Brevet FR2716833A1 — publié le 19950908

-1 Le demandeur a observé la nécessité de doter les installations et les procédés de haute technologie, tels que ceux mis en oeuvre dans l'industrie aéronautique ou l'industrie automobile en particulier, d'outils, de matrices, etc., en matériaux offrant les mêmes caractéristiques mécaniques que les métaux tout en présentant un net progrès en termes de poids, de recyclage, de réparations, etc. Le demandeur a travaillé sur des copolymères de nylon et a trouvé que l'on pouvait obtenir les résultats escomptés avec un copolymère dérivé du caprolactame, moulé à l'état brut en moule ouvert, puis usiné en vue d'obtenir l'outillage désiré. L'invention porte précisément sur un procédé de fabrication d'outillage, caractérisé en ce que l'on mélange dans un moule ouvert un caprolactame avec un prépolymère consistant en une solution de caprolactame avec des radicaux à groupes acyle et des radicaux de polyoxypropylène, en utilisant comme catalyseur une solution de bromure de magnésium dans du caprolactame, en vue d'obtenir un copolymère, qui est moulé à l'état brut, puis usiné en vue de lui donner la forme de l'outillage souhaité. Le procédé selon l'invention part des produits de base suivants: ECaprolactame: Formule chimique 2-Oxohéxaméthylénimine C6H11O N Poids moléculaire 113,16 - 2 - Point de fusion 69,2 C Point d'ébullition 268,5 C Densité 1,02 g/cm3 Teneur en eau 0,015 % en poids maximal Acidité 0,05 meq/kg maximum Alcalinité 0,05 meq/kg maximum P1-30 Prépolymère A partir de caprolactame avec des radicaux acyle et polyoxypropylène. Viscosité 50 C 2000 - 10 000 mPa.s Acidité 80 meq/kg maximum Cl Catalyseur Solution de bromure de magnésium dans du caprolactame. Extinction 390 nm 0,06 maxi Éther 100 ppm maximum Agent de démoulage B Amide d'acide gras Point de fusion 139-145 C Teneur en eau 0,04 % en poids Acidité 270 meq/kg maximum Stabilisateur anti-mousse Viscosité 25 C 800 à 1600 cSt Solvant pH 5 à 8,5 Teneur en eau 0,5 % en poids maximum Réaction chimique On polymérise le caprolactame par polymérisation anionique. Le catalyseur est une base forte qui forme des liaisons dans le lactame. Dans le procédé, on utilise - 3 - un cocatalyseur (le prépolymère) pour accélérer la réaction, le catalyseur étant le troisième élément fondamental. Procédé de fabrication Les pièces sont fabriquées dans un système ouvert à basse pression et elles se polymérisent au bout de quelques minutes. C'est l'une des différences fondamentales du procédé selon la présente invention par rapport à la méthodologie traditionnelle. Préparation du matériau Les composants sont préparés dans deux bacs en acier inoxydable appelés A et B. Les matériaux sont chauffés sous atmosphère inerte d'azote jusqu'à 120- OC, selon la formulation. Le moule est fabriqué dans l'un des matériaux suivants: Acier Aluminium usinable Aluminium coulé Fonte grise Silicone Zamac Le temps de remplissage des moules, pour des pièces qui peuvent peser jusqu'à 250 kg, est de secondes maximum, suivant le pourcentage de catalyseur. Le moule est de type ouvert, c'est-à-dire sans couvercle supérieur. Le matériau doit être coulé très rapidement pour empêcher sa polymérisation et, par conséquent, la formation de couches pendant le - 4 - processus de remplissage; le déversement se fait par exemple avec un débit supérieur à 50 litres/minute. La pièce terminée doit mousser dans la partie supérieure. Cette partie est usinée dès que la pièce s'est polymérisée. Le procédé de fabrication est le suivant: a) Le moule et les différents composants doivent être portés à une température supérieure à la température ambiante; c'est pourquoi ils sont préchauffés. b) Les moules sont propres et préchauffés. c) Les compositions des bacs A et B se trouvent dans deux bacs différents sous atmosphère d'azote. Les mélanges ont été préalablement pesés en fonction des quantités requises. d) Les deux composants sont mélangés dans le moule. Au bout de 60 secondes, le mélange commence à se polymériser. La température du mélange doit être comprise entre 120 et 130 OC. Dans le cas des pièces annulaires, il convient de mélanger préalablement à la main, afin d'éviter la formation d'une peau non polymérisée dans la partie opposée à la coulée du matériau. e) Après que les pièces chaudes ont été retirées du moule, on les introduit dans une sorte de chevalet pour éviter qu'elles ne se déforment pendant la phase de refroidissement. Cet outil peut être réalisé en époxy, en polyester ou en bois; il convient en effet d'éviter d'employer des substances susceptibles de marquer