Brevet FR2914216A1 — publié le 20081003

-1- La présente invention concerne une pièce en matériau plastique allégé et un procédé de fabrication d'une telle pièce. Il est connu, dans tout type d'industrie, et plus encore dans l'industrie des transports et en particulier dans l'industrie automobile, de vouloir disposer de pièces issues de matière issues de matériaux plastiques les plus légers possibles afin de réduire le poids global des véhicules. Par ailleurs, on sait que ces pièces doivent présenter des propriétés de résistance mécanique (résistance à l'effort, flexibilité, rigidité...) suffisantes pour l'utilisation à laquelle elles sont destinées. Une solution mise en oeuvre jusqu'à présent consiste à utiliser des agents destinés à diminuer la densité de la pièce, par exemple, des microsphères de verre creuses. Ces microsphères présentent une densité inférieure à 0.5. Ainsi, en les incorporant au matériau de la pièce, elles participent à la diminution de la densité moyenne de la pièce. Toutefois, les microsphères de verre sont très onéreuses. De plus, plus la proportion de microsphères incorporées dans le matériau est importante, plus les propriétés de résistance mécanique du matériau obtenu sont dégradées. L'homme du métier se trouve donc devant un problème paradoxal d'avoir à la fois une pièce légère et résistante. L'invention a notamment pour but de diminuer le coût de fabrication d'une telle pièce dont le matériau est à faible densité tout en limitant les problèmes liés à la perte des propriétés mécaniques du matériau. A cet effet, l'invention a pour objet une pièce en matériau plastique issue de matière comprenant au moins une première et une deuxième parties, caractérisée en ce que la deuxième partie présente une densité moyenne inférieure à la densité moyenne de la première partie. On comprendra par partie de la pièce, une partie que l'on peut différencier du reste de la pièce, ayant des dimensions géométriques du même ordre de grandeur que les dimensions de la pièce. Ainsi, il ne s'agit pas ici d'une partie pouvant se distinguer du reste de la pièce à l'échelle microscopique. A titre indicatif, on considérera que chacune des première et deuxième parties a un volume supérieur ou égal à 5 % du volume total de la pièce. On comprendra également par densité moyenne d'une partie, le rapport entre la masse volumique moyenne de la partie et la masse volumique de l'eau. Par ailleurs, la masse volumique moyenne de la partie est égale au rapport entre la masse de la partie et le volume de la partie. -2- On comprendra enfin qu'une pièce plastique issue de matière est généralement une pièce venue de moulage. Grâce à l'invention, on obtient une pièce réalisée dans un matériau unique dans laquelle la répartition de la densité permet de différencier des parties destinées à supporter des contraintes de nature différente. Ainsi, une pièce comprenant une première partie destinée à supporter les principales contraintes présentera une densité standard. Au contraire, une deuxième partie de la même pièce, destinée à supporter de faibles contraintes ou à remplir un certain volume, présentera une densité plus faible et permettra de réduire le poids global de la pièce. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de la pièce selon l'invention : - La densité générale de la pièce est comprise entre 0,8 et 1,3, voire 0,9 et 1,2 et préférentiellement entre 0,9 et 1,1. Grâce à la densité réduite de la deuxième partie, dont le coeur peut avoir une densité très faible, inférieure à 0.8, la densité générale de la pièce (c'est-à-dire le rapport entre la masse volumique de toute la pièce et la masse volumique de l'eau) est relativement faible, ce qui permet une réduction du poids total de la pièce. Ainsi, en comparaison avec une pièce analogue de l'état de la technique, en matériau plastique standard présentant généralement une densité comprise entre 1,3 et 1,9, une telle pièce autorise un gain en densité, et donc en poids, allant jusqu'à 58%. -La densité de la première partie est supérieure ou égale à 1,4, voire 1, 5 et préférentiellement supérieure ou égale à 1,6. - La première partie est formée par une peau périphérique entourant la deuxième partie formée par une âme centrale ; on dispose ainsi d'une pièce comportant une enveloppe extérieure dure avec une âme allégée, sans pour autant être trop lourde. -La pièce est destinée à exercer une fonction d'isolation acoustique et/ou thermique, en particulier dans un véhicule automobile. La pièce est destinée à exercer une fonction de comportement aux chocs, par exemple d'absorption d'énergie, en particulier dans un véhicule automobile. La pièce peut être par exemple une pièce de plancher, telle qu'un bac à roue de secours. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau plastique telle que définie ci-dessus dans un moule, au cours duquel le moule délimite une cavité dont le volume peut varier entre un volume initial et un volume final, supérieur au volume initial, au cours duquel : -3- - le volume de la cavité étant le volume initial, on remplit tout d'abord la cavité d'un mélange comprenant notamment une résine polymère et un agent porogène, on agrandit ensuite la cavité de façon que son volume soit égal au volume final. Ainsi, l'agrandissement de la cavité permet de libérer un volume d'expansion dans lequel le mélange est libre de s'étendre sous l'effet de l'agent porogène. C'est dans une partie correspondante à ce volume d'expansion que l'on forme la seconde partie de la pièce dont la densité moyenne est relativement faible. En effet, le volume d'expansion libéré par le déplacement de la seconde partie est rempli par un mélange moins dense que le mélange destiné à former le reste de la pièce puisque le mélange remplissant le volume d'expansion comprend plus de gaz que le mélange destiné à former le reste de la pièce. En outre, l'agent porogène étant relativement bon marché et assez facile à mettre en oeuvre, la fabrication d'une pièce à densité réduite est moins onéreuse qu'en utilisant des microsphères de verre. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l'invention : - Le moule est formé par une presse comprenant une première et une deuxième parties, la seconde partie comprenant une sous-partie mobile au moyen de laquelle on agrandit la cavité, la sous-partie étant mobile par rapport à cette seconde partie, entre une position initiale dans laquelle on remplit la cavité et une position finale dans laquelle le volume de la cavité est égal au volume final; dans ce cas l'expansion du mélange se fait perpendiculairement à une surface définie par une section de la sous-partie mobile ; il en résulte que la deuxième partie de la pièce de densité réduite présente une section égale à cette section de la sous-partie mobile. - L'agrandissement de la cavité est piloté par des moyens de pilotage. Ainsi, lors du moulage, on peut piloter d'une part, la position d'une partie de la presse par rapport à une autre, cette position étant, par exemple, pilotée par un plateau mobile d'une presse classique. D'autre part, on peut également contrôler l'expansion du mélange dans le volume d'expansion libéré en pilotant le déplacement d'une sous-partie telle que définie au paragraphe précédent, et on impose une forme et un volume final à la pièce. Il en résulte que ce déplacement piloté permet de maintenir, à tout moment, le contact entre le mélange en expansion et le moule. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l'invention : - la résine polymère est une résine thermodurcissable ; -4-le mélange comprend de plus des fibres de renfort, ce qui permet d'obtenir une pièce présentant de meilleures propriétés mécaniques. -L'agent porogène peut être par exemple un polystyrène expansible ou un PMMA expansible. Une telle résine et de tels agents porogènes sont très simples à mettre en oeuvre et sont compatibles avec des matériaux de types SMC. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une pièce en matériau plastique selon un premier mode de réalisation de l'invention; -la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une pièce en matériau plastique selon un second mode de réalisation de l'invention; - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en coupe d'un moule utilisé lors d'un procédé de fabrication de la pièce représentée sur la figure 1 ; et -les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en coupe d'un moule utilisé lors d'un procédé de fabrication de la pièce représentée sur la figure 2. On a représenté sur la figure 1 une pièce en matériau plastique selon un premier mode de réalisation de l'invention et désignée par la référence générale 10. La pièce 10 est du type SMC ou BMC (appelé ainsi pour résumer les expressions anglaises Sheet Moulding Compound ou Bulk Moulding Compound). La pièce 10 comprend une première partie 12 et une deuxième partie 14. La première partie 12 est formée par une peau périphérique entourant une âme centrale formant la deuxième partie 14 de la pièce 10. La deuxième partie 14 présente une densité moyenne inférieure à la densité moyenne de la première partie 12. Son coeur est principalement composé d'air et de fibres de verre, ce qui explique cette faible densité moyenne, pouvant être inférieure à 0,8. La densité de la première partie 12, ici formée par la peau périphérique, présente une densité moyenne supérieure ou égale à 1,4. De préférence, la densité moyenne de la peau est supérieure ou égale à 1,5. Idéalement, la densité moyenne de la peau est supérieure ou égale à 1,6. Une telle densité confère à la peau périphérique des propriétés de résistance mécanique comparables à n'importe quelle pièce formée intégralement dans un matériau plastique classique. La pièce 10 , présente une densité moyenne générale comprise entre 0,8 et 1,3. De préférence, la densité moyenne de la pièce 10 est comprise entre 0,9 et 1,2. -5- Idéalement, la densité moyenne de la pièce 10 est comprise entre 0,9 et 1,1. Cette densité réduite permet la réduction du poids de la pièce. En l'espèce, la pièce présente de bonnes caractéristiques pour exercer une fonction d'isolation acoustique et/ou thermique, en particulier dans un véhicule automobile. En effet, la pièce présente une structure proche de celle d'une pièce isolante comprenant généralement une peau périphérique et une âme centrale formée par une couche d'air. Ici, la peau périphérique 