédiaire entre les températures de transformation et de solidification de ce matériau. Etant donné que le chauffage est effectué à une température de gel du matériau, celui-ci ne s'écoule pas lors de l'ouverture du moule. Cependant, le chauffage de la partie d'entrée du passage autorise un compactage pendant une durée suffisante (par exem- ple, environ 60 s) à l'obtention d'une pièce pratique- ment dépourvue de porosité et dont la forme, les dimen- sions et l'état de surface sont satisfaisants. Dans une application préférentielle de l'invention au moulage par injection d'une pièce en résine PEEK (Polyetheretherketone) chargée de fibres courtes de carbone, la température de transformation de la résine est comprise entre environ 380 C et 420 C et sa température de solidification est comprise entre environ 200 C et 240 C. La température de gel à laquelle on chauffe la partie du passage attenante à la buse d'injection est alors comprise entre environ 300 C et 315 C. Avantageusement, la partie chauffée du pas- sage en forme de carotte divergente a une longueur maximale sensiblement égale à la moitié de la longueur totale de ce passage. Afin d'assurer l'étanchéité entre la buse d'injection et l'entrée de la carotte divergente, on augmente de 1,5 mm le diamètre d'entrée de la carotte par rapport au diamètre de sortie de la buse d'injec- tion. L'invention a aussi pour objet une instal- lation de moulage par injection mettant en oeuvre le procédé qui vient d'être décrit. Conformément à l'invention, cette installa- tion de moulage par injection d'une pièce en un maté- riau thermoplastique comprend: - un moule pourvu d'une empreinte ayant la forme de la pièce; - des premiers moyens de chauffage du matériau thermo- plastique à une température de transformation, auto- risant son injection dans le moule; - une buse d'injection et un passage en forme de ca- rotte divergente, au travers desquels le matériau thermoplastique chauffé par les premiers moyens de chauffage peut être introduit dans l'empreinte du moule; - des moyens d'application de pression permettant d'in- jecter le matériau thermoplastique chauffé dans l'em- preinte, au travers de la buse d'injection et du pas- sage, puis de compacter ce matériau à l'intérieur de l'empreinte; - des moyens pour maintenir en permanence le moule à une température de solidification du matériau, caractérisée par le fait qu'elle comprend de plus des deuxièmes moyens de chauffage aptes à chauffer en per- manence seulement une partie du passage, attenante à la buse d'injection, à une température de gel du matériau, intermédiaire entre les températures de transformation et de solidification de ce matériau. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté qui re- présente de façon très schématique une installation de moulage par injection conforme à l'invention; et - la figure 2 est une vue en coupe longitu- dinale à plus grande échelle représentant schématique- ment le passage en forme de carotte divergente et les parties attenantes de l'installation de la figure 1. L'installation de moulage par injection illustrée sur la figure 1 comprend un fourreau 10 d'axe horizontal et de section circulaire uniforme. Une vis sans fin 12 est reçue dans le fourreau 10 de façon à pouvoir y être animée d'un mouvement de rotation uni- forme et d'un mouvement de translation dans l'un et l'autre sens. Le mouvement de rotation uniforme de la vis sans fin 12 est commandé par un moteur constitué par un vérin hydraulique rotatif 14 dont la sortie est en prise sur un arbre cannelé 16, prolongeant une extrémité de la vis sans fin 12. Les mouvements de translation de la vis sans fin 12 sont commandés par un vérin hydraulique 20 dont le piston 22 est solidaire de l'extrémité de l'arbre cannelé 16 opposé à la vis sans fin 12. L'installation illustrée sur la figure 1 comprend de plus une trémie 24 d'alimentation en maté- riau thermoplastique. Cette trémie 24 débouche dans le fourreau 10 à proximité d'une extrémité de ce dernier adjacente aux moyens d'entraînement de la vis sans fin 12 en rotation et en translation qui viennent d'être décrits. Afin d'éviter que le matériau thermoplastique ne puisse s'échapper par cette extrémité du fourreau , l'extrémité de la vis sans fin 12 prolongée par l'arbre cannelé 16 porte un piston 26 qui coulisse de façon étanche dans la partie correspondante du fourreau 10. La trémie 24 est destinée à recevoir le matériau thermoplastique à