Brevet FR3029132A1 — publié le 20160603

La présente invention relève du domaine de la fabrication des pièces de véhicules automobiles ; plus précisément, elle concerne un procédé de surmoulage d'un insert pré-imprégné ainsi que ses applications. Dans le domaine de la fabrication des pièces de véhicules automobiles, les inserts fabriqués en matériaux composites, du fait qu'ils présentent des formes complexes et variées, et en raison de leurs bonnes performances mécaniques, sont largement utilisés dans tous types de pièces de véhicules automobiles, telles que poutres 10 de choc, caissons de hayon, renforts de portes latérales, arches de toit, pieds avant/milieu/arrière, etc. Lesdits inserts sont habituellement formés à partir d'une matrice thermoplastique par surmoulage (en anglais « overmolding ») de matériau composite pré-imprégné. 15 L'expression technique de « matériau pré-imprégné » (en anglais « prepreg ») fait référence à un matériau intermédiaire fréquemment utilisé dans les matériaux composites ; ce matériau se compose habituellement d'une matrice plastique et d'un renfort (p. ex. fibres ou textile) qui se trouve dans cette matrice. La présence du 20 renfort permet au matériau pré-imprégné de présenter une résistance mécanique assez élevée, et ce matériau sert habituellement pour les éléments de renforcement dont ont besoin des zones partielles ou des zones complètes, comme les pièces de véhicules automobiles. Les matériaux pré-imprégnés en vente sur le marché se présentent 25 habituellement sous la forme de plaques ou de rouleaux. Selon le type de matrice plastique employé, on distingue les matériaux pré-imprégnés en plastique thermorigide et les matériaux pré-imprégnés en matériau thermoplastique ; selon le type de matériau de renfort, on distingue les matériaux pré-imprégnés ou matériaux pré-imprégnés 30 à fibres (textile) de carbone, les matériaux pré-imprégnés à fibres - 2 - (textile) de verre, les matériaux pré-imprégnés à (textile) kevlar. On distingue pour les procédés de préparation des matériaux pré-imprégnés le procédé sec et le procédé humide. Pour le procédé sec, on distingue encore le procédé à poudre et le procédé à plastique 5 thermofusible (on parle aussi pour ce dernier procédé de thermofusion). Pour ce qui est des matériaux composites actuels, le taux de maintien des performances dynamiques (comme le module de flexion et la résistance à la flexion, la résistance interlaminaire au cisaillement), et notamment le taux de maintien des performances 10 dynamiques à haute température, des matériaux composites fabriqués par thermofusion, est sensiblement supérieur à celui des matériaux composites obtenus par d'autres procédés. Le terme technique de « plastique » doit être compris comme désignant tout matériau comportant au moins une résine synthétique. 15 N'importe quel type de plastique peut être utilisé pour la présente invention. Les matériaux thermoplastiques sont plus particulièrement adaptés. L'expression technique de « matériau thermoplastique » doit être comprise comme englobant tout type de polymère thermoplastique, ce qui comprend les élastomères thermoplastiques 20 et leurs mélanges. Le terme technique « polymère » doit être compris comme désignant à la fois les homopolymères et les copolymères (notamment les bipolymères et les terpolymères). Des exemples de ces copolymères sont, sans limitation : copolymères aléatoires, copolymères séquencés à chaîne droite, autres copolymères séquencés, 25 ainsi que copolymères ramifiés. Les copolymères ou polymères thermoplastiques de tous types dont le point de fusion est inférieur à la température de décomposition peuvent convenir. Les matériaux thermoplastiques de synthèse qui possèdent un intervalle de fusion distribué dans une plage d'au moins 10 degrés conviennent tout 30 particulièrement. Parmi les exemples de ces matériaux se trouvent - 3 - les matériaux qui présentent une polydispersité en poids moléculaire. Le polyéthylène est un polymère fréquemment utilisé. Des résultats excellents ont déjà été obtenus avec du polyéthylène haute densité (HDPE). Habituellement, le matériau composite utilisé pour fabriquer ledit insert est obtenu par la préparation d'un matériau pré-imprégné constitué d'un substrat en matériau thermoplastique