la matière première. -5- f) Les pièces minces (de moins de 6 mm d'épaisseur) doivent demeurer dans ce type d'outil jusqu'à ce que la température descende au-dessous de C (température de transition vitreuse), pour ne pas être soumises à des tensions. Cela prend habituellement cinq minutes. g) Si l'on ne suit pas la procédure de refroidissement décrite ci-dessus, la pièce subit de fortes tensions qui provoqueront des cassures pendant l'usinage. Le procédé général porte sur des blocs sans additifs linéaires. Quand on veut élever la valeur du coefficient de dilatation linéaire thermique, on utilise des additifs inorganiques, par exemple, de la famille des fibres de verre, qui donnent une certaine rigidité structurelle. Les formulations acceptent des quantités de fibres de l'ordre de 10 à 40% sans altération des autres propriétés mécaniques. Applications dans le secteur aéronautique Fabrication d'outillage. Jusqu'à présent, on a pu observer les résultats suivants: a) Les outils fabriqués dans ce type de matériau se sont comportés de la même façon que les outils métalliques lors de la fabrication des pièces suivantes pour un emboutissage moyen et profond: - Dispositif de multiplication de force pour presse à huile (Becker) - Dispositif de multiplication de force pour presse à caoutchouc (Pacific) - Dispositif d'emboutissage profond sur presse mécanique et/ou hydraulique (Muller) -6- - Dispositif d'emboutissage sur presse à gravité. - Outils d'étirage pour presse Sheridan. Dans tous les cas, on a obtenu avec le matériau employé des pièces identiques à celles que l'on aurait pu obtenir avec tout autre matériau de la gamme aluminium ou fer. Aucune fissure, aucune cassure n'a été décelée dans la structure interne et externe de l'outil. Bien que le prix de la matière première soit similaire à celui de l'aluminium, sa densité est de 1,16 g/cm3, ce qui implique une réduction appréciable du poids par rapport à l'outillage classique en aluminium (densité 2,75) ou en matériau ferreux (densité 7,85) pour le même volume de pièce. On peut coller ce type de matériau avec des colles classiques disponibles sur le marché, de la gamme des cyanocrylates, ce qui facilite énormément les modifications. Avec le temps, les morceaux juxtaposés et assemblés par collage ne montrent aucune discontinuité dans les emboutissages consécutifs, pas plus que les tôles fabriquées à partir de ce type d'outils. b) outils de fraisage Dans la mesure o il permet de prémouler des pièces relativement grandes, dans le but de réduire les poids et les coûts, ce type de matériau a été très pratique pour fabriquer un outillage de fraisage. Il a accepté aussi bien les pompes à vide -7 - que les pompes à pression jusqu'à 13 kg/cm2 et sa stabilité dimensionnelle a permis de fabriquer toutes sortes d'outils pour des machines-outils classiques. Parce qu'une grande stabilité dimensionnelle était nécessaire, les outils de fraisage contenaient un faible pourcentage de fibres de verre. c) Outils d'emboutissage à double effet. Le poinçon et la matrice ont été réalisés selon les mêmes méthodes de conception et de fabrication que les outils d'emboutissage classiques. Le presse-flanc et les nervures de freinage ont réagi comme ceux de n'importe quelle matrice métallique pour ce qui est de l'obtention de plis, lubrification, façonnage de languettes et autres particularités. Le guidage s'est fait normalement avec des réglettes en polyamide. Dans certains cas, on a également employé des tourelles réalisées dans le même matériau. Le choix de l'un ou l'autre élément s'est fait en fonction de la rigidité requise pour la matrice, aucune différence imputable au matériau n'ayant été décelée. Les emboutissages supérieurs à 150 mm se sont présentés normalement, en particulier pour les carènes et les bords d'attaque. Le matériau n'a jamais montré de point faible même après avoir travaillé avec ce type de structure. On est toujours parti de pièces prémoulées avec une surépaisseur constante d'environ 8-10 mm, ce qui a permis de faire des usinages de dégrossissage et de finition de courte durée. - 8 - Applications dans le secteur automobile a) Fabrication d'outillage pour des pré- séries. Les matrices d'emboutissage ou de façonnage sont fabriquées dans des matériaux copolymères. La conception des outils est celle qui est habituellement employée pour les matrices à double effet: poinçon et matrice en matière synthétique et presse-flanc amovible, guidé sur des réglettes ou des colonnes en polyamide, si la rigidité de la matrice le requiert. Les matrices fabriquées jusqu'à