Brevet FR2703111A1 — publié le 19940930

La présente invention concerne des rotors de pompes ayant de faibles épaisseurs de parois, destinés au déplacement de fluides variés (huiles, graisses, hydrocarbures, air, et autres), réalisés en matière thermoplastique injectée, ainsi que leur procédé de fabrication. On connaît bien les rotors de pompes habituellement fabriqués en métal de faible épaisseur, par exemple par l'assemblage de pièces découpées en tôle mince, ou réalisés en fonderie sous pression de précision Il est tentant pour l'homme de l'art de remplacer dans ces fabrications le métal par la matière plastique, matériau plus inerte chimiquement et moins dense, permettant de réduire les masses en mouvement, et moins cher à l'achat en coût de transformation, permettant de ce fait de réduire les prix de revient Mais les pièces réalisées en matière plastique présentent d'une part une moins grande résistance mécanique, ce qui conduit à augmenter leur épaisseur et va donc à l'encontre du but poursuivi, et d'autre part une précision inférieure aux pièces réalisées en métal mince et une moins bonne stabilité thermique et dans le temps. Il est par ailleurs difficile d'obtenir un ensemble assemblé équilibré d'une façon satisfaisante et stable en fabrication de série, que l'on parte de pièces métalliques ou de pièces moulées, et il est en général nécessaire de procéder à un équilibrage unitaire des pièces ainsi assemblées. La technologie de l'injection monobloc des matières plastiques avec noyaux fusibles permettrait d'obtenir des formes de pales convenables pour ce type de rotors (formes creuses, formes gauches et à contre- dépouilles) mais ne serait pas assez précise pour garantir -des épaisseurs faibles et relativement constantes Là encore se poserait le problème de l'équilibrage pour des rotors tournant à vitesse élevée (plus de 1000 t/min par exemple) Le document FR-2 604 116 relatif à un procédé pour fabriquer une roue à aube pour pompe à agent réfrigérant d'un véhicule automobile est une illustration de cette technologie. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités ci-dessus en proposant des rotors de pompes réalisés en deux pièces assemblées par soudure, obtenues toutes les deux par moulage par injection à partir de matériaux thermoplastiques appropriés, de préférence chargés, les parois de ces pièces moulées étant suffisamment minces pour pouvoir remplacer avantageusement des pièces similaires en métal et bénéficier au maximum lors du moulage de qualités de surface liées à l'effet de peau de la matière mise en oeuvre en épaisseur mince. Selon une disposition avantageuse de la présente invention, les types de matières préférées pour la réalisation de ces deux pièces sont les polyamides ( 6 6 ou 6 10 ou 6 4 ou 11.12), les polyarylamides, les polyéthercétones, les sulfures de polyphénylène, les polypropylènes et les polyphtalamides, de préférence renforcés entre 10 % et 60 % de fibres de verre, de fibres de Kevlar ou de fibres de carbone, sans que cette énumération soit limitative, et les épaisseurs de parois obtenues sont de l'ordre du millimètre ou en-dessous. L'injection de ces deux pièces se fait avantageusement, selon la présente invention, soit par des points d'injection multiples, répartis également sur la périphérie de leur moyeu central, en nombre suffisant pour que les trajets de la matière soient assez courts jusqu'aux lignes o les nappes se rejoignent; soit à travers une nappe de diffusion créée par une zone de striction de l'écoulement autour d'un anneau central de la pièce lui-même alimenté normalement par un ou plusieurs points. Selon une autre disposition avantageuse de la présente invention les deux pièces ainsi obtenues sont assemblées par soudure par ultrasons, des directeurs d'énergie classiques en forme de cordons triangulaires terminant les arêtes supérieures des ailettes du fond. Par ailleurs les deux pièces moulées sont avantageusement munies d'une masselotte d'équilibrage venant de moulage avec elles, dont la position angulaire et la masse peuvent être ajustées à volonté grâce à un dispositif réglable équipant leurs moules de fabrication, ce qui élimine totalement le problème de l'équilibrage unitaire des rotors produits, constant dans les technologies antérieures. D'autre part, les rotors selon la présente invention peuvent être avantageusement pourvus dans leur partie centrale d'un système d'entraînement approprié, qui peut venir directement de moulage avec l'une des deux pièces, ou être moulé ou métallique et rapporté. Enfin les deux pièces constitutives des rotors selon 1 invention peuvent être réalisées avantageusement, pour des motifs techniques ou économiques, en deux matériaux différents, pourvu que ceux-ci soient compatibles pour un assemblage par soudure par ultrasons. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'exemples de réalisation de rotors de pompe selon l'invention, illustrés par les dessins annexés, fournis à titre illustratif et non limitatif, et dans lesquels: la figure la représente une vue de dessus d'un rotor de pompe, selon la présente invention. la figure lb représente une vue en coupe d'un rotor de pompe assemblé, selon la présente invention. la figure 2 a représente une vue en coupe d'un fond avec ses ailettes. la figure 2 b représente une vue en coupe d'un couvercle, correspondant au fond de la figure 2 a. la figure 3 a représente une vue en coupe d'une variante de réalisation d'un fond. la figure 3 b représente une vue en coupe d'un couvercle correspondant au fond de la figure 3 a. la figure 4 a représente une vue schématique d'un fond et d'un couvercle avant leur assemblage par ultrasons. la figure 4 b représente une illustration d'un directeur d'énergie, en vue de la soudure par ultrasons. la figure 4 c représente une vue en perspective d'une ailette munie du directeur d'énergie de la figure 4 b. la figure 5 représente une vue schématique d'un dispositif de soudure par ultrasons. la figure 6 représente une vue schématique d'une variante d'assemblage par ultrasons. la figure 7 représente une vue en coupe de l'outil de moulage d'un fond avec sa masselotte d'équilibrage. Si on se réfère aux figures la et lb on voit qu'un rotor de pompe selon l'invention est constitué par deux pièces assemblées, un fond 1 et un couvercle 2 qui sont représentés en détail et en coupe à la sortie de leur moulage par injection, selon deux variantes différentes, sur les figures 2 a et 2 b d'une part, et 3 a et 3 b d'autre part. Comme on peut le voir sur la figure 2 a, le fond 1 comporte un flasque 10 surmonté d'une série d'ailettes 11 solidaires de ce flasque, ayant une forme appropriée et pouvant, par exemple, être courbes ou hélicoïdales selon les besoins, pour améliorer ou optimiser le rendement du rotor, notamment selon la nature du fluide à propulser Dans certains cas, et en particulier lorsque le démoulage risque de poser problème, le flasque 10 peut comporter avantageusement sur sa périphérie et dans son plan une étroite couronne annulaire 12 débordant des ailettes 11 pour permettre la mise en oeuvre dans l'outil de moulage d'un éjecteur annulaire, visible en 110 sur la figure 7 qui sera décrite ci-après, facilitant l'extraction de la pièce de son empreinte à l'issue du moulage sans entraver la rotation de la pièce résultant du déplacement axial converti en rotation du fait de la forme des ailettes 11. Le fond 1 est également pourvu en son centre, de façon conventionnelle, d'un moyeu 13 qui peut être avantageusement pourvu d'un système d'entraînement de type connu tel que, par exemple, une zone filetée, ou un clavetage ou un polygone, ou autre, obtenu directement de moulage, ou encore une pièce insérée, métallique ou autre, surmontée ou rapportée, selon des techniques connues en soi. La figure 2 b représente le couvercle 2 qui est la pièce complémentaire de la précédente Il s'agit globalement d'un simple flasque circulaire mince 20 dont la forme générale en chapeau de révolution autour d'un axe vertical est telle qu'elle épouse sensiblement la courbure des arêtes supérieures 14 des ailettes 11 du fond 1 et dont le diamètre extérieur 21 coïncide sensiblement avec celui délimité sur le flasque 10 du fond 1 par les arêtes externes 15 des ailettes 11, tandis que son diamètre intérieur 22 coïncide sensiblement avec celui délimité de la même manière par les arêtes internes 16 de ces mêmes ailettes il. Comme le montrent les figures 2 a et 2 b, ainsi que les figures 3 a et 3 b qui représentent une variante de réalisation de ces deux mêmes pièces constitutives d'un rotor de pompe selon 2703111 l'invention, ces deux pièces sont toujours obtenues par moulage par injection classique, avec des moules de précision, d'un matériau thermoplastique à haute résistance mécanique, de grande fluidité pour pouvoir être injecté en épaisseurs faibles, crest à dire de l'ordre du millimètre ou moins Le matériau utilisé doit conserver ses qualités mécaniques à température