Brevet FR2869256A1 — publié le 20051028

La présente invention concerne un procédé pour la mise en forme de plaques en matière plastique sous pression et en utilisant un outil de mise en forme en deux pièces. La faible stabilité de forme vis-à-vis de la chaleur et le fort coefficient de dilatation thermique des matières thermoplastiques non chargées limitent l'utilisation de ces matériaux pour les pièces d'habillage de carrosserie en raison du fait qu'ils obligent nécessairement à prévoir des intervalles de dimension importante et en raison des déformations à haute température. Les matières thermoplastiques renforcées par des fibres de verre sont trop fragiles et ne satisfont pas les exigences vis-à-vis de la qualité de surface. Par coextrusion, on peut produire des plaques avec des couches de recouvrement qui résistent aux chocs et avec des matériaux d'âme rigides. La qualité de surface que l'on obtient dans le processus d'extrusion est cependant détériorée lorsqu'on procède à une déformation tridimensionnelle pour produire un contour définitif en raison du processus de mise en forme par emboutissage profond sous vide. La mise en forme de textiles en matières thermoplastiques est effectuée, selon le document EP 0,303,710 B1 sur des textiles ou des feuilles qui sont composées de zones cristallines et de zones non cristallines. Elle a lieu en plongeant un moule dans un bain de métal liquide, celui-ci étant constitué d'un mélange eutectique avec un point de fusion eutectique si élevé qu'il est situé au-dessus de la température de ramollissement de la feuille thermoplastique. Après la mise en forme, le moule doit être éloigné de la pièce moulée. À côté de cela, il existé un procédé de "technique à noyau fondu", dans lequel on réalise ce que l'on appelle des "noyaux perdus" en un alliage métallique à bas point de fusion, et ceux-ci sont mis en place, en une seconde opération, dans un outil de coulée-injection et enrobés. 2869256 2 En une troisième opération, les noyaux ainsi enrobés sont amenés à la fusion dans un bain d'huile, de sorte que l'on obtient un corps creux, comme par exemple un tube de sortie. Les procédés cités sont comparativement complexes sur le plan technique et ils ne satisfont pas les exigences en vigueur quant à leurs résultats qualitatifs. On connaît encore le procédé d'emboutissage profond sous vide, dans lequel les plaques sont préchauffées avant leur mise en forme dans l'appareillage d'emboutissage profond. Ce procédé présente des inconvénients quant à la qualité de surface en raison du fait que les perçages d'aspiration y forment éventuellement des empreintes, de même que des particules de poussière, sur la surface de la plaque mise en forme, et que le mode opératoire y est complexe, comme cela sera décrit plus loin. L'objectif est donc, grâce à un nouveau processus de mise en forme, de mettre en forme des plaques en matière plastique, en particulier des plaques de coextrusion ou plaques sandwich, de telle façon que l'on obtient une haute précision quant aux contours et une bonne surface. On cherche à éviter les inconvénients des procédés connus. Des essais préalables non publics par mise en forme à la presse ont montré que, déjà à une pression relativement faible sur le produit extrudé et réchauffé, on obtient une bonne qualité de surface. Le problème est ici que les pressions ne sont pas constantes sur les surfaces concernées par le contour. Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par le fait que les ébauches de plaques de coextrusion (plaques sandwich) sont placées dans un outil de mise en forme chauffé, qu'elles sont chauffées au moyen d'un liquide tempéré, en particulier un métal en fusion (alliage 2869256 3 métallique eutectique) via une chambre à pression, et qu'elles sont mises en forme sous une pression croissante mais régulière. L'objectif de l'invention est un procédé pour la mise en forme de plaques en matière plastique en utilisant un outil de mise en forme en deux pièces, dans lequel: on met la plaque en place dans l'outil de mise en forme, on referme l'outil de mise en forme, on déforme la plaque sous application de pression et de chaleur avec conformation au contour intérieur de l'outil de mise en forme, et on fait refroidir la plaque déformée, qui est caractérisé