dans lequel est imprégné un élément de renforcement en fibres. Lors de la préparation du matériau pré-imprégné, des bulles d'air se forment 10 entre le substrat et l'élément de renforcement en fibres, et la présence de ces bulles d'air entraîne une détérioration des différentes performances mécaniques de ce matériau composite fabriqué avec le matériau pré-imprégné. Dès lors, avant de procéder au surmoulage de l'insert, l'insert pré-imprégné doit généralement 15 passer par une étape technologique de consolidation. Cette étape technologique de consolidation consiste à appliquer à l'insert pré-imprégné une pression suffisamment grande, habituellement comprise entre 50 et 150 bar, étant de préférence de 100 bar, afin d'éliminer les bulles d'air présentes dans l'élément pré-imprégné. Une fois 20 l'insert pré-imprégné consolidé, on obtient l'insert formé final en surmoulant sur lui le matériau thermoplastique. Pendant le processus de surmoulage, la matrice en matériau thermoplastique de l'élément pré-imprégné et le matériau thermoplastique utilisé pour surmouler l'insert sont de types similaires ou identiques ; lors du surmoulage, 25 la température doit être supérieure à 200°C, et on choisit de préférence une température de 220°C. Lorsque l'on utilise la technique d'injection pour obtenir un insert pré-imprégné fabriqué par surmoulage en matériau thermoplastique, cela doit être exécuté sous une haute température 30 égale ou supérieure à 200°C, afin de garantir que le matériau thermoplastique injecté et le matériau thermoplastique de la matrice pré-imprégnée s'associent parfaitement. Le terme technique s'associer » englobe à la fois la fusion entre les deux éléments, leur mélange et leur collage, etc. Dans la technique actuelle, l'insert pré-imprégné doit, après consolidation, être refroidi et démoulé avant d'être surmoulé ; or, à ce moment-là, l'insert pré-imprégné présente une température assez basse, et il est impossible de garantir la bonne association entre le matériau thermoplastique injecté et le matériau thermoplastique de la matrice pré-imprégnée, aussi est-il possible que l'insert présente un défaut et que ses performances mécaniques soient détériorées. De plus, si l'on réchauffe l'insert après refroidissement et démoulage, l'insert pré-imprégné déjà consolidé risque de voir à nouveau des bulles d'air se former, ce qui réduit les résultats de la technique de consolidation, et risque de provoquer l'apparition de défauts sur l'insert, ou une dégradation de ses performances mécaniques. C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de proposer un procédé technique permettant, à la condition préalable de ne pas avoir d'effet négatif sur les résultats de la technique de consolidation, de garantir, pendant le processus de surmoulage, la bonne association entre l'insert pré-imprégné et le matériau thermoplastique surmoulé sur l'insert. Le but de la présente invention est d'apporter une solution aux problèmes techniques exposés ci-avant. Pour cela, la présente invention propose un procédé de surmoulage d'un insert pré-imprégné pour fabriquer une pièce de véhicule automobile, comprenant les étapes suivantes : - on chauffe l'insert ; - on dépose l'insert chaud dans un moule d'injection présentant une 30 première et une deuxième parties maintenues à une première - 5 - température ; - on ferme le moule de façon à consolider l'insert - on refroidit seulement la première partie du moule jusqu'à ce qu'elle atteigne une deuxième température, plus basse que la première température, en maintenant la seconde partie à la première température ; - on sépare l'insert de la première partie du moule par au moins un jet d'air et on le plaque contre la deuxième partie ; - on surmoule l'insert avec une matière thermoplastique injectée. 10 Ledit élément pré-imprégné est un matériau intermédiaire habituellement utilisé pour la fabrication des matériaux composites, constitué habituellement d'un substrat en plastique et d'un élément de renforcement contenu dans ce substrat (p. ex. des fibres ou un textile), comme les produits de la série HTPC (Hybrid Thermo Plastic 15 Composit) fabriqués par la société Plastic Omnium. Dans lesdites étapes, la consolidation et le surmoulage de l'insert pré-imprégné sont menés à bien dans le même moule ; étant donné que l'on réduit de façon adaptée la température d'une partie du moule seulement, et que l'on injecte de l'air sous haute pression 20 entre l'insert pré-imprégné et cette partie par le biais d'un dispositif d'injection mis en place sur cette partie, la température de ce gaz est comprise entre 0°C et 200°C, ce qui facilite grandement la séparation d'un côté de cette partie et de l'insert pré-imprégné, et il n'est donc pas nécessaire d'attendre que l'insert pré-imprégné 25 refroidisse complètement. Par ailleurs, l'autre partie du moule reste à une température relativement plus élevée et supporte l'insert pré-imprégné dont elle n'a pas besoin d'être séparée ; à ce moment-là, l'insert pré-imprégné est collé sur cette partie, ce qui est favorable à la conservation par l'insert pré-imprégné d'une 30 température suffisamment élevée qui convient au surmoulage ultérieur. En synthèse de ce qui précède, une fois l'insert pré-imprégné consolidé, lorsqu'il n'a pas encore complètement refroidi et qu'il conserve une température suffisamment élevée qui convient au surmoulage ultérieur, l'autre partie du moule est séparée pour pouvoir procéder au surmoulage, assurer ainsi la bonne association, pendant le processus de surmoulage, entre l'insert pré-imprégné et le matériau thermoplastique qui est surmoulé sur l'insert. Par ailleurs, étant donné que la température d'une partie du 10 moule a été abaissée de façon adéquate, les résultats du procédé de consolidation de l'insert pré-imprégné ne sont pas détériorés par une température excessive, et peuvent ainsi être quasiment conservés. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la matrice en plastique de l'élément pré-imprégné est un matériau 15 thermoplastique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température des différentes parties du moule peut être régulée de façon indépendante, la plage de régulation étant de préférence comprise entre 20°C et 250°C. Sur les différentes parties du moule, 20 la température est régulée au moyen de circuits de refroidissement indépendants ; ces circuits présentent des dimensions et des débits ajustables différents en fonction de la plage voulue de régulation de la température. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite 25 première température est comprise entre 100°C et 200°C, la température choisie de préférence étant d'environ 160°C. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite deuxième température est comprise entre 40°C et 100°C, la température choisie de préférence étant d'environ 80°C. 30 La présente invention concerne encore l'application de l'un quelconque des procédés décrits ci-dessus pour fabriquer des poutres de choc, des pièces structurelles de carrosserie automobile, des arches de toit, des pieds avant, des pieds milieu ou des pieds arrière. Lesdites pièces structurelles de carrosserie automobile 5 englobent les caissons de hayon ou les renforts de portes latérales. Des explications plus détaillées sont données ci-dessous en prenant appui sur les figures annexées. Les techniciens du présent domaine technique comprendront facilement que ces figures ne sont fournies que dans un but explicatif, et qu'elles n'ont en rien pour 10 but de limiter la portée de la protection de la présente invention. Dans les figures, des symboles graphiques similaires sont utilisés pour représenter des pièces identiques ou similaires. Pour les besoins des explications, ces figures ne sont pas complètement à l'échelle. 15 La Figure 1 est une vue en coupe du moule ouvert avec l'insert pré-imprégné d'un mode de réalisation de la présente invention. La Figure 2 est une vue en coupe au moment de la fermeture du moule de la Figure 1 pour consolidation de l'insert pré-imprégné. La Figure 3 est une vue en coupe au moment de la séparation d'une 20 partie du moule de la Figure 2 et de l'insert après consolidation de l'insert. La Figure 4 est une vue en coupe au moment où, après séparation, une partie du moule de la Figure 3 et l'insert sont légèrement séparés. 