12 confère à la pièce suffisamment de résistance pour supporter la plupart des contraintes mécaniques. L'âme centrale 14, de part sa densité, a un comportement isolant proche de celui de la couche d'air interne, et donc contribue à apporter la fonction d'isolation acoustique et/ou thermique de la pièce 10. Les principaux aspects du procédé de fabrication de la pièce 10 en matériau plastique vont a présent être décrits au moyen des figures 3 et 4. Un moule 30 est formé par une presse comprenant une partie inférieure 32 et une partie supérieure 34. La partie 34 est mobile par rapport à la partie 32. Le moule 30 délimite une cavité 36 dont le volume peut varier entre un volume initial, comme représenté sur la figure 3, et un volume final, supérieur au volume initial, comme représente sur la figure 4. Le volume de la cavité étant le volume initial, on remplit tout d'abord totalement la cavité d'un mélange 38, comme cela est représenté sur la figure 3. Par exemple, le mélange 38 est sous la forme d'un feuille, pour une pièce destinée à être formée dans un matériau du type SMC, ou en vrac pour une pièce destinée à être formée dans un matériau du type BMC. Le volume de mélange remplissant initialement la cavité est donc égal au volume initial de la cavité. Le mélange comprend notamment une résine thermodurcissable, par exemple une résine polyester insaturée ou vinylester, un agent porogène, par exemple du polystyrène expansible ou du PMMA expansible, et des fibres de renfort telles que des fibres de verre. On chauffe le mélange grâce à des moyens de chauffage (non représentés). La température de la cavité est fixée, par exemple, à environ 150 C. La pression appliquée sur le mélange 38 est progressivement augmentée pour permettre un fluage du mélange 38. Sous l'effet de la pression et de la température, le mélange 38 se gélifie. Pendant la gélification du mélange 38, on agrandit progressivement la cavité 36 de façon à atteindre le volume final de la cavité 36, comme représenté sur la figure 4. Pour ce faire, on ouvre progressivement le moule 30 en déplaçant la partie supérieure 34 par rapport à la partie inférieure 32. -6- Sous l'effet de la chaleur, l'agent porogène permet au mélange de s'étendre dans un volume d'expansion correspondant à l'agrandissement de la cavité. Le volume final de la cavité doit être atteint avant que la résine n'ait fini de réticuler. La polymérisation de la résine fige alors les deux parties. La pièce 10 ainsi fabriquée comprend une première partie 12, formée par une peau périphérique entourant une deuxième partie 14, formée par l'âme centrale. On a représenté sur la figure 2 une pièce en matériau plastique selon un second mode de réalisation de l'invention et désigné par la référence générale 20. La pièce 20 comprend une première partie 22 présentant une forme générale de plaque sensiblement plane sur ses faces et une deuxième partie 24 faisant saillie sur une des faces de la plaque. Comme représenté schématiquement sur la figure 2, la deuxième partie 24 présente une densité moyenne inférieure à la densité moyenne de la première partie 22. Une telle pièce présente de bonnes caractéristiques pour exercer une fonction d'absorption d'énergie, en particulier dans un véhicule automobile. En effet, la première partie 22 dont la densité est ici supérieure à 1,6 présente des propriétés de résistance mécanique suffisantes pour former une partie structurelle du véhicule automobile soumise à des forces relativement élevées. La deuxième partie 24 dont la densité est ici comprise entre 0,9 et 1,1 présente des propriétés de résistance mécanique inférieures à celles de la première partie 22. Ainsi, cette deuxième partie 24 est mieux adaptée pour réaliser une fonction d'absorption d'énergie du fait de sa plus faible densité et donc sa propension plus grande à se déformer sous l'effet d'une force. Les principales particularités du procédé de fabrication d'une pièce 20 en matériau plastique vont a présent être décrites au moyen des figures 5 et 6. Les éléments analogues à ceux représentés sur les figures 3 et 4 sont désignés par des références identiques. Un moule 30 est formé par une presse comprenant une première partie 32 et une seconde partie 34. La seconde partie 34 comprend une sous-partie 56 mobile par rapport à cette seconde partie 34. Le moule 30 délimite une cavité 36 dont le volume peut varier entre un volume initial, comme représenté sur la figure 5, et un volume final, supérieur au volume initial, comme représenté sur la figure 6. La sous-partie 56 est mobile, dans un logement 60 ménagé dans la seconde partie 34, entre une positon initiale dans laquelle on remplit totalement la cavité du mélange 38 comme cela est représenté sur la figure 5 et une position finale dans laquelle le volume de la cavité 36 est égal au volume final. -7- On agrandit la cavité au moyen de la sous-partie 56 que l'on déplace de sa position initiale vers sa position finale. Ce déplacement est piloté par des moyens de pilotage (non représentés). On contrôle ainsi la position de la sous-partie 56. Le mélange 38 s'étend dans un espace d'expansion 62 libéré par le déplacement de la sous-partie 56, sous l'effet de l'agent