Brevet FR2793438A1 — publié le 20001117

La présente invention concerne la réalisation d'articles comportant au moins un élément rigide et au moins un élément de renfort constitué de matière thermoplastique allégée. Dans les domaines industriels concernant la fabrication d'objets manufacturés, par exemple dans les domaines du bâtiment, de l'ameublement, de l'automobile et des biens de consommation, les articles réalisés doivent de manière générale être légers et présenter les propriétés nécessaires à l'usage, notamment des propriétés mécaniques suffisamment élevées. Pour répondre à ces spécifications, le choix des matériaux et la forme conférée à ceux-ci sont déterminants. Les dernières décennies ont vu se développer l'utilisation des matières plastiques, par exemple dans les domaines de l'automobile ou de la construction, qui sont plus légères et qui peuvent être plus facilement travaillées que les métaux. II est ainsi possible de fabriquer des articles légers présentant des formes complexes, par exemple par injection dans un moule d'un polymère fondu. Toutefois l'utilisation de matières plastiques peut être limitée dans certains domaines. La réalisation de grandes pièces peut par exemple poser des problèmes de stabilité dimensionnelle, en particulier dans les applications où elles sont soumises à des variations de température ou à des vibrations. C'est le cas notamment dans le domaine de l'automobile pour certaines pièces situées sous le capot. D'autre part, les pièces réalisées en matière plastique peuvent présenter des propriétés mécaniques insuffisantes pour l'application considérée. Afin de surmonter ce type de difficultés il est connu d'associer différents matériaux, par exemple des éléments métalliques et des éléments constitués de matière thermoplastique. II existe de très nombreuses publications concernant des structures pouvant être adoptées pour adapter des pièces comportant des matières plastiques et des éléments additionnels adaptés à l'usage auquel elles sont destinées. A titre d'exemple on peut citer la demande de brevet publiée DE4334049 qui enseigne d'insérer des pièces métalliques dans des plaques de matière plastique, la demande de brevet publiée DE4330273 qui enseigne de renforcer des cadres de fenêtres en plastique avec des tiges profilées métalliques. La demande de brevet publiée EP370342 enseigne de renforcer une structure métallique de profil en forme de U avec des nervures en matière thermoplastique injectée â l'intérieur de la structure métallique. La présente invention a pour objectif de proposer de nouveaux articles dans lesquels sont associés un élément constitué de matière thermoplastique et un élément rigide, par exemple métallique, les articles selon cette structure présentant notamment une bonne stabilité dimensionnelle et une intégrité au choc. A cet effet l'invention propose un article comportant au moins un élément rigide dont au moins une partie a une section transversale ayant un profil définissant un espace concave, et un élément de renfort de l'élément rigide, caractérisé en ce que l'élément de renfort remplit au moins partiellement l'espace concave et est constitué d'une matière thermoplastique allégée comprenant des pores. Selon une caractéristique de l'invention, l'élément rigide utilisé pour la réalisation d'articles selon l'invention présente au moins sur une partie une section transversale ayant un profil définissant un espace concave. L'élément de renfort constitué de matière thermoplastique allégée remplit totalement ou partiellement cet espace. L'élément rigide peut présenter des profils très variés. A titre d'exemples d'éléments rigides, on peut citer les éléments de forme sensiblement allongée présentant des sections transversales comportant une partie en forme de U, de V, de demi-cercles et présentant éventuellement des méplats. Les éléments rigides peuvent également présenter une section transversale fermée. Par section transversale fermée, il faut entendre toute forme géométrique pour laquelle il est possible de définir un périmètre, comme par exemple un cercle, un rectangle à angles droits ou arrondis, une ellipse, un ovale, ... L'élément rigide peut par exemple être tubulaire. L'espace concave est alors défini par l'espace situé à l'intérieur du périmètre. Selon un mode de réalisation préférentiel l'élément rigide est une pièce métallique. Elle peut par exemple être obtenue par emboutissage d'une plaque ou d'une feuille métallique. Les tôles d'acier, notamment non traitées ou galvanisées et/ou munies d'un primaire et éventuellement d'un agent d'adhérence, ainsi que les tôles d'aluminium non traitées ou anodisées et/ou munies d'un primaire et éventuellement d'un agent d'adhérence, sont particulièrement bien appropriées. Selon un autre mode de réalisation, on peut utiliser comme élément rigide des feuilles de matière plastique mises en forme par pressage à chaud, qui sont composées de thermoplastes dans lesquels peuvent être insérées des nappes de fibres de verre ou de nappes de fibres synthétiques, tels que des stratifiés. Par matière thermoplastique allégée contenant des pores, on entend toute matière plastique dont la densité à l'échelle macroscopique est inférieure à la densité à l'échelle microscopique. De tels matériaux sont souvent qualifiés de "mousses de polymères". La nature du matériau allégé, ainsi que son procédé d'obtention n'ont pas de caractère limitatif. Ce tels matériaux peuvent être réalisés par mise en présence d'unités monomères réactives dégageant un composé gazeux lors de la mise en forme. C'est par exemple le cas des mousses de polyuréthane. Une autre solution consiste à adjoindre au polymère un composés porogène libérant un gaz lors de la mise en forme du matériau fondu. En choisissant convenablement l'agent porogène, il est ainsi possible de réaliser des mousses de polyethylène, de polypropylène, de polyesters, de polyacétals, de polyamides. Le matériau choisi comme élément de renfort est avantageusement un polyamide allégé auquel a été ajouté un agent porogène. Tous les agents porogènes utilisables dans le polyamide sont adaptés à l'invention. Des exemples de tels agents sont donnés dans l'ouvrage Encyclopedia of Polmer Science and Technoloav, vol 2 p 535 à 560, Editions Interscience Publishers. L'élément rigide et l'élément de renfort peuvent être solidarisés par tout moyen connu, par exemple collage, rivetage, surmoulage. Un moyen de solidarisation particulièrement avantageux est le débordement de matière injectée à travers des perforations réalisées dans l'élément rigide. Un autre moyen particulièrement avantageux est le surmoulage total ou partiel de l'élément rigide par l'élément en matière thermoplastique. Selon un mode de réalisation particulier, l'article est utilisé comme élément de construction destiné à être associé à d'autres éléments par exemple par soudure, rivetage, vissage, encastrement, collage... Ces éléments de construction sont généralement de forme allongée droite ou courbe, en forme de coque ou tubulaires, constitués d'un ou plusieurs segments. Comme exemples de tels articles on peut citer les poutres ou les longerons. Les domaines d'application préférés pour ce type d'articles sont le bâtiment, l'ameublement, la construction automobile, pour la réalisation de pièces structurelles destinées à supporter d'autres pièces. Les articles selon ce mode de réalisation présentent l'avantage d'être légers tout en conservant des propriétés mécaniques suffisantes par exemple pour supporter d'autres structures. En particulier, l'élément rigide permet une répartition des efforts sur la totalité de l'article et l'élément en matériau thermoplastique allégé permet de renforcer l'article. Le positionnement conjugué de l'élément rigide et de l'élément de renfort en matière thermoplastique, l'un remplissant partiellement l'autre, permet d'avoir une surface de contact élevée entre ces deux éléments. La transmission des efforts est donc optimale entre ces deux éléments. Les articles ainsi réalisés présentent pour un faible poids une grande résistance â la déformation, ainsi qu'une excellente résistance au choc due à l'élément rigide. Selon un autre mode de réalisation, l'élément rigide rempli de matière thermoplastique allégée constitue une partie d'une pièce comportant au moins une autre partie en matière thermoplastique moulée. La partie moulée de la pièce présente alors la majorité des fonctionnalités de l'article, l'élément rigide servant de renfort ou de stabilisateur de la forme obtenue par moulage. La partie moulée de la pièce peut présenter une structure très complexe, avec par exemple des espaces pour loger d'autres pièces, des nervures de renforcement, des moyen d'assemblage avec d'autres pièces ou systèmes, par exemple des clips. L'élément rigide peut être totalement intégré dans la partie moulée, être apparent ou complètement inséré dans la matière thermoplastique moulée. II peut être utilisé comme simple élément structurel ou présenter des fonctionnalités propres. II peut par exemple présenter des moyens d'assemblage à d'autres pièces. Un avantage des structures selon ce mode de réalisation est l'amélioration de la stabilité dimensionnelle des parties moulées. Les variations de dimension des parties en matière plastiques sont en effet limitées par celles de l'élément rigide avec lequel elles sont en contact. II est ainsi possible des réaliser de grandes pièces à base de matière thermoplastique. Un autre avantage des structures selon ce second mode de réalisation de l'invention est l'amélioration de l'intégrité au choc, c'est à dire la capacité d'un objet à ne pas être fractionné en plusieurs parties après un choc. Les articles selon ce mode de réalisation sont donc notamment adaptés à la réalisation de pièces pour l'automobile, par exemple à la réalisation de faces avant. Le moulage de la pièce et le remplissage de l'espace concave de l'élément rigide sont avantageusement réalisés dans le même moule. Le moule peut à cet effet comporter des éléments mobiles. Toute matière thermoplastique pouvant être mise en forme par moulage convient. A titre d'exemple on peut citer les matières plastiques partiellement cristallines telles que la polyamide-6, la polyamide-6.6, les polyamides étoiles, le téréphtalate de polybutylène, le téréphtalate de polyéthyène, le polyphtalamide, le sulfure de polyphénylène, les polyamides semi-cristallins, ou le polypropylène. On peut aussi utiliser toutes les compositions réalisées à partir de ces matières. On peut avantageusement utiliser des compositions renforcées, par exemple avec des charges choisies dans le groupe comprenant des fibres de verre, fibres minérales, par exemple la wollastonite, fibres céramiques, fibres organiques thermorésistantes comme les fibres en polyphtalamide, charges minérales telles que le kaolin, les silicates lamellaires éventuellement modifiés tels que la montmorillonite, les fluoromicas. Les compositions peuvent comprendre tous les additifs habituellement utilisés dans les compositions à base de polyamide utilisées pour la fabrication d'articles moulés. Ainsi, on peut citer à titre d'exemple d'additifs les stabilisants thermiques, les stabilisants U.V., les antioxydants, les lubrifiants, les pigments, colorants, plastifiants ou des agents modifiant la résilience. A titre d'exemple, les antioxydants et stabilisants chaleur sont, par exemple, des halogénures d'alcalins, des halogénures de cuivre, les composés phénoliques stériquement encombrés, les amines aromatiques. Les stabilisants U.V. sont généralement des benzotriazoles, des benzophénones ou des HALS. L'élément de renfort en matière thermoplastique allégée et la partie moulée peuvent être constitués de matière identique, par exemple un polymère contenant des agent porogène, de préférence un polyamide. Un procédé pouvant convenir à la mise en oeuvre de ce mode de réalisation consiste à injecter la matière contenant l'agent porogène dans la totalité des espaces disponibles dans le moule, en particulier à l'intérieur de l'espace concave. Le procédé peut comporter les étapes suivantes: a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes dans le moule On peut avantageusement adapter la forme du moule pour contrôler la porosité de la matière thermoplastique. La porosité est en effet généralement plus élevée dans les parties ou la matière présente une plus forte épaisseur. II est ainsi possible de n'alléger la structure en matière thermoplastique qu'à l'intérieur de l'espace concave que présente l'élément rigide. L'élément de renfort en matière thermoplastique allégée et la partie moulée peuvent être constitués de matières différentes, la partie en matière thermoplastique moulée n'étant pas allégée. Par exemple, l'élément de renfort peut être constitué d'un polyamide allégé mis en forme en présence d'un agent porogène, et la partie en matière thermoplastique moulée peut être réalisée à partir d'un composé ne comprenant pas d'agent porogène. Un procédé pouvant convenir à la mise en oeuvre de ce mode de réalisation consiste à injecter la matière contenant l'agent porogène à l'intérieur de la partie concave de l'élément rigide placé dans le moule, et à injecter la matière constituant la pièce moulée dans les autres parties du moules. Ces deux injections peuvent être simultanées ou subséquentes. Un premier procédé peut comporter les étapes suivantes: a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Co-Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes à l'intérieur l'espace concave et d'une matière thermoplastique fondue ne contenant d'agent porogène à l'extérieur de l'espace concave. Un autre procédé peut comporter les étapes suivantes: a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes à l'intérieur l'espace concave c) Injection d'une matière thermoplastique fondue ne contenant pas d'agent porogène à l'extérieur de l'espace concave, les étapes b) et c) pouvant être permutées. On peut citer comme applications particulièrement bien appropriées pour les articles selon l'invention des éléments pour portes de véhicules automobiles, supports de pare-chocs, faces avant et arrière pour véhicules automobiles, les bas de caisse. On exige généralement de ces articles une solidité et une rigidité renforcées. D'autres détails ou avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu de l'exemple donné ci-dessous uniquement à titre indicatif, et illustré par la figure 1. La figure 1 représente une coupe en section transversale d'un élément de construction composé d'un élément rigide de forme allongée et rectiligne 10 et d'un élément de renfort 20 constitué de matière thermoplastique allégée comportant des pores 40. L'élément rigide est une tôle emboutie de section en forme de U, dont l'extrémités des branches présente un méplat 30. La zone comprise entre les branches du U définit un espace concave. L'élément rigide 10 est placé dans un moule d'injection de forme choisie pour qu'un fluide puisse être injecté dans l'espace situé entre les paroi du moule et les parois internes de l'élément rigide 10 définissant la forme de cuvette. On injecte dans cet espace un mélange de 98.85% en poids de polyamide 66 et 1,15% en poids d'un mélange maître contenant un agent porogène, préparé selon l'exemple 1 du brevet FR 2 438 064. Après solidification du polyamide, l'article fabriqué est démoulé. L'élément de renfort constitué de matière thermoplastique 20 contient des pores 40. L'ensemble présente une excellente rigidité et une excellente légèreté. Revendications 1. Article comportant au moins un élément rigide dont au moins une partie a une section transversale ayant un profil définissant un espace concave, et un élément de renfort de l'élément rigide, caractérisé en ce que l'élément de renfort remplit au moins partiellement l'espace concave et est constitué d'une matière thermoplastique allégée comprenant des pores. 2. Article selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section transversale de l'élément rigide est fermée. 3. Article selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément rigide et l'élément de renfort sont solidarisés par débordement de la matière thermoplastique constituant l'élément de renfort à travers des perforations réalisées sur l'élément rigide. 4. Article selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément rigide et l'élément de renfort sont solidarisés par surmoulage total ou partiel dudit élément rigide. 5. Article selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément rigide est une pièce métallique tubulaire ou profilée. 6. Article selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'élément rigide est une pièce en matière plastique mise en forme par pressage à chaud. 7. Article selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la matière thermoplastique allégée constituant l'élément de renfort est obtenue par adjonction à ladite matière d'un agent porogène. 8. Article selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la matière thermoplastique allégée constituant l'élément de renfort est un polyamide. 9. Article selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément constitue une partie d'une pièce comportant au moins une autre partie en matière thermoplastique moulée. 10. Article selon la revendication 9 caractérisé en ce que la matière thermoplastique moulée est un polyamide. 11. Article selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'élément en matière thermoplastique moulée et l'élément de renfort en matière thermoplastique allégée sont constitués d'une même matière. 12. Article selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'élément en matière thermoplastique moulée ne comprend pas de pores. 13. Procédé de fabrication d'un article selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, a) Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes dans le moule 14. Procédé de fabrication d'un article selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Co-Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes à l'intérieur l'espace concave et d'une matière thermoplastique fondue ne contenant d'agent porogène à l'extérieur de l'espace concave. 15. Procédé de fabrication d'un article selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes a) Disposition dans un moule d'injection de forme choisie d'un élément rigide préformé dont une section transversale comporte au moins une partie définissant un espace concave, b) Injection d'une matière thermoplastique fondue contenant des agents porogènes à l'intérieur l'espace concave c) Injection d'une matière thermoplastique fondue ne contenant d'agent porogène à l'extérieur de l'espace concave, les étapes b) et c) pouvant être permutées. 16. Utilisation d'un article selon l'une des revendications 1 à 12 pour la réalisation de pièces de faces avant pour automobiles.