25 La Figure 5 est une vue en coupe du moule au moment du surmoulage de l'insert ; et enfin, La Figure 6 est une vue en coupe du moule de la Figure 5 au moment où le surmoulage de l'insert est terminé. La Figure montre un moule selon un mode de réalisation de la 30 présente invention. Ce moule comprend au moins deux parties : la - 8 - première partie 1 et la deuxième partie 2. Les températures des différentes parties de ce moule peuvent être régulées de façon indépendante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plage de réglage est comprise entre 20°C et 250°C. Sur les 5 différentes parties du moule sont ajoutés des circuits de refroidissement indépendants (non représentés) servant à réguler la température. Ces circuits ont des dimensions différentes et des débits de fluide réfrigérant variables en fonction de la plage de températures qui doit être régulée. Ce moule comporte en général 10 deux parties moulées, désignées respectivement par les termes de poinçon et matrice ; le poinçon a habituellement une forme convexe, et la matrice a habituellement une forme concave. Selon le mode de réalisation illustré par la Figure 1, l'insert pré-imprégné 3 est placé après avoir été chauffé sur la deuxième 15 partie (matrice) 2 ; à ce moment-là, les deux parties 1 et 2 du moule présentent une température assez élevée, comprise entre 100°C et 200°C, de préférence 160°C environ. Comme l'indique la Figure 2, le moule est fermé de façon à consolider l'insert pré-imprégné 3 ; à ce moment-là, la première partie 1 du moule fait pression sur 20 l'insert pré-imprégné 3, en exerçant une pression comprise entre 50 et 150 bar, de préférence 100 bar, afin d'éliminer les bulles d'air formées pendant le processus de chauffage et de préparation de l'élément pré-imprégné. Une fois la consolidation terminée, comme l'indique la Figure 3, par le biais du circuit de refroidissement 25 installé au préalable sur la première partie 1 du moule, la température de la première partie 1 est abaissée comme il convient ; selon les différents inserts pré-imprégnés, cette température peut être régulée entre 40°C et 100°C, de préférence 80°C environ. Dans le même temps, par le biais du dispositif d'injection de gaz (non 30 représenté) installé sur la première partie 1 du moule, un gaz sous pression A est injecté entre la première partie 1 du moule et l'insert pré-imprégné 3, afin de faire en sorte que l'insert pré-imprégné 3 se sépare de la première partie 1 près d'un bord de la première partie 1. Pendant ce temps, la deuxième partie 2 du moule 5 conserve la température initiale relativement plus élevée, comprise entre 100°C et 200°C, de préférence 160°C environ. À ce moment-là, étant donné que l'insert pré-imprégné 3 est collé sur la deuxième partie 2, il peut conserver une température équivalente à celle de la deuxième partie 2 ; cette température est favorable à une bonne 10 association avec le matériau thermoplastique surmoulé pendant le processus ultérieur de surmoulage ; dans le même temps, étant donné que la température de la première partie 1 du moule a été abaissée de façon adaptée, les résultats de la consolidation de l'insert pré-imprégné 3 ne sont pas détériorés en raison d'une température 15 excessive, et sont quasiment préservés. Comme l'indique la Figure 4, après séparation de l'insert pré-imprégné 3 et de la première partie 1, le moule est légèrement écarté, la distance entre la première partie 1 du moule et l'insert pré-imprégné 3 n'étant que de quelques millimètres ; cette distance forme dans le moule une 20 cavité 4 pour le surmoulage extérieur. Comme l'indique la Figure 5, un matériau thermoplastique 5 est injecté dans la cavité 4, pour mener à bien le surmoulage de l'insert pré-imprégné 3. Pendant le surmoulage, un matériau thermoplastique, comme du polyéthylène, dont la température est supérieure à 200°C (de préférence 220°) est 25 injecté dans la cavité 4. Comme l'indique la Figure 6, une fois le moule refroidi, on obtient après ouverture du moule l'insert terminé, c'est-à-dire le produit fini qui est l'insert pré-imprégné 3 sur lequel a été surmoulée une couche de matériau thermoplastique 5. Étant donné que, lors du surmoulage, l'insert pré-imprégné 3 30 présente une température assez élevée convenant au surmoulage, - 10 - l'association entre l'insert pré-imprégné 3 et la couche de matériau thermoplastique 5 est bonne, l'insert obtenu au final possède de très bonnes performances mécaniques. On peut comprendre que, selon un autre mode de