élevée et avoir si possible une résistance chimique adaptée au fluide à propulser par la pompe ou à son environnement (huiles, graisses du système mécanique, hydrocarbures, et autres) On utilise de préférence un matériau choisi dans la liste ci- dessous, donnée à titre indicatif, mais non exhaustive et non limitative: les polyamides ( 6 6 ou 6 10 ou 6 4 ou 11 12) les polyarylamides les polyétheréthercétones ou polyéthercétones les sulfures de polyphénylène les polypropylènes les polythtalamides. Dans tous les cas on préférera un matériau chargé entre % et 60 % ou plus, de fibres de verre, ou de fibres de Kevlar, ou encore de fibres de carbone, ou encore d'autres charges de ce type, bien connues dans la technique des matériaux thermoplastiques chargés injectables. Avec une matière de ce type il est possible d'injecter aisément des pièces ayant les faibles épaisseurs de parois recherchées, soit de l'ordre du millimètre ou moins Or il est bien connu que lors du moulage de matériaux chargés de ce type, il se forme au contact de la surface de l'empreinte de moulage, lorsque le refroidissement de la matière et donc son durcissement intervient au contact du moule, une couche de matières essentiellement constituée par de la résine ayant des propriétés mécaniques et physiques bien spécifiques Ce phénomène, bien connu de l'homme de l'art et appelé effet de peau, se produit à la surface de l'empreinte qu'il est nécessaire, pour le maîtriser, de réguler à une température optimale selon le type de matière utilisé, afin de pouvoir garantir sa structure Du fait des faibles épaisseurs des pièces ainsi obtenues, on bénéficiera relativement plus des qualités spécifiques inhérentes à cette couche superficielles qui est présente sur les deux faces de la pièce et dont les qualités mécaniques et physiques sont particulièrement intéressantes pour l'application envisagée ici. L'injection des deux pièces considérées, soit le fond 1 et le couvercle 2, se fera de façon classique, par un canal 3 coaxial avec ces pièces circulaires, et alimentant l'empreinte considérée de façon à bien maîtriser un écoulement radial et symétrique de la matière injectée Cette injection peut se faire, comme cela est illustré sur les figures 2 a et 2 b, à travers des points d'injection multiples, tels que 17, répartis en nombre suffisant sur la périphérie 13 du fond 1, ou sur la couronne intérieure 22 du couvercle 2, de manière que les trajets de la matière soient assez courts jusqu'aux lignes o les nappes se rejoignent, garantissant ainsi une soudure avec de la matière encore chaude, donc avec de bonnes qualités mécaniques Dans ce cas, on aménagera des évents à l'extrémité de chaque ligne de soudure pour éviter le phénomène de surchauffe en cet endroit précis o l'air et les gaz contenus dans l'empreinte doivent être évacués. Mais cette injection peut aussi se faire, comme cela est représenté sur les figures 3 a et 3 b, à travers une nappe de diffusion de la matière, créée par une zone de striction de l'écoulement ( 18 ou 28) autour d'un anneau central de la pièce ( 19 ou 29), lui-même alimenté par un ou plusieurs points d'injection, de manière classique Comme précédemment, on disposera naturellement des évents en des endroits convenables pour permettre l'évacuation de l'air et des gaz de l'empreinte et éviter les surchauffes locales, comme cela est bien connu dans la technique du moulage par injection. Les deux pièces ainsi obtenues, le fond 1 et le couvercle 2, seront alors assemblées par la technique de la soudure par ultrasons, comme cela est illustré sur les figures 4, 5 et 6. Le choix d'un matériau de l'un des types cités ci- dessus, ou analogue, ainsi que les faibles épaisseurs de paroi obtenues, en particulier pour le couvercle 2, et les faibles déformations géométriques enregistrées grâce à la symétrie du système d'injection utilisé, ajoutés aux qualités superficielles des pièces résultant de l'effet de peau ci-dessus décrit permettent de pratiquer, par l'assemblage des deux pièces, une soudure par ultrasons avec directeur d'énergie triangulaire sur surface plane ou continue, comme le montrent les figures 4 a, 4 b et 4 c. On dispose un cordon de section triangulaire sur l'arête supérieure 14 de chaque ailette 11 pour venir en contact avec le couvercle 2 à plat et en suivant sa courbure, comme cela est bien connu dans cette technologie de soudure par ultrasons. Ce type d'aménagement simple, possible grâce aux faibles épaisseurs mises en oeuvre et