en ce que la plaque est attaquée du côté pression par un liquide tempéré, en particulier avec un métal en fusion ou avec de l'huile au silicone, et de façon particulièrement préférée avec un métal en fusion. On préfère ici un procédé caractérisé en ce que la plaque en matière plastique est basée sur une matière thermoplastique non renforcée ou renforcée, choisie en particulier dans le groupe: polyamide, polyester, de préférence polybutylène téréphtalate (PBT), polycarbonate, polypropylène, ABS, polyuréthane thermoplastique, ou des mélanges de ces polymères. On préfère particulièrement un procédé caractérisé en ce que la plaque en matière plastique est une plaque d'extrusion, en particulier une plaque multicouches (plaque sandwich). On préfère encore un procédé caractérisé en ce que la plaque d'extrusion employée dans le procédé est prise directement d'un processus d'extrusion précédent. On préfère aussi une variante du procédé qui est caractérisée en ce que la plaque en matière plastique est préchauffée avant la déformation, en particulier par chauffage radiant, et de façon particulièrement préférée par rayonnement infrarouge. 2869256 4 De préférence, on utilise pour le procédé un outil de mise en forme dans lequel l'un des côtés de l'outil (côté contouré) forme la cavité de l'article à former, et l'autre côté forme une chambre de pression (côté chambre de pression) avec mise à l'air est purge d'air, ainsi que des adaptateurs pour l'admission du matériau en fusion. En outre, dans un mode de réalisation préféré, l'outil de mise en forme est tempéré du côté contouré de 50 à 130 C, comme cela est habituel pour la coulée-injection, et le côté chambre de pression est réchauffé de 140 à 250 C selon l'alliage métallique utilisé. La fermeture et l'ouverture de l'outil ont lieu par exemple sur une presse hydraulique habituelle du commerce, et la production et l'admission du métal en fusion ont lieu en utilisant une installation de coulée habituelle dans le commerce avec une pompe à engrenages. La mise en forme de produits en plaque thermoplastique, sous forme de plaques compactes ou encore de plaques de coextrusion, est exécutée selon l'état de la technique par exemple sur des machines à emboutissage profond sous vide, dans lesquelles les plaques sont reçues dans un cadre de serrage de la machine à emboutissage profond et peuvent être amenées à une température de mise en forme au moyen de dispositifs chauffants radiants, depuis le dessous, depuis le dessus, ou encore des deux côtés. Pour éviter une venue en contact prématurée du matériau en plaque chauffé avec le moule froid (outil d'emboutissage), la plaque chauffée peut être prédéformée avec de l'air "de soutien", de sorte que l'on obtient dans le produit réalisé par emboutissage profond une meilleure répartition de l'épaisseur de paroi. Dans de nombreux cas, les outils d'emboutissage profond connus sont des moules positifs (patrices), de sorte que la surface à contour exact constitue la face intérieure de l'article, mais que la face extérieure reflète toutes les différences d'épaisseur de paroi en raison de l'opération d'emboutissage profond. 2869256 5 S'il est nécessaire de produire des surfaces visibles à contours exacts, on doit travailler selon l'état de la technique avec des moules négatifs (matrices). C'est-à-dire que les perçages d'aspiration forment des empreintes sur le côté visible, selon les circonstances, et que la surface concave du moule de l'outil d'emboutissage profond doit présenter une certaine rugosité pour que l'on puisse aspirer l'air entièrement hors de la cavité du moule, de sorte qu'il n'est pas possible d'obtenir sans reprise des surfaces que l'on peut peindre. Après préchauffage des plaques, les dispositifs chauffants radiants sont arrêtés, dans le procédé connu, de sorte que la circulation d'air influence aussi bien le soufflage préliminaire que la mise à longueur des plaques chauffées, et également que des particules de poussière peuvent parvenir sur les plaques (perturbations de surface). Après avoir chauffé les plaques, l'outil d'emboutissage profond est rapproché du cadre de serrage et il étanche l'espace entre la plaque et l'outil. Cela vaut aussi bien pour les outils de moulage positifs que pour les outils de moulage négatifs. Le