température ambiante, sous la forme de granulés solides. Elle comporte un couver- cle 28 apte à être rabattu après l'introduction du matériau thermoplastique dans la trémie. Elle comporte également des moyens d'étuvage ou de séchage (non re- présentés) permettant de sécher les granulés de maté- riau thermoplastique avant qu'ils ne soient introduits à l'intérieur du fourreau 10. Ces moyens d'étuvage ou de séchage sont mis en oeuvre après fermeture du cou- vercle 28. Le sens de rotation de la vis sans fin 12 à l'intérieur du fourreau 10 est déterminé afin que les granulés de matériau thermoplastique introduits dans le fourreau par la trémie 24 soient progressivement ache- minés vers une buse d'injection 30 formant l'extrémité du fourreau 10 opposée à celle qui est obturée par le piston 26. La vis sans fin 12 présente une légère co- nicité, de telle sorte que l'espace séparant la vis du fourreau 10 diminue progressivement de l'embouchure de la trémie 24 vers la buse d'injection 30. Par consé- quent, les granulés de matériau thermoplastique intro- duits par la trémie 24 sont soumis à un effet mécanique de cisaillement qui a pour conséquences de transformer progressivement les granulés en matière pâteuse et de chauffer le matériau thermoplastique. Ce chauffage est complété par des colliers chauffants 32 disposés autour du fourreau 10 sur la majeure partie de la longueur de celui-ci. L'effet mécanique de cisaillement combiné à l'action des colliers chauffants 32 permet d'amener progressivement le matériau thermoplastique dans un état plastique ou fondu correspondant à sa température de transformation. A cet effet, le chauffage assuré par les colliers chauffants 32 est régulé en fonction des informations fournies par des capteurs de température disposés en différents points à l'intérieur du fourreau 10. Cette régulation est telle que le matériau thermo- plastique se trouve précisément à la température de transformation précitée lorsqu'il parvient à proximité immédiate de la buse d'injection 30. Pendant toute la phase qui vient d'être décrite, au cours de laquelle le matériau thermoplasti- que est transféré de la trémie 24 jusqu'à proximité de la buse d'injection 30 et amené à sa température de transformation, le vérin 20 est relâché au moins en partie. L'extrémité de la vis sans fin 12, adjacente initialement à la buse d'injection 30, se déplace donc progressivement en s'éloignant de cette buse du fait du transfert du matériau thermoplastique réalisé par la vis sans fin. Une légère contre- pression peut toutefois être appliquée sur le piston 22, afin de limiter la porosité dans le matériau prêt à être injecté. L'extrémité de la buse d'injection 30 est en appui sur le moule à travers le plateau fixe 34 d'une presse 36. Cette presse 36 comporte également un plateau mobile 38 ainsi qu'un vérin 40 apte à déplacer le plateau mobile 38 vers le plateau fixe 34 et en sens inverse. Un moule en deux parties 42 est placé entre le plateau fixe 34 et le plateau mobile 38. Une contre-pression appliquée sur le plateau mobile 38 par le vérin 40 permet de maintenir le moule 42 fermé pen- dant toute la durée du moulage de la pièce. Le moule en deux parties 42 délimite inté- rieurement une empreinte 44 dont la forme est complé- mentaire de celle de la pièce à fabriquer. Cette em- preinte communique avec la buse d'injection 30 par l'intermédiaire d'un passage 46 en forme de carotte divergente. Le passage 46 est constitué par un trou tronconique formé dans une partie en amont de la cavité du moule 42 selon l'axe horizontal commun à la buse d'injection 30 et à la vis sans fin 12. L'extrémité de petit diamètre du passage 46 est adjacente à la buse 30. Le moule en deux parties 42 est muni de moyens 43 permettant de refroidir le matériau thermo- plastique après que celui-ci ait été injecté de façon à remplir l'empreinte 44. Dans la pratique, ces moyens 43 consistent en des moyens de chauffage permettant de maintenir le moule à une température supérieure à la température ambiante, qui correspond à la température de solidification du matériau thermoplastique, permet- tant l'éjection de la pièce après ouverture du moule. Les moyens de chauffage 43 sont actionnés en permanence lors du fonctionnement de l'installation. Ils peuvent notamment être constitués par un circuit d'huile dont la température est régulée en permanence. Lorsqu'une quantité de matériau thermoplas- tique suffisante pour permettre le remplissage