réalisation de la présente invention, l'insert pré-imprégné 3 peut aussi être placé sur la première partie (poinçon) 1 ; par ailleurs, lors du processus ultérieur de démoulage, la température de la deuxième partie (matrice) 2 est abaissée de façon adaptée, un dispositif d'injection de gaz est également installé sur la deuxième partie 2 ; ce 10 dispositif injecte un gaz sous pression A entre la deuxième partie 2 et l'insert pré-imprégné (3), afin que l'insert pré-imprégné 3 se sépare de la deuxième partie 2 sur un bord de la deuxième partie 2 ; pendant ce temps, la première partie 1 du moule conserve la température initiale relativement élevée, l'insert pré-imprégné 3 15 est collé sur la première partie 1 ; dans les autres étapes on procède à des ajustements relatifs, de façon à pouvoir mener à bien le surmoulage de l'autre côté de l'insert pré-imprégné 3. L'insert obtenu finalement par le procédé de ce mode de réalisation présente des performances mécaniques similaires à celles du produit obtenu 20 par le procédé précédent. On peut comprendre de même que les modes de réalisation exposés ci-dessus ne doivent pas être limités par la forme ni par la configuration du moule ; tous les types de moule peuvent être ajustés sur la base des procédés de la présente invention, dans le but 25 d'apporter une solution aux problèmes soulevés dans la présente invention, afin d'améliorer la qualité des produits. De plus, il n'est pas nécessaire d'apporter aux moules d'origine des modifications importantes ou complexes, la présente invention a donc une valeur économique élevée. 30 Les figures annexées et les explications ci-avant illustrent des modes de réalisation non limitants de la présente invention. Pour décrire les principes de l'invention, des points conventionnels ont été simplifiés ou omis. Les techniciens du présent domaine technique doivent pouvoir comprendre que les variantes issues de ces modes de 5 réalisation font partie du domaine de la présente invention. Les techniciens du présent domaine technique doivent aussi pouvoir comprendre que les caractéristiques exposées ci-avant peuvent être associées de toutes sortes de façons pour former de nombreuses variantes de la présente invention. Dès lors, la présente invention 10 ne se limite pas aux modes de réalisation déterminés exposés ci- avant, elle n'est limitée que par les revendications et les produits équivalents qui en découlent. REVENDICATIONS1. Procédé de surmoulage d'un insert pré-imprégné (3) pour fabriquer une pièce de véhicule automobile, comprenant les étapes suivantes : - on chauffe l'insert, - on dépose l'insert chaud dans un moule d'injection présentant une première (1) et une deuxième (2) parties maintenues à une première température, 10 - on ferme le moule de façon à consolider l'insert (3), - on refroidit seulement la première partie (1) du moule jusqu'à ce qu'elle atteigne une deuxième température, plus basse que la première température, en maintenant la seconde partie (2) à la première température, 15 - on sépare l'insert (3) de la première partie (1) du moule par au moins un jet d'air (A) et on le plaque contre la deuxième partie (2), - on surmoule l'insert (3) avec une matière thermoplastique injectée. 20 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'insert pré-imprégné (3) est d'une matrice thermoplastique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le moule possède des parties dont la température peut être régulée de façon indépendante. 4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température des parties du moule peut être régulée entre 20°C 30 et 250°C.- 13 - 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première température est comprise entre 100°C et 200°C. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite première température est voisine de 160°C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite deuxième température est comprise entre 40°C et 100°C. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite deuxième température est voisine de 80°C. 9. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour fabriquer une poutre de chocs ; une pièce structurelle d'un panneau de carrosserie, telle qu'un caisson de hayon, un renfort de porte latérale ; une arche de toit ; un pied milieu/avant/arrière.