présent n'ont présenté aucun point faible, qu'il s'agisse de l'abrasion des arêtes ou de cassures dues à l'affaiblissement. On a fabriqué, sans aucune sorte de déformation apparente, plus de 5000 pièces en tôle de 2 mm d'épaisseur, embouties sur ce type de matériel. De par leur densité (1,16), les matrices pèsent pratiquement le tiers des matrices en aluminium et le septième des matrices fabriquées avec des matériaux ferreux. Les modifications sont très faciles à introduire. Il suffit d'usiner une mortaise dans la zone à modifier du poinçon et de la matrice. On colle ensuite, avec des colles classiques de la gamme des cyanocrylates, un autre morceau à l'état brut sur le contour de la mortaise précédente. Le matériau et la pièce rapportée sont placés sur une machine pour usiner la modification selon des méthodes classiques. Cette technique est très commode et bon marché pour toutes sortes de pièces destinées aux tests - 9 - d'impact/crash ou destinées à subir des déformations en vue d'améliorer la sécurité ou l'esthétique. Les matrices obtenues permettent de fabriquer une pièce pendant le processus de conception et d'ingénierie sans avoir à attendre, pendant plusieurs mois, de recevoir du fabricant les matrices finales commandées en vue d'une production en grande série. b) Fabrication d'outillage pour des pièces préalablement façonnées. C'est le cas des: ab) Maquettes de contrôle sur la ligne de montage. bb) Outillages pour modifier des pièces déjà fabriquées, c'est-à-dire, toits ouvrants, insertion d'éléments de ventilation dans les capots et, en général, pour toutes les pièces de moyenne ou petite série qui présentent des modifications par rapport aux premières pièces. cb) Pinces et autres éléments d'usure pour le transfert des tôles pendant le soudage et/ou l'application de peinture. c) Outillages d'étude. Dans certains cas, il est préférable de fabriquer de petites séries de pièces pour réduire le temps de développement du processus d'assemblage sur les lignes de montage et/ou de soudage. Ce type de matériau permet de fabriquer les pièces définitives sans avoir à attendre la matrice métallique. Le matériau est livré en blocs, en plaques ou bien, s'il s'agit de figures géométriques simples, en moules préfaçonnés. Ce matériau accepte des vitesses d'usinage de 15 mètres par minute et peut dégrossir - 10 - avec des passes de plus de 50 mm chaque fois. Le copeau est propre et ne dégage aucune fumée toxique pendant son détachement. Les pièces finies sont poncées à la main ou en machine, avec un papier abrasif classique. Le dernier ponçage se fait à l'eau au papier abrasif. Comme il a déjà été mentionné, le produit et les copeaux sont entièrement recyclables. - 11 - REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'outillage, caractérisé en ce que l'on mélange dans un moule ouvert un caprolactame avec un prépolymère consistant en une solution de caprolactame avec des radicaux à groupes acyle et des radicaux de polyoxypropylène, en utilisant comme catalyseur une solution de bromure de magnésium dans du caprolactame, en vue d'obtenir un copolymère, qui est moulé à l'état brut puis usiné en vue de lui donner la forme de l'outillage souhaité. 2.- Procédé de fabrication d'outillage, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les composants du mélange sont préalablement chauffés dans des bacs inertes, séparés, sous atmosphère inerte et à une température comprise entre 120 C et C. 3.- Procédé de fabrication d'outillage, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent de démoulage utilisé est un amide d'acide gras. 4.- Procédé de fabrication d'outillage, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau contenu dans les bacs est versé dans le moule à un débit supérieur à 50 1/minute. 5.- Procédé de fabrication d'outillage, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que des charges inorganiques sont ajoutées au mélange pour augmenter la résistance structurelle. 6.- Procédé de fabrication d'outillage, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moules - 12 - sont chauffés avant le moulage. 7.- Procédé de fabrication d'outillage, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le copolymère moulé est introduit dans un chevalet pour éviter qu'il ne se déforme en refroidissant. 8.- Procédé de fabrication d'outillage, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'outillage usiné est poncé avec du papier abrasif. 9.- Procédé de fabrication d'outillage, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le moule a approximativement la forme de l'outil fini.