processus de mise en forme est exécuté avec un poinçon supérieur correspondant, sous l'action du vide, mais plus rarement également d'air sous pression, et il n'est possible de le contrôler que de façon limitée. Après mise à l'arrêt des dispositifs chauffants, la plaque en matière plastique se refroidit rapidement, de sorte que l'on poursuit le processus avec un chauffage depuis le dessus, si les moules positifs ne sont pas trop élevés, ou si l'on utilise des moules négatifs. La fenêtre opératoire de l'emboutissage profond sous vide reste cependant très étroite malgré l'amélioration technique des machines pour ce qui concerne le chauffage et le déroulement des déplacements, et la qualité de surface des produits laisse encore à désirer. Les opérations de reprise, comme la recoupe des contours et le montage des éléments fonctionnels, sont encore effectuées souvent de façon très artisanale. 2869256 6 Le procédé selon la présente invention évite les inconvénients précités, et il rend également possible de réaliser des structures en plaque plus complexes. Le procédé selon l'invention est un procédé spécial pour la mise en forme de plaques en matière thermoplastique que l'on ne peut mettre en forme que difficilement, voire pas du tout, avec les machines de mise en forme sous vide connues. A celles-ci appartiennent en particulier les plaques de coextrusion avec des composants d'âme chargés de matière minérale ou renforcés par des fibres et des couches de recouvrement non chargées qui comprennent par exemple du polycarbonate renforcé par des fibres de verre (PC-GF) à titre de composants d'âme, et des mélanges polycarbonate/polybutylène téréphtalate (PC/PBT) à titre de couches de recouvrement. On peut cependant encore imaginer des plaques en polybutylène téréphtalate (PBT) renforcé de fibres de verre, ou en polyamide 6 (PA6-GF) renforcé de fibres de verre, en polypropylène (PP-GF) renforcé de fibres de verre, à titre de composant d'âme, et des couches de recouvrement correspondantes en polyester, comme polybutylène téréphtalate (PBT), polyamide (PA), mélanges (PA/ABS) ou polypropylène (PP). Le but du procédé est la production de composants à grande surface pour véhicules utilitaires ou encore dans le secteur des automobiles, dans lesquels on utilise actuellement principalement des matériaux thermodurcissables composites à fibres. Parmi ces composants on trouve des pièces d'habillage pour les cabines de conduite de véhicules poids-lourds, pour les superstructures de 30 camions et autobus, ainsi que pour des véhicules ferroviaires. La qualité de surface des plaques en matière plastique mises en forme selon le procédé de l'invention procure des avantages lors de l'application de peinture, et la matière thermoplastique peut être travaillée plus simplement et peut être complétée a posteriori par des parties fonctionnelles par des procédés de liaison connus dans leur 2869256 7 principe, par exemple par soudage aux ultrasons, par soudagevibrations, ou par soudage au laser. Les avantages du procédé et de ses modes de réalisation particuliers peuvent être résumés comme suit: -- dans une chaîne opératoire fermée avec l'opération d'extrusion, on peut utiliser la chaleur propre des plaques de coextrusion provenant du processus d'extrusion; -- grâce au fait que le côté chambre de pression dans l'outil de mise en forme est chauffé, on apporte dès le départ de la chaleur pour le processus de mise en forme, c'est-à-dire que l'on raccourcit le temps de réchauffage des plaques en matière plastique; - - grâce au contact avec le métal en fusion, la plaque en matière plastique est réchauffée de façon régulière sur la totalité de la surface du moule et sans perte par rayonnement; - - le métal en fusion peut réchauffer de façon ciblée en premier lieu la zone de bordure (proche de la bordure de serrage de la plaque) ; - - la mise en forme sous pression avec le métal en fusion peut être régulée par la vitesse de remplissage de la chambre à pression; -- grâce à la mise en forme plus lente et grâce à la température régulière sur la totalité de la surface de la plaque, en combinaison avec les relations de pression isobares dans des liquides, on peut obtenir une répartition plus régulière de l'épaisseur de paroi dans la pièce moulée en matière plastique; -- la mise en forme de la plaque à des températures plus basses est possible et on peut par conséquent atteindre des temps de cycle plus courts pour la réalisation des plaques formées; - - grâce au fait que le processus de mise en forme est plus lent, l'air peut mieux s'échapper hors de la cavité, de sorte que l'on ne doit plus reprendre la surface des pièces (par exemple par sablage), c'est-à-dire que l'on obtient une meilleure surface de la pièce moulée; et - - grâce à l'apport de chaleur pendant la mise en forme, on peut également mettre en forme des matières plastiques qui sont difficiles à emboutir. 2869256 8 L'invention va être décrite plus en détail ci-après à l'aide des figures d'un mode de réalisation, qui ne représentent cependant aucune restriction de l'invention. Dans ces figures: la figure 1 montre un schéma de l'installation de mise en forme ouverte, en coupe transversale avec une unité de convoyage de plaques; la figure 2 montre l'outil de mise en forme ouvert avec un chauffage à infrarouges pour le préchauffage de la plaque 7; la figure 3 montre l'outil de mise en forme fermé de la figure 1, avec la réserve de métal en fusion qui lui est raccordée; la figure 4 montre le remplissage du canal périphérique dans l'outil de mise en forme avec le métal en fusion; la figure 5 montre la déformation de la plaque 7 dans l'outil de mise en forme à l'aide du métal en fusion; la figure 6 montre un diagramme avec la répartition de température entre le matériau en fusion et le moule de l'outil sur une plaque de 4 mm en fonction de la durée de contact; la figure 7 montre la plaque 7 mise en forme dans l'outil de mise en forme et le pompage du métal en fusion; la figure 8 montre l'enlèvement de la plaque 7 mise en forme hors de l'outil de mise en forme; et la figure 9 montre le rognage de l'ébauche dans un dispositif de coupe, et le nouveau commencement du cycle de mise en forme. Exemple de réalisation 25 Les plaques en matière plastique, comme par exemple des plaques de coextrusion [avec du polycarbonate renforcé de fibres de verre (PCGF) à titre de matériau d'âme et un mélange polycarbonate/ polybutylène téréphtalate (PC/PBT) à titre de couches de recouvrement], sont découpées directement depuis l'installation de coextrusion sous la forme de platines et transportées par une bande de transport 6 vers l'installation de mise en forme. 2869256 9 Un dispositif de saisie 5.1 de l'appareil de levage 5 prend la plaque 7 depuis la bande de transport 6 et la pose sur le côté chambre de pression 1 de l'outil de mise en forme (figure 1). La bordure pour soutenir la plaque présente une denture 1.1, qui vient s'enfoncer dans la surface de la plaque de coextrusion lors de la fermeture de l'outil et empêche ainsi une extraction de la plaque lors du processus de mise en forme et fait simultanément office de joint à labyrinthe. Le canal périphérique 1.2 sert à amener de façon ciblée le métal en fusion dans la zone de bordure de la chambre de pression, pour s'opposer à l'effet de refroidissement en raison du fait que le côté matrice 2 de l'outil est refroidi. La températion du côté chambre de pression 1 a lieu au moyen de cartouches chauffantes 1.3, afin de maintenir l'outil à la température du matériau en fusion. Pour réduire les pertes de chaleur, le côté 1 de l'outil est isolé par des plaques thermoisolantes 1.4 sur les faces extérieures et vers le socle 4 de la machine. Le côté de l'outil vers la chambre de pression 1 est relié au socle 4 de la presse par l'intermédiaire de mâchoires de serrage mécaniques ou hydrauliques, par exemple par l'intermédiaire d'une rainure de serrage 1. 5. La moitié supérieure 2 de l'outil avec la cavité 2.1 et les perçages de refroidissement 2.2 est reliée à la traverse de presse 3 par l'intermédiaire des rainures de serrage 2.3. Pour purger la cavité 2.1 de l'air pendant le processus de mise en forme, il est prévu un perçage de purge d'air 2.4 qui peut être ouvert et fermé au moyen d'une soupape à cône (non représentée), de telle sorte qu'il ne se produira autant que possible aucune marque visible sur la pièce moulée. Après avoir placé la plaque composite 7, on peut introduire le cas 35 échéant un dispositif de chauffage additionnel 8 avec des dispositifs 2869256 10 radiants à infrarouges dans l'outil ouvert, et la plaque 7 peut être donc additionnellement réchauffée sur la surface tournée vers le côté contouré (figure 2). La capacité thermique de la plaque 7 après l'extrusion peut être également utilisée dans un processus continu pour éviter un préchauffage. La plaque 7 est réchauffée sur le côté chambre de pression par l'outil chauffé, déjà pendant l'opération de fermeture. La soupape à vide 1.6 reste tout d'abord fermée. Dans la figure 3, on a représenté l'outil fermé. La soupape 1.6 est ouverte et la pompe à vide 1.7 aspire l'air hors de la chambre de pression sous la plaque de coextrusion, de même que hors du matériau en fusion. Ainsi, les canaux d'admission 1.8 pour le matériau en fusion sont également purgés d'air. Le réservoir 9 est une installation de fusion habituelle du commerce pour des alliages métalliques à bas point de fusion, et il prépare la quantité de métal en fusion nécessaire pour la mise en forme. Au moyen de la pompe à engrenages 10, le métal en fusion est pompé vers la chambre de pression de l'outil de mise en forme fermé. Les conduites de liaison entre le réservoir 9, la pompe à engrenages 10 et le canal d'admission 1.8 sont chauffées, pour que le métal en fusion reste liquide. L'adaptateur 1.9 inclut une buse de fermeture et le raccordement pour la conduite de matériau en fusion. Grâce à une commande correspondante de la pompe à engrenage, le métal en fusion peut être rempli par étapes. En premier lieu, le canal périphérique 1.2 de la chambre pour le matériau en fusion est rempli, grâce à quoi il se produit un réchauffement préféré de la plaque 7 depuis la bordure de serrage (figure 4). La soupape 1.6 est fermée. Grâce à un temps de maintien correspondant, on peut obtenir un réchauffage ciblé de la zone de bordure. La plaque 7 est également réchauffée via le contact de la paroi de la chambre à pression. A l'étape suivante, le métal en fusion est pompé vers la chambre à pression aussi longtemps que la plaque en matière plastique 7.1 s'applique totalement contre la paroi de la cavité de l'outil (voir figure 5). L'air présent dans la cavité 2.1 peut s'échapper via le perçage de purge d'air 2.4. 2869256 11 La pompe à engrenages 10, ou une pompe à piston hydraulique interposée (non représentée), permet d'atteindre une pression supérieure à 10 bars, et permet de faire varier la vitesse de remplissage, de sorte que le processus de mise en forme peut avoir lieu non pas brutalement comme dans le procédé sous vide, mais lentement. Ceci présente l'avantage que la plaque en matière plastique 7 est maintenue constamment sous tension et qu'elle est chauffée de façon constante via le métal en fusion. Grâce à cela, la plaque en matière plastique 7 a la possibilité de se relaxer ou de fluer vers la plage thermoélastique. En outre, le métal en fusion engendre une température constante sur la totalité de la surface de contact pendant la mise en forme. Dès que la plaque en matière plastique est entrée en contact avec la cavité 2.1 dans le côté contouré refroidi 2 de l'outil de mise en forme, il se produit un fort gradient de température dans la section de la plaque. La figure 6 reproduit un diagramme calculé avec la répartition de température sur une plaque de 4 mm entre le métal en fusion (200 C) et le moule (70 C) en fonction du temps de contact entre le matériau en fusion et la plaque. Dans la condition dans laquelle la plaque en matière plastique 7 mise en forme est pressée avec le métal en fusion contre la plaque contourée, la température moyenne de la plaque chute, comme on le calcule, de 180 C à 138 C en 40 secondes. Le métal en fusion a dans ce cas une température de fusion de 200 C et le côté contouré 2 de l'outil a une température de 70 C. L'épaisseur de la plaque est de 4 mm. C'est-à-dire que la plaque en matière plastique mise en forme possède une rigidité intrinsèque suffisante et qu'elle conserve le contour de consigne. L'outil offre la possibilité, via le perçage d'aspiration 1.10 destiné à la purge d'air, également d'admettre de l'air sous pression ou de l'azote sous pression pour assurer un refroidissement additionnel de 2869256 12 la pièce moulée en matière plastique sur le côté de la chambre à pression lorsqu'on évacue par pompage le métal en fusion (figure 7). Pour assister le démoulage de la pièce moulée en matière plastique, le côté contouré 2 de l'outil peut être équipé d'un bloc d'éjection et de plaques d'éjection avec des tiges d'éjection correspondantes 2.8. Lorsqu'on ouvre l'outil, les plaques d'éjection peuvent être déployées par voie hydraulique ou pneumatique de façon commandée à la vitesse d'ouverture de la presse, de sorte que la pièce moulée 7.1 reste sur le côté de l'outil vers la chambre à pression 1. Après ouverture de l'outil (voir figure 8) la pièce moulée 7.1 est enlevée avec le dispositif de levage 5 par l'intermédiaire de l'élément de levage à ventouse 5.1 et elle est amenée à un outil de rognage 11. Le rognage de la bordure de la plaque 7 mise en forme peut avoir lieu de façon mécanique, comme montré ici et dans la figure 9, mais également par des techniques utilisant un jet d'eau ou un faisceau laser. L'outil de mise en forme est simultanément chargé d'une nouvelle plaque composite et refermé (figure 9). Le rognage de la bordure 7.2 a lieu dans l'exemple représenté à l'aide de coulisseaux de coupe 11.1 mobiles, qui exécutent de façon séquentielle le rognage de bordure selon la géométrie de la pièce moulée. La chute du rognage de bordure 7.2 est enlevée et broyée et elle est ramenée à l'appareil d'extrusion pour le composant d'âme de la plaque de coextrusion. 13 Revendications 1. Procédé pour la mise en forme de plaques en matière plastique en utilisant un outil de mise en forme en deux pièces, dans lequel: on met la plaque (7) en place dans l'outil de mise en forme (1; 2), on referme l'outil de mise en forme (1; 2), on déforme la plaque (7) sous application de pression et de chaleur avec conformation au contour intérieur de l'outil de mise en forme (1; 2), et on fait refroidir la plaque déformée (7), caractérisé en ce que la plaque (7) est attaquée du côté pression par un liquide tempéré, en particulier avec un métal en fusion ou avec de l'huile aux silicones, et de façon particulièrement préférée avec un métal en fusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque en matière plastique (7) est basée sur une matière thermoplastique, choisie en particulier dans le groupe: polyamide, polyester, de façon préférée polybutylène téréphtalate PBT, polycarbonate, polypropylène, ABS, polyuréthane thermoplastique, ou des mélanges de ces polymères. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque en matière plastique (7) est une plaque d'extrusion, en particulier une plaque multicouches. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque d'extrusion (7) employée dans le procédé est une plaque de coextrusion avec des composants d'âme chargés de matières minérales ou renforcés de fibres et avec des couches de recouvrement non chargées, de préférence avec du polycarbonate (PC-GF), du polybutylène téréphtalate (PBT-GF), du polyamide 6 (PA6-GF), ou du polypropylène (PP-GF), renforcés de fibres de verre à titre de composants d'âme, et des mélanges polycarbonate/polybutylène téréphtalate (PC/PBT), des polyesters, en particulier polybutylène téréphtalate (PBT), du polyamide (PA), des mélanges PA/ABS ou du polypropylène (PP) à titre de couche de recouvrement. 2869256 14 5. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la plaque d'extrusion (7) employée dans le procédé est prise directement d'un processus d'extrusion précédent. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plaque en matière plastique (7) est préchauffée avant la déformation, en particulier par chauffage radiant (8), et de façon particulièrement préférée par rayonnement infrarouge. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que pour le procédé on utilise un outil de mise en forme (1; 2) dans lequel l'un des côtés de l'outil (2) (côté contouré) forme la cavité de l'article à former, et l'autre côté (1) forme une chambre de pression (côté chambre de pression) avec mise à l'air et purge d'air, ainsi que des adaptateurs pour l'admission du matériau en fusion. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'outil de mise en forme (1; 2) utilisé comprend un côté contouré (2) et un côté vers la chambre de pression (1), dans lequel avant déformation, on réchauffe le côté contouré (2) de 50 à 130 C, et on réchauffe le côté chambre de pression (1) de 140 à 250 C.