du moule 42 a été amenée à proximité de la buse d'injection 30 et se trouve dans l'état pâteux correspondant à la température de transformation de ce matériau, le vérin est actionné de façon à appliquer sur le piston 22 une pression élevée permettant d'injecter le matériau dans l'empreinte 44 du moule, au travers de la buse d'injection 30 et du passage 46. Cette pression est maintenue pendant une période suffisante pour assurer un compactage complet du matériau qui remplit l'em- preinte 44, avant que ce matériau ne durcisse. Lorsque cette opération de compactage est terminée, le refroidissement de la pièce est poursuivi par les moyens de chauffage 43 qui équipent le moule 42, jusqu'à ce que la pièce atteigne une température de solidification. Le vérin 40 est alors actionné en sens inverse de façon à ouvrir le moule 42 et à libérer la pièce ainsi fabriquée. Dans la mise en oeuvre de l'installation qui vient d'être décrite, l'obtention d'un temps de compactage suffisant pour compenser le retrait volumi- que de la matière et pour résorber pratiquement totale- ment les porosités présentes dans le matériau thermo- plastique est conditionné par la présence, en amont de la cavité du moule 42, d'un moyen de chauffage 48 disposé autour d'une partie du passage 46 adjacente à la buse d'injection 30, comme l'illustre la figure 2. Les moyens de chauffage 48 peuvent être constitués par tout système de chauffage annulaire régulé tel qu'une résistance électrique ou une tuyauterie hélicoïdale dans laquelle circule un fluide caloporteur. La lon- gueur des moyens de chauffage 48 est au plus égale à environ la moitié de la longueur du passage 46. Cet agencement particulier conforme à l'in- vention permet d'éviter que le matériau thermoplastique ne se solidifie prématurément dans la partie de plus petit diamètre du passage 46, quelques secondes après le remplissage de l'empreinte 44. En d'autres termes, la solidification du matériau thermoplastique dans cette partie de plus petit diamètre du passage 46 n'in- tervient qu'après un temps suffisamment long pour que le compactage complet du matériau thermoplastique à l'intérieur de l'empreinte 44 ait été effectué. Cela permet d'éviter les déformations dues au retrait volu- mique de la matière lors de son refroidissement. Les formes et les dimensions de la pièce sont ainsi respec- tées avec précision, de même que la qualité de l'état de surface. Par ailleurs, la température à laquelle la partie du passage 46 attenante à la buse d'injection est chauffée par les moyens de chauffage 48 est régulée à une valeur correspondant à la température de gel ou de non écoulement du matériau thermoplastique. Par conséquent, lorsque la solidification de la pièce est achevée et que le moule 42 est ouvert, le matériau thermoplastique est solidifié à peu près jusqu'à mi-longueur du passage 46, de sorte que la pièce démou- lée comporte une demi-carotte. En revanche, la partie du matériau thermoplastique qui se trouve à l'intérieur des moyens de chauffage 48 se trouve dans un état de gel semi-pâteux qui s'oppose à son écoulement après l'enlèvement de la pièce mais ne forme pas un bouchon solide qu'il serait nécessaire d'évacuer avant le mou- lage de la pièce suivante. Par conséquent, la présence des moyens de chauffage 48 autour de la partie du passage 46 atte- nante à la buse d'injection 30 permet de réaliser l'in- jection et le compactage du matériau thermoplastique dans les conditions les meilleures pour l'obtention d'une pièce de très bonne qualité, tout en évitant l'écoulement du matériau par le passage 46 après l'ou- verture du moule. Avantageusement, les dimensions du passage 46 en forme de carotte divergente sont optimisées par rapport au diamètre de la buse d'injection 30, pour favoriser encore l'injection et le compactage du maté- riau dans le moule. Ainsi, le diamètre d'entrée du passage 46 présente de préférence une valeur qui excède le diamètre de la buse d'injection 30 d'environ 1,5 mm. A titre d'exemple, si la buse d'injection 30 a un dia- mètre de 4 mm, le diamètre d'entrée du passage 46 sera avantageusement de 5,5 mm. Si l'installation qui vient d'être décrite peut être utilisée pour réaliser le moulage par injec- tion de toutes pièces en matériau thermoplastique, elle est particulièrement adaptée au moulage par injection de polymères chargés ou non, tels que les polymères connus sous la dénomination PEEK ou PEI (Polyetherimide) dont le caractère