Brevet FR3027842A1 — publié le 20160506

L'invention concerne le domaine technique du préformage des feuilles de matériaux composites pré-imprégnées pour réaliser par moulage des pièces de véhicule automobile. Les feuilles de matériaux composites pré-imprégnées sont des semi-produits constitués essentiellement d'une résine à base de polymère thermoplastique ou thermodurcissable, renforcée par des fibres, par exemple des fibres de verre ou de carbone. Elles sont généralement utilisées pour fabriquer des pièces structurelles d'un véhicule automobile. Dans le cas de résine à base de polymère thermoplastique, les feuilles se présentent sous forme de plaques souvent rigides à température ambiante et ne peuvent être disposées directement dans le moule pour y être moulées. Une étape préalable de préformage à chaud est alors nécessaire pour leur donner une forme intermédiaire plus proche de celle de la chambre de moulage du moule, forme souvent complexe. Dans le cas d'une résine à base de polymère thermodurcissable et plus particulièrement dans le cas du SMC (Sheet Moulding Compound), les feuