Brevet FR2794400A1 — publié le 20001208

"Procédé d'empilage et de découpe des feuilles d'un élément en matériau composite de caisse de véhicule automobile" L'invention concerne un procédé de mise en forme d'un élément de caisse sensiblement longitudinal d'un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de mise en forme d'un élément de caisse sensiblement longitudinal d'un véhicule automobile, notamment d'un élément de support d'organes mécaniques ou d'un élément de liaison au sol du véhicule, qui est réalisé à partir d'un empilement initial d'épaisseur non constante de feuilles horizontales en tissu de fibres composites parallèles de même direction longitudinale initiale et liées les unes aux autres par des liens transversaux, les fibres des feuilles empilées étant orientées suivant la même direction, du type dans lequel l'empilement est ensuite découpé perpendiculairement au plan général horizontal parallèle des feuilles de façon que l'élément final présente une largeur non constante dans la direction transversale suivant un contour déterminé. On connaît de nombreux exemples de procédés de mise en forme d'éléments composites réalisés à partir de feuilles en tissu de fibres composites. Il s'agit pour la plupart de procédés dans lesquels des feuilles horizontales de différentes surfaces, qui sont imprégnées d'un liant thermoplastique, sont superposées les unes aux autres de façon à obtenir un empilement formant des "strates" dont les différentes épaisseurs correspondent aux différentes épaisseurs de l'élément final à obtenir. Les feuilles sont généralement orientées de façon que leurs fibres soient toutes parallèles et orientées suivant la direction longitudinale. L'empilement ainsi obtenu est alors refroidi de façon à constituer une ébauche rigide, que l'o n découpe perpendiculairement au plan horizontal général des feuilles de l'empilement de façon à obtenir un élément semi-fini. L'opération de découpe est ensuite réalisée suivant un contour déterminé, notamment à l'emporte-pièce, sans précautions particulières. L'élément fini est ensuite placé dans un moule dans lequel il est soumis à une injection de résine, notamment une résine époxy, pour conformer l'élément définitif. Un problème se pose quant à l'empilement de feuilles de surface variable. En effet, les feuilles ainsi découpées présentent nécessairement des fibres coupées à leurs extrémités longitudinales. Or, on a constaté que des fibres coupées affleurant à la surface libre de l'élément supportaient mal des contraintes internes élevées, et qu'ainsi la surface libre de l'élément pouvait être le siège d'amorces de rupture. Par ailleurs, lors de l'opération de découpe, en fonction de la forme que l'on désire donner à l'élément, la plaque est découpée verticalement sans tenir compte du sens des fibres du tissu qui la compose. Il en résulte que les fibres du tissu sont coupées sur la quasi-totalité du pourtour de l'élément obtenu. Le pourtour vertical de l'élément peut donc lui aussi être le siège d'amorces de rupture de l'élément. Ces amorces de rupture sont inacceptables pour un élément qui est destiné à résister à de fortes contraintes internes, en particulier un élément qui a vocation à constituer un élément de support d'organes mécaniques ou un élément de liaison au sol du véhicule, et qui est par conséquent destiné à transmettre des efforts importants, notamment des efforts répétitifs. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose un procédé qui permet d'éviter que l'élément ne présente des fibres coupées, tant sur sa surface libre que sur son pourtour. Dans ce but, l'invention propose un procédé de mise en forme d'un élément de caisse du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il consiste à empiler et à découper les plaques de manière que les fibres composites de l'élément final soient tangentes aux bords latéraux verticaux et aux faces supérieures et inférieures de l'élément final. Selon d'autres caractéristiques du procédé objet de l'invention : - le procédé consiste à inclure entre une feuille inférieure unique de l'empilement, délimitant la face inférieure de l'élément, et une feuille supérieure unique de l'empilement, délimitant la face supérieure de l'élément, au moins une feuille intermédiaire d'encombrement horizontal inférieur à celui des feuilles inférieure et supérieure pour que l'élément final soit d'épaisseur non constante, - on découpe l'empilement de feuilles, formé d'un empilement de bandes de largeur transversale constante par rapport à la direction longitudinale, et on pratique des découpes intérieures au voisinage de l'axe médian longitudinal de symétrie de l'empilement qui est ensuite comprimé transversalement pour recoller les bords des découpes afin que l'élément soit de largeur non constante dans la direction transversale suivant le contour déterminé, - on découpe l'empilement de feuilles suivant le contour qui délimite les bords latéraux verticaux de l'élément final, et on colle une bande de tissu de largeur constante en fibres composites orientées parallèlement à l'horizontale sur les bords latéraux verticaux de l'élément final, puis on la replie localement sur les pourtours des faces inférieure et supérieure de l'élément, - l'empilement de feuilles est imprégné d'un liant thermoplastique ou thermodurcissable en début du procédé, puis respectivement réchauffé ou réticulé pendant les opérations d'assemblage et de déformation de l'élément, et refroidi en fin de procédé, - chaque feuille est issue d'un même rouleau de tissu qui est coupé transversalement en tronçons de longueur déterminée, - la découpe de l'empilement de feuilles est réalisée par un outil de découpe à ultrasons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'une plaque constituée d'un empilement de feuilles destinée à être découpé conformément à l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue selon la figure 1 de l'élément définitif découpé conformément à l'art antérieur -, - la figure 3 est une vue en perspective d'un élément définitif réalisé conformément à un premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 4 'est une vue en coupe longitudinale de la disposition des feuilles, avant mise en forme, d'un empilement destiné à former l'élément conformément au premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale montrant la disposition des feuilles, après mise en forme, d'un empilement destiné à former l'élément conformément au premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 6 est une vue de dessus d'une plaque formant un empilement de feuilles destiné à être découpé conformément au premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 7 est une vue selon la figure 6 de la plaque découpée conformément au premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 8 est une vue selon la figure 7 de l'élément obtenu d'après la plaque de la figure 7 conformément au premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 9 est une vue de dessus d'un empilement de feuilles préalablement découpé destiné à être entouré d'une bande de tissu pour former l'élément selon un second mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 10 est une vue selon la figure 9 de l'élément définitif obtenu selon le second mode de réalisation du procédé objet de l'invention ; et - la figure 11 est une vue en coupe longitudinale selon la ligne 11-11 de la figure 10, de l'élément définitif obtenu d'après le second mode de réalisation du procédé objet de l'invention. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des éléments identiques ou ayant des fonctions similaires. Comme l'illustre la figure 1, selon l'état de la technique, un élément de caisse sensiblement longitudinal d'un véhicule automobile peut être obtenu à partir d'une plaque 10 qui est constituée d'un empilement d'au moins une feuille 12 horizontale en tissu de fibres 14 composites parallèles. Les fibres 14 sont liées entre elles par des liens transversaux 15. Comme l'illustre la figure 2, cette plaque est découpée selon un contour F, par exemple à l'emporte-pièce ou à l'aide d'un outil de découpe à ultrasons fixé à l'extrémité d'un bras de robot, pour former l'élément final 16 dont le pourtour 18 correspond au contour F découpé. L'inconvénient principal de l'élément final 16 ainsi obtenu selon l'état de la technique est qu'il comporte sur son pourtour 18 des fibres 14 qui sont coupées et qui risquent de devenir le siège d'une amorce de rupture (non représentée) de la pièce. Par ailleurs, l'empilement est formé de feuilles 12 de surface non constante de manière que l'élément final 16 soit d'épaisseur non constante. De ce fait, les surfaces libres de l'élément final 16 comportent aussi des fibres 14 coupées qui peuvent elles aussi être le siège d'amorces de rupture de l'élément final 16. Il est donc souhaitable de pouvoir obtenir un élément final 16 ne comportant de fibres 14 coupées ni sur ses surfaces libres, ni sur ses bords. Le procédé selon l'invention permet la mise en forme d'un tel élément final 16, comme on le verra ultérieurement. Conformément à l'invention, comme on peut le voir sur la figure 3, un tel élément final 16 comporte une face supérieure libre 20 et une face inférieure libre 22 dont les fibres 14 sont affleurantes, de sorte qu'elles ne peuvent pas devenir le siège d'une amorce de rupture lorsque l'élément final 16 est soumis à de fortes contraintes internes. D'une manière analogue, l'élément final 16 comporte des bords latéraux 18 avec les fibres 14 qui sont tangentes à ces bords 18 de contour déterminé, et qui ne sont pas coupées. A cet effet, l'élément 16 est obtenu selon une opération d'empilement des feuilles composites en tissu de fibres, puis selon une opération de découpe de la plaque 10 issue de l'empilement. L'opération d'empilement des feuilles en tissu de fibres composites est réalisée conformément aux figures 4 et 5. Comme l'illustre la figure 4, afin d'éviter que l'élément final 16 ne présente de fibres 14 coupées sur sa face libre supérieure 20 et sur sa face libre inférieure 22, l'élément 16 est réalisé en incluant, entre une feuille inférieure unique 24 de l'empilement délimitant la face inférieure libre 22 de l'élément 16 et une feuille supérieure 26 unique de l'empilement délimitant la face supérieure 20 de l'élément 16, au moins une feuille intermédiaire 28 d'encombrement horizontal inférieur qui est interposée entre les feuilles 24 et 26 pour que l'élément final 16 soit d'épaisseur non constante. Les feuilles 24, 26, et 28 sont préalablement imprégnées d'un liant thermoplastique et assemblées à température ambiante, notamment par empilement, de sorte qu'elles conservent leur rigidité. Les feuilles inférieure 24 et supérieure 26 sont ainsi initialement horizontales et présentent un encombrement horizontal qui, en projection sur un plan horizontal P, est supérieur à la surface, projetée sur le même plan P, de l'élément final 16 à obtenir. De la sorte, lors de l'opération de découpe qui sera décrite ultérieurement, l'élément final 16 pourra être découpé aux dimensions du profil F voulu. L'empilement comporte de préférence une pluralité de feuilles intermédiaires 28 d'encombrement horizontal inférieur aux feuilles inférieure 24 et supérieure 26. Sur la figure 4, on a représenté des feuilles 28 qui sont moins encombrantes longitudinalement que les feuilles inférieure 24 et supérieure 26, de façon qu'elles délimitent longitudinalement entre les feuilles inférieure 24 et supérieure 26 au moins un espace vide 30. L'espace vide 30 comporte ainsi sur ses parois 32 toutes les fibres 28 coupées de l'empilement. Avantageusement, les feuilles supérieure 26 et inférieure 24 peuvent chacune être formées de la juxtaposition bord à bord de plusieurs feuilles. Ensuite, l'empilement est porté à la température de fusion du liant thermoplastique et l'élévation de la température de l'empilement provoque un ramollissement des feuilles 28, 24, et 26. Dans la configuration représentée à la figure 5, on voit la feuille supérieure 26 qui vient "combler" l'espace vide 30 en épousant les parois 32. L'empilement de feuilles 24, 26 et 28 présente donc à l'issue de cette élévation de température une épaisseur non constante selon la longueur, qui est illustrée à la figure 5. Cette disposition n'est pas limitative de l'invention, la plaque 10 ainsi obtenue pouvant être d'épaisseur non constante selon la largeur transversale dès lors que l'espace vide 30 délimité par les empilements de feuilles intermédiaires 28 est délimité transversalement par des feuilles 28 d'orientation longitudinale. On obtient de la sorte une plaque 10 qui peut alors être soumise à une opération de découpe. La plaque 10 peut être découpée suivant un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, qui est représenté en référence aux figures 6 à 8. La figure 6 illustre la plaque 10 d'épaisseur non constante dont on voit la face supérieure libre 20 qui, conformément à ce qui a été décrit précédemment, correspond à la feuille supérieure 26. Dans cette plaque 10, on procède alors à des découpes, notamment des découpes Dl, D2, D3, D4 et D.. La découpe D4 est réalisée parallèlement à la direction longitudinale des fibres 14. Cette découpe D4 est, comme on le verra ultérieurement, destinée à former les bords extérieurs du pourtour latéral 18 d'orientation verticale de l'élément final 16. La découpe D5 est réalisée perpendiculairement à la direction longitudinale des fibres, de façon à former, comme on le verra ultérieurement, des bords intérieurs de recollement 34 et 36 de l'élément final 16. Les découpes Dl, D2 sont destinés à former des bords d'encoche 40 et 42 qui sont réalisées aux extrémités longitudinales opposées de la plaque 10 et qui sont destinées, comme on le verra ultérieurement, à permettre de rapprocher les bords intérieurs de recollement 34 et 36 de l'élément final 16. Enfin, la découpe D3 est une découpe qui est réalisée intérieurement à la partie de plaque 10 résultant des découpes Dl, D2, D4 et D5, et qui est destinée à former un évidement central 38, de paroi 39, dans la plaque 10. Ainsi, comme l'illustre la figure 7, la plaque est découpée suivant les opérations décrites en référence à la figure 6 à la température ambiante à laquelle le liant thermoplastique dont est imprégné la plaque 10 est "figé" et permet d'assurer une certaine rigidité de la plaque 10. La plaque 10 présente donc les bords intérieurs 34 et 36 de recollement issus de la découpe D., les bords d'encoches 40 et 42 issus des découpes Dl et D2, et l'évidement central 38 issu de la découpe D3. Conformément au procédé selon l'invention, et comme l'illustre les flèches de la figure 8, l'empilement est ensuite comprimé transversalement pour recoller les bords des découpes afin que l'élément soit de largeur non constante selon la direction transversale, suivant le contour déterminé que l'on souhaite obtenir. Ce recollement permet en effet de juxtaposer mutuellement en regard les bords intérieurs de recollement 34 et 36 en rapprochant les bords d'encoches 40 et 42, et il permet de rapprocher les parois 39 de l'évidement intérieur 38. De la sorte l'élément final 16 obtenu ne comporte plus ni fibres coupées sur son pourtour 18, ni fibres coupées sur ses faces extérieures libres, et notamment sur sa face supérieure 20 visible à la figure 8. Enfin, les figures 9 et 10 illustrent un mode de réalisation en variante du procédé selon l'invention, dans lequel un élément final 16, qui est découpé conformément à l'état de la technique décrit précédemment en référence aux figures 1 et 2, est renforcé par une bande 44 de tissu de largeur constante en fibres composites parallèles orientées horizontalement, qui est appliquée sur le pourtour 18 latéral vertical de l'élément final 16. Comme on le voit aux figures 9 et 10, cette bande 44 est d'une longueur qui correspond à la longueur développée du pourtour 18, et qui est plaquée, grâce à l'adhérence du liant thermoplastique, sur le pourtour 18 de l'élément 16, comme l'indiquent les flèches de la figure 9. L'élément 16 représenté à la figure 10 présente alors un pourtour 18 renforcé par la bande 44 dont les fibres ne sont pas coupées. Puis, comme illustré sur la figure 11, on replie la bande 44 localement sur les pourtours supérieur 46 et inférieur 48 des faces inférieure 22 et supérieure 20 de l'élément 16, ce qui garantit sa parfaite adhérence avant le moulage de l'élément final 16. Ce moulage est par exemple accompagné d'u n e injection sous pression d e résine sy n t h ét i q u e, notamment une résine époxy. En variante, dans tout le procédé, le liant thermoplastique peut être remplacé par un liant thermodurcissable. Dans ce cas, la solidification de l'assemblage est assurée par formation d'un réseau des fibres polymères du liant, aussi appelée réticulation du liant, qui est obtenue suite à un chauffage ou à un autre apport énergétique. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en forme d'un élément (16) de caisse sensiblement longitudinal d'un véhicule automobile, notamment d'un élément de support d'organes mécaniques ou d'un élément de liaison au sol du véhicule, qui est réalisé à partir d'un empilement initial d'épaisseur non constante de feuilles (12) horizontales en tissu de fibres (14) composites parallèles de même direction longitudinale initiale et liées les unes aux autres par des liens (15) transversaux, les fibres (14) des feuilles (12) empilées étant orientées suivant la même direction, du type dans lequel l'empilement est ensuite découpé perpendiculairement aux plan général horizontal parallèle des feuilles de façon que l'élément final (16) présente une largeur non constante dans la direction transversale suivant un contour (F) déterminé, caractérisé en ce qu'il consiste à empiler puis à découper les feuilles (12) de manière que les fibres (14) composites de l'élément final (16) soient tangentes aux bords (18) latéraux verticaux et aux faces supérieure (20) et inférieure (22) de l'élément final (16). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à inclure entre une feuille inférieure (24) unique de l'empilement, délimitant la face inférieure (22) de l'élément, et une feuille supérieure (26) unique de l'empilement, délimitant la face supérieure (20) de l'élément (16), au moins une feuille intermédiaire (28) d'encombrement horizontal inférieur à celui des feuilles inférieure (22) et supérieure (26) pour que l'élément final (16) soit d'épaisseur non constante. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on découpe l'empilement de feuilles (12), formé d'un empilement de bandes de largeur transversale constante par rapport à la direction longitudinale, et en ce que l'on pratique des découpes intérieures (Dl, D2, D3) au voisinage de l'axe médian longitudinal de symétrie de l'empilement qui est ensuite comprimé transversalement pour recoller les bords (34, 36, 39) des découpes (Dl, D2, D3) afin que l'élément (16) soit de largeur non constante dans la direction transversale suivant le contour (F) déterminé. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on découpe l'empilement de feuilles (12) suivant le contour (F) qui délimite les bords latéraux verticaux (18) de l'élément final, et en ce que l'on colle une bande de tissu (44) de largeur constante en fibres composites orientées parallèlement à l'horizontale sur les bords latéraux verticaux (18) de l'élément final, puis en ce que l'on la replie localement sur les pourtours (46, 48) des faces inférieure (22) et supérieure (20) de l'élément (16). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'empilement de feuilles (12) est imprégné d'u n liant thermoplastique 0 u thermodurcissable en début du procédé, puis respectivement réchauffé ou réticulé pendant les opérations d'assemblage et de déformation de l'élément (16), et refroidi en fin de procédé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque feuille (12) est issue d'u n même rouleau d e tissu qui est coupé transversalement en tronçons de longueur déterminée. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la découpe de l'empilement de feuilles (12) est réalisée par un outil de découpe à ultrasons.