Brevet FR3022173A1 — publié le 20151218

Adhésion directe par surmoulage pour assemblage multi-matériaux Contexte Le développement de la technologie a été fait dans le cadre du présent projet « Adhésion Structures Polymère et MEtal » en collaboration avec des partenaires. Le but de ce projet est de réduire le poids de structures hybrides (métal-plastique) par adhésion directe de plastique injecté par surmoulage sur des substrats en composites thermoplastiques ou métal. L'état de l'art (décrit Figures 2&3) consiste à placer des pièces métal formées dans un moule d'injection et à surmouler par du plastique (par exemple du PA6GF30). Si l'insert métal n'est pas traité en surface (ou si ce traitement de surface est une simple peinture de cataphorèse), l'adhésion entre le plastique surmoulé et le substrat métal est quasiment nulle. La liaison entre le métal et le plastique est purement mécanique soit en faisant des trous dans le métal pour laisser passer le plastique à travers et en créant ainsi des rivets, soit en surmoulant le bord de pièce et en tirant partie du retrait du plastique pour venir « embrasser » le métal. De part ces limitations, les surfaces de contact entre le métal et le plastique doivent être importantes et la technologie hybride (PMH = Polymer Metal Hybrid) est limitée à des applications semi-structurelles comme des façades avant techniques ou des poignées de sièges. Les objectifs du projet sont d'élargir les applications de la technologie PMH à des applications structurelles et permettre la réduction du poids de structures par l'utilisation 25 de la technologie PMH. Pour cela, l'adhésion entre le métal et le plastique est recherchée. Dans le domaine des sièges automobiles, l'état de l'art (Figure 3) consiste à assembler des armatures en acier par soudure laser, « tube end forming » et vissage avec des mécanismes de réglage en acier. 30 Il est apparu opportun de proposer de nouvelles solutions pour former les armatures hybride s des sièges automobiles. Présentation du nouveau développement Un projet de recherche mis en oeuvre dans le cadre d'un partenariat a permis de développer le dossier de siège illustré en figure 4. Ce dossier est constitué de deux inserts en CFRT (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics) fabriqués par thermoestampage, de deux inserts en acier, ces 4 inserts étant surmoulés par injection par du plastique injecté (PA6GF30). Le dossier ainsi fabriqué est assemblé par vissage sur un élément métallique constitué d'un gousset, d'un mécanisme d'articulation et d'un gousset d'interface. Cet assemblage est lourd et complexe et il pénalise fortement la performance poids et économique du dossier développé. Il a été démontré par crash-tests que la performance du siège en crash et le comportement de l'interface du dossier est fortement sollicitée en crash arrière mais résiste aux contraintes imposées par les cahiers des charges sécurité. La figure 1 illustre un siège automobile auquel est appliqué le présent projet. Les figures 2 et 3 illustrent les techniques de l'art antérieur. La figure 4 illustre un dossier obtenu par le procédé développé au cours du présent projet. Les figures 5 à 17 illustrent divers points techniques mis en oeuvre et résultats obtenus dans le cadre du présent projet. On peut séparer le projet en 2 volets. 1 Le Projet 1 concerne l'adhésion entre du composite thermoplastique à fibres continues (CFRT) et du plastique surmoulé. Il s'agit par exemple de former par thermoestampage une pièce en CFRT et de surmouler cet insert par du thermoplastique injecté (par exemple du PA6GF30). Avec le process actuel, si la pièce en CFRT est placée froide dans le moule de surmoulage, la résistance en cisaillement entre le CFRT et le plastique est entre 2 et 5 MPa. L'objectif du Projet 1 est de traiter l'insert CFRT par plasma atmosphérique et d'obtenir une contrainte en cisaillement pour l'interface CFRT/plastique entre 10 et 20 MPa. Les matériaux considérés sont le polyamide 6 et le polypropylène à la fois pour le CERT et le plastique de surmoulage. 