à la conformabilité ainsi obtenue pour le couvercle 2, évite d'utiliser les méthodes plus traditionnelles connues avec emboîtement, beaucoup plus difficiles à mettre en oeuvre Le centrage du couvercle 2 sur le fond 1 se fera lors de l'assemblage par soudure grâce aux méthodes usuelles, c'est à dire par un positionnement imposé par le support de chaque pièce dans la sonotrode 30 et dans l'enclume 31 comme elle est représentée schématiquement sur la figure 5, ou encore par un positionnement relatif des deux pièces avec pilotage par des emboîtements en nombre réduit réalisés sur les deux pièces, tels que des pièces de centrage 4 représentées schématiquement sur la figure 6. Le rotor ainsi constitué par assemblage de deux pièces, le fond 1 et le couvercle 2, étant appelé à tourner le plus souvent à des vitesses élevées, il est nécessaire d'assurer son équilibrage afin d'éviter les vibrations, comme cela est bien connu Afin d'obtenir un équilibrage parfait de chaque pièce en fabrication de série, on fait venir de moulage de moulage sur chacune d'elle, le fond 1 et le couvercle 2, une masselotte d'équilibrage 5 ajustable, comme le montre la figure 7 représentant l'outil de moulage par injection du fond 1 avec ses ailettes, étant bien entendu que le principe qui va être décrit pour le moulage de cette pièce est totalement applicable de la même façon au moulage du couvercle 2 On voit sur cette figure que la partie supérieure 101 de cet outil de moulage comporte un anneau mobile 102 pouvant tourner autour de l'axe central 103 de la pièce et du moule, étant guidé par rapport à la partie fixe de l'outil, par exemple par des rouleaux A sa partie supérieure, la couronne mobile 102 est équipée d'une denture périphérique 104 qui engrène avec une vis sans fin appropriée correspondante 105 disposée dans la partie fixe du demi-moule supérieur 101. Dans une zone appropriée de sa périphérie, la couronne mobile 102 dont la partie inférieure 106 forme l'empreinte de la couronne extérieure de la face inférieure du flasque 10 du fond 1, porte une pastille 107 déplaçable verticalement selon un axe parallèle à l'axe principal 103, et pratiquement sans jeu appréciable dans un alésage 108 correspondant de ladite couronne 102 Cette pastille 107 est vissée sur une tige filetée 109 solidaire de la couronne 102 émergeant dans l'alésage 108 La face inférieure de la pastille 107 porte une empreinte de tournevis, ou un ergot, ou analogue, permettant de la faire tourner à volonté avec un outil approprié lorsque le moule est ouvert, et donc de modifier sa hauteur par rapport au plan de la partie inférieure 106 de la couronne 102, formant la face inférieure de la couronne extérieure de l'empreinte du fond 1. On comprend ainsi aisément que lors du moulage de la pièce, que ce soit le fond 1 ou le couvercle 2, on peut faire venir sur la face inférieure du flasque 10 du fond 1 ou sur la face supérieure du couvercle 2, une masselotte 5 dont il est possible de modifier la hauteur, donc la masse, en opérant sur la position en hauteur de la pastille 107 par rapport au plan inférieur 106 de la couronne 102 et également la position angulaire en agissant sur la vis sans fin 105 qui fait tourner la couronne mobile 102, et donc l'axe portant la tige 109 à l'extrémité de laquelle est fixée la pastille 107. On procède alors immédiatement après la sortie du moule d'une pièce, que ce soit le fond 1 ou le couvercle 2, à un contrôle de l'équilibrage sur un équipement approprié et, selon les résultats obtenus, on modifie depuis l'extérieur du moule ouvert, et sans aucun démontage, la position angulaire et/ou la masse de masselotte 5 de manière à obtenir un équilibrage satisfaisant de la pièce La production en série pourra alors se faire et il suffira de vérifier, par un prélèvement classique séquentiel, que l'équilibrage de la pièce se maintient dans le temps Les deux pièces moulées, le fond 1 et le couvercle 2, convenablement repérées et assemblées, donnent alors naissance à des rotors équilibrés. L'exemple de réalisation ainsi décrit de rotors de pompes peut évidemment donner lieu à de nombreuses variantes d'exécution sans sortir du cadre de la présente invention C'est ainsi qu'il est par exemple possible de réaliser les deux pièces constitutives, le fond 1 et le couvercle 2, en deux matériaux différents, soit pour des raisons techniques et fonctionnelles, soit pour des raisons économiques et de coût de matière, ou pour toutes les deux simultanément On peut, par exemple, utiliser une matière ayant une plus haute résistance en température pour le fond et une matière moins chère pour le couvercle, étant bien entendu qu'il faut toujours que ces matières soient compatibles entre elles pour la soudure par ultrasons. De la même façon, la forme générale et le nombre d'ailettes 11 solidaire du fond 1 peuvent être extrêmement variables, selon le type d'application envisagé, et notamment la nature du fluide propulsé et la hauteur de refoulement à obtenir. De même, la forme et la position, sur chacune des deux pièces constitutives, de la masselotte 5 d'équilibrage venant de moulage peuvent être modifiées dans de larges mesures sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Rotor pour pompe destinée au déplacement de fluides, comportant deux pièces assemblées par soudure, un fond ( 1) avec ses ailettes ( 11) et un couvercle ( 2), obtenues toutes deux par moulage par injection de matériaux thermoplastiques appropriés, de préférence renforcés par des charges, caractérisé en ce que les parois des deux pièces ( 1, 2) sont suffisamment minces pour pouvoir remplacer avantageusement des pièces métalliques similaires et bénéficient au maximum des qualités spécifiques de surface de la matière moulée liées à l'effet de peau. 2) Rotor pour pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique mise en oeuvre pour la réalisation des deux pièces ( 1, 2) est choisie de préférence dans le groupe formé par les polyamides ( 6 6 ou 6 10 ou 6 4 ou 11.12), les polyarylamides, les polyétheréthercétones, les polyéthercétones, les sulfures de polyphénylène, les polypropylènes, les polyphtalamides, ladite matière plastique étant de préférence renforcée par une charge comprise entre 10 % et 60 % en poids de fibres de verre, de fibres de Kevlar, de fibres de carbone, ou analogue. 3) Rotor pour pompe selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur des parois des pièces moulées ( 1, 2) est de l'ordre du millimètre ou moins. 4) Rotor pour pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection des pièces ( 1, 2) est réalisée en des points multiples ( 17 ou 27) répartis régulièrement sur la périphérie du moyeu ( 13) du fond ( 1) ou sur la couronne intérieure ( 22) du couvercle ( 2). ) Rotor pour pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection des pièces ( 1, 2) est réalisée à travers une nappe de diffusion créée par une zone de striction de l'écoulement ( 18 ou 28) entourant un anneau central de la pièce ( 19 ou 29), lui-même alimenté par un ou plusieurs points. 6) Rotor pour pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fond ( 1) et le couvercle ( 2) sont assemblés par soudure par ultrasons. 7) Rotor pour pompe selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ailettes ( 11) du fond ( 1) sont munies le long de leur arête supérieure ( 14) d'un cordon de section triangulaire approprié venant s'appliquer sur toute leur longueur contre la face inférieure du couvercle ( 2) et formant directeur d'énergie durant la soudure par ultrasons des deux pièces. 8) Rotor pour pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux pièces ( 1, 2) sont munies d'une masselotte d'équilibrage ( 5) venant de moulage. 9) Procédé de moulage des deux nièces constitutives ( 1, 2) du rotor de pompe selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'outillage de moulage ( 101) de chacune des pièces est équipé d'une pastille ( 107) dont la position est ajustable angulairement et en hauteur, permettant de faire venir sur la pièce moulée ( 1, 2) une masselotte d'équilibrage dont on peut ajuster la masse et la position angulaire. ) Rotor pour pompe selon l'une quelconque des revendication 1 à 8, caractérisé en ce que le fond ( 1) est équipé en sa partie centrale d'un système d'entraînement approprié du rotor, pouvant venir directement de moulage, ou être surmoulé ou simplement rapporté. 11) Rotor pour pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou 10, caractérisé en ce que les deux pièces constitutives ( 1, 2) sont réalisées en deux matériaux thermoplastiques différents. 12) Procédé pour la réalisation de rotors de pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou 10 ou 11, caractérisé en ce que leurs deux pièces constitutives ( 1, 2) sont réalisées par moulage par injection de pièces à parois minces, de l'ordre du millimètre ou moins, en une ou deux matières thermoplastiques appropriées, de préférence renforcées, qui sont ensuite assemblées par ultrasons.