pâteux et fortement visqueux à la température de transformation rendait jusqu'à présent pratiquement impossible le moulage par injection, surtout pour des pièces de relativement grande dimension telles que des pales de rotors anti-couple d'hélicoptères. Dans le cas particulier des résines PEEK ou PEI, l'étuvage des granulés à l'intérieur de la trémie 24 s'effectue à environ 150 C pendant 4 heures. La température de transformation à laquelle la résine est amenée à proximité de la buse d'injection 30 est comprise entre environ 380 C et 420 C et, de préfé- rence, égale à environ 400 C. La température de solidi- fication à laquelle se trouve le moule 42 est alors comprise entre environ 200 C et 240 C, de préférence environ 220 C. Conformément à l'invention, la partie du passage 46 attenante à la buse d'injection 30 est chauffée par les moyens de chauffage 48 à une tempéra- ture de gel comprise entre environ 300 C et 315 C, une température d'environ 310 C étant considérée comme préférentielle. Bien entendu, ces températures prennent des valeurs différentes selon la nature du matériau thermo- plastique servant à fabriquer la pièce. REVENDICATIONS 1. Procédé de moulage par injection d'une pièce en un matériau thermoplastique, selon lequel: - on chauffe le matériau thermoplastique à une tempéra- ture de transformation, autorisant son injection; - on remplit un moule (42) à l'aide du matériau chauf- fé, en l'injectant sous pression, au travers d'une buse d'injection (30) et d'un passage (46) en forme de carotte divergente; - on compacte le matériau injecté dans le moule (42), pendant un temps déterminé, en appliquant une pres- sion au travers de la buse d'injection (30) et du passage (46); - on refroidit le matériau injecté dans le moule (42) en maintenant ce dernier en permanence à une tempéra- ture de solidification du matériau; puis - on ouvre le moule (42) et on démoule la pièce ainsi obtenue; caractérisé par le fait qu'on chauffe en permanence seulement une partie du passage (46) attenante à la buse d'injection (30), à une température de gel du matériau, intermédiaire entre les températures de transformation et de solidification de ce matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que, la température de transforma- tion du matériau thermoplastique étant comprise entre environ 380 C et 420 C et la température de solidifica- tion de ce matériau étant comprise entre environ 200 C et 240 C, la température de gel est comprise entre environ 300 C et 315 C. 3. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on chauffe une partie du passage (46) ayant une longueur maximale sensiblement égale à la moitié de la longueur totale de ce passage. 4. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on uti- lise un passage (46) ayant un diamètre d'entrée qui excède le diamètre de la buse d'injection (30) d'envi- ron 1,5 mm. 5. Installation de moulage par injection d'une pièce en un matériau thermoplastique comprend: - un moule (42) pourvu d'une empreinte (44) ayant la forme de la pièce; - des premiers moyens de chauffage (32) du matériau thermoplastique à une température de transformation, autorisant son injection dans le moule (42); - une buse d'injection (30)et un passage (46) en forme de carotte divergente, au travers desquels le maté- riau thermoplastique chauffé par les premiers moyens de chauffage (32) peut être introduit dans l'em- preinte (44) du moule; - des moyens d'application de pression (20) permettant d'injecter le matériau thermoplastique chauffé dans l'empreinte (44), au travers de la buse d'injection (30) et du passage (46), puis de compacter ce maté- riau à l'intérieur de l'empreinte; - des moyens (43) pour maintenir en permanence le moule (42) à une température de solidification du matériau, caractérisée par le fait qu'elle comprend de plus des deuxièmes moyens de chauffage (48) aptes à chauffer en permanence seulement une partie du passage (46), atte- nante à la buse d'injection (30), à une température de gel du matériau, intermédiaire entre les températures de transformation et de solidification de ce matériau. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ladite partie du passage (46) a une longueur maximale sensiblement égale à la moitié de la longueur totale du passage. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée par le fait que le passage (46) a un diamètre d'entrée qui excède le dia- mètre de la buse d'injection (30) d'environ 1,5 mm.