2 Le Projet 2 concerne l'adhésion entre un insert en métal et du plastique surmoulé. Il s'agit par exemple de former par estampage une pièce en tôle acier et la placer comme insert dans un moule d'injection. Avec le process actuel, si la pièce en acier est placée froide dans le moule de surmoulage, la résistance en cisaillement entre le métal et le plastique est entre 0 et 0,5 MPa. L'objectif du Projet 2 est de traiter l'insert acier par plasma atmosphérique avec une dépose de film fin et d'obtenir une contrainte en cisaillement pour l'interface acier/plastique entre 10 et 20 MPa. Les matériaux considérés sont le polyamide 6 et le polypropylène pour les plastiques de surmoulage et l'acier et l'aluminium pour le métal d'insert. La figure 6 décrit le principe de fonctionnement d'une torche plasma atmosphérique disponible commercialement notamment auprès de la société Plasmatreat. Une tension à haute fréquence (25 kHz) entre 2 électrodes crée une décharge et un plasma à la sortie de la torche à travers un gaz qui est soufflé à un débit de 40 l/min Plusieurs paramètres peuvent être ajustés pour contrôler le traitement de surface de la pièce et notamment la vitesse de déplacement de la torche au dessus de la pièce, la distance entre la torche et la pièce. En fonction de ces paramètres, la surface du substrat est modifiée et le traitement permet notamment d'augmenter la tension de surface du substrat et de modifier la surface ce qui dans certaines conditions permet d'améliorer les propriétés d'adhésion de la surface traitée. Pour développer les procédés Projet 1 et Projet 2, deux éprouvettes ont été créés tel qu'illustré figure 7. La première éprouvette est une éprouvette de simple recouvrement. Une faible quantité de plastique est injectée en épaisseur 2,5 mm sur un carré de 20 mm par 20 mm entre deux rectangles de substrat. Le substrat peut être du CFRT ou du métal. La surface du substrat en contact avec le plastique de surmoulage est traitée par plasma (ou non) pour caractériser l'effet du traitement sur une épaisseur fine indiqué sur le schéma entre 2 et 10 nm. Le moule réalisé pour fabriquer l'éprouvette est illustré Figure 7 en haut à gauche. Une seconde éprouvette appelée éprouvette ARCAN a également été réalisée. De même une quantité de plastique en épaisseur 2, 5 mm est injectée sur toute la surface de 70 x 10 mm entre deux rectangles de substrat de même dimension. Cet assemblage est ensuite collé dessus et dessous sur des mors pour être sollicité et caractérisé selon différentes types de sollicitation (traction, cisaillement, modes mixtes...). Les résultats obtenus pour Projet 1 sur des assemblages CFRT en polyamide 6 (PA6GF60) et du plastique PA6GF30 sont présentés en Figure 8. Les résultats sont montrés pour 2 PA6GF30 intitulé A et B. Les graphes en bas à droite et à gauche montrent les résultats de tests sur éprouvette à simple recouvrement en fonction du traitement plasma. Les contraintes sont présentées en fonction de la distance torche/CFRT et la vitesse de traitement de la torche. Pour les valeurs optimum de traitement (différentes pour A et B), des contraintes de cisaillement de l'interface CFRT/Plastique de 14 MPa pour A et 19 MPa pour B sont obtenues en accord avec les objectifs de l'étude. La photo en haut à gauche montre une éprouvette de simple recouvrement avant le test, celle du centre le champ des contraintes pendant un essai et la photo de droite, la troche plasma. Un travail de compréhension de pourquoi l'adhésion entre un CFRT et un polyamide surmoulé est amélioré par traitement plasma du CFRT a été réalisé et est décrit en Figure 9. Pour cela plusieurs analyses chimiques des surfaces de CFRT après traitement plasma ont été réalisées. On citera des analyses AFM pour évaluer la rugosité de la surface, analyse MEB, analyse FTIR pour caractériser la surface et sa cristallinité est analyse XRD pour la cristallinité. En conclusion, l'amélioration de l'adhésion entre CFRT et polyamide injecté est la combinaison de la modification de la rugosité de la surface du CFRT, la modification de la cristallinité du polymère (une augmentation de la phase amorphe en surface par le traitement plasma améliore l'adhésion) et la fonctionnalisation de la surface par des agents actifs. La résistance de l'assemblage entre le CFRT et le plastique surmoulé est un compromis entre la résistance en cisaillement de l'interface et celle du composite lui-même. Comme illustré en Figure 10, quand la vitesse du plasma et/ou la distance torche/substrat diminue, la résistance de l'interface augmente car le nombre de liaisons chimiques augmente