porogène. Le mélange qui s'étend dans l'espace 62 est moins dense que le mélange présent dans la partie complémentaire de la cavité car il comprend plus de gaz. Les moyens de chauffage du mélange (non représentés) permettent, dans ce mode de réalisation, de chauffer le mélange 38 de façon à réaliser une polymérisation homogène du mélange. A l'issue du durcissement du mélange, on obtient la pièce 20 de la figure 2, visible également sur la figure 6. La deuxième partie 24 de la pièce 20 correspond à l'espace 62 d'expansion libéré par le déplacement de la sous-partie 56 et présente une densité moyenne plus petite que la densité moyenne de la première partie 22. Parmi les avantages de l'invention, on notera que celle-ci permet de diminuer le coût de fabrication d'un matériau à faible densité tout en évitant les problèmes liés à la perte des qualités mécaniques du matériau. Elle permet de plus de pouvoir fabriquer des pièces issues de matière comprenant des parties présentant des densités moyennes différentes. Ainsi, l'invention permet, entre autres, de modifier la densité localement, comme dans le cas du premier mode de réalisation, ou dans une zone déterminée comme dans le cas du second mode de réalisation. En outre, elle s'applique pour la fabrication de pièces telles qu'un plancher ou un capot pour véhicule automobile, en particulier pour prévenir le choc piéton appelé choc tête, ou encore telles qu'un panneau d'isolation pour le secteur du transport ou du bâtiment. On notera enfin que l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation précédemment décrits. En particulier, la deuxième partie de la presse pourra comprendre plusieurs sous-parties mobiles. Ainsi, on pourra fabriquer une pièce comprenant une première partie de densité normale, et une pluralité de deuxièmes parties de densité plus petite. En outre, on pourra fabriquer une pièce comprenant, par exemple, trois parties présentant des densités différentes, deux de ces trois parties étant selon l'invention. De plus, les sous-parties mobiles pourront être disposés sur différentes faces de la cavité si bien qu'une pluralité de deuxièmes parties de plus petite densité pourront être créées sur différentes faces de la pièce finale. Par ailleurs, on notera que l'on peut combiner les modes de réalisation décrits. REVENDICATIONS 1. Pièce (10, 20) en matériau plastique issue de matière comprenant au moins une première (12, 22) et une deuxième (14, 24) parties, caractérisée en ce que la deuxième partie (14, 24) présente une densité moyenne inférieure à la densité moyenne de la première partie (12, 22). 2. Pièce (10, 20) en matériau plastique selon la revendication 1, dans laquelle la densité de la pièce (10, 20) est comprise entre 0,8 et 1,3, voire 0,9 et 1,2 et préférentiellement entre 0,9 et 1,1. 3. Pièce (10, 20) en matériau plastique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la densité de la première partie (12, 22) est supérieure ou égale à 1,4, voire 1,5 et préférentiellement supérieure ou égale à 1,6. 4. Pièce (10, 20) en matériau plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première partie (12, 22) est formée par une peau périphérique entourant la deuxième partie (14, 24) formée par une âme centrale. 5. Pièce (10, 20) en matériau plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes, destinée à exercer une fonction d'isolation acoustique et/ou thermique, en particulier dans le domaine automobile. 6. Pièce (10, 20) en matériau plastique selon l'une quelconque des revendications précédentes, destinée à exercer une fonction d'absorption d'énergie, en particulier dans un véhicule automobile. 7. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 20) en matériau plastique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans un moule (30), au cours duquel le moule (30) délimite une cavité (36) dont le volume peut varier entre un volume initial et un volume final, supérieur au volume initial, au cours duquel : - le volume de la cavité (36) étant le volume initial, on remplit tout d'abord la cavité (36) d'un mélange (38) comprenant une résine polymère et un agent porogène, - on agrandit ensuite la cavité (36) de façon que son volume soit égal au volume final. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le moule (30) est formé par une presse comprenant une première (32) et une deuxième (34) parties, la seconde partie (34) comprenant une sous-partie mobile (56) au moyen de laquelle on agrandit la cavité (36), la sous-partie (56) étant mobile par rapport à cette seconde partie (34), entre : - une position initiale dans laquelle on remplit la cavité (36),-9- une position finale dans laquelle le volume de la cavité (36) est égal au volume final. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, au cours duquel l'agrandissement de la cavité (36) est piloté par des moyens de pilotage. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la résine polymère est une résine thermodurcissable. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel le mélange (38) comprend de plus des fibres de renfort. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel l'agent porogène est un polystyrène expansible ou un PMMA expansible.