mais la résistance du composite lui-même diminue car le composite peut être dégradée. Il y a donc compétition entre ces deux phénomènes avec un optimum qui peut être différent selon le matériau de surmoulage. Le traitement Projet 1 a été appliqué à quelques pièces : une poutre simple intitulée poutre MATCAR et un triangle représentatif de la liaison entre une assise et un dossier. Ces pièces sont illustrées Figure 11. Le second démonstrateur est un double triangle lié par un disque surmoulé. Ce démonstrateur représente la liaison entre un mécanisme d'articulation et le dossier du siège. Le principe du double triangle est utilisé classiquement chez Faurecia pour valider l'assemblage entre le mécanisme d'articulation en acier et le dossier en acier notamment par soudage laser. Cette liaison entre mécanisme en acier et une pièce en thermoplastique est un réel point dur dans la conception d'un dossier composite et il a donc été décidé de tester la performance d'un assemblage moulé. Pour cela un assemblage simple a été conçu et l'outillage associé a été réalisé dans le cadre du projet. Ce démonstrateur permet de tester à la fois le surmoulage de métal et de CTFC par du plastique._Le démonstrateur est constitué de deux plaques en CTFC ou en métal (pouvant recevoir des traitements de surface) et d'un disque de plastique injecté entre les deux plaques. Un effort en couple peut être imposé entre les deux triangles pour tester la liaison entre le plastique surmoulé et la plaque CTFC ou métal. La figure 12 montre le principe de traitement de l'insert de poutre MATCAR en CFRT. Un support a été réalisé pour guider l'insert et le présenter à distance et vitesse constante en face de la torche plasma. Après traitement, l'insert a été surmoulé (dans les 24h) par du plastique. Les résultats obtenus sur les triangles sont présentés en figure 13. Les deux triangles sont en CFRT PA6GF60 et le plastique injecté entre les deux triangles est du PA6GF30. Un couple est appliqué entre les deux triangles jusqu'à rupture. Sans traitement plasma du CFRT, le couple maximum obtenu est de 245 N.m et on observe une rupture de type adhésive entre le CFRT et le plastique. Avec traitement plasma, le couple monte entre 1250 et 1720 N.m en fonction des paramètres de distance et vitesse. Il n'y a pas de rupture adhésive à l'interface mais une délamination dans le composite Pour la partie du projet qui concerne Projet 2, le process est un peu plus complexe. Un traitement plasma simple du substrat métal ne permet pas d'améliorer l'adhésion entre le plastique et le métal. A cet effet, le dépôt d'une couche mince sur le substrat a été développé. Le principe de dépôt de la couche mince est décrit en Figure 14. Un précurseur chimique liquide est vaporisé à la sortie de la torche plasma et ainsi déposé sur le substrat en acier. Le débit de dépôt du précurseur est contrôlé. Le précurseur est fragmenté par la torche pour créer des espèces actives comme du OH, NO ou O., ainsi que des siloxanes sous forme de film fin sur le métal. La composition chimique du film a été étudiée par FTIR et son épaisseur par SEM comme illustré en figure 15. Des éprouvettes de simple recouvrement constituées de substrats acier (S420 MC), traitées par plasma avec dépôt de couche mince et avec injection de PA6GF30 entre les deux substrats ont été caractérisées et les résultats sont présentés en figure 16. Le graphe montre la valeur de résistance en cisaillement de l'interface en fonction de la vitesse de la torche et du débit de précurseur (1700 à 3000). Les meilleures valeurs sont de 12 MPa et conformes à l'objectif du projet.30 REVENDICATIONS1. En conclusion (figure 17), le traitement plasma est efficace pour améliorer l'adhésion entre un polyamide injecté et un CFRT polyamide avec une valeur de résistance en cisaillement de 20 MPa. Le dépôt de films minces par plasma sur un acier est efficace pour améliorer l'adhésion de polyamide injecté sur un acier avec une valeur de résistance en cisaillement de 12 MPa. L'adhésion entre le plastique injecté et le substrat permet la conception de nouvelles structures légères. Le problème de différence de coefficients de dilation (delta alpha problem) peut être difficile à résoudre pour des grandes pièces à cause des contraintes crées par la différence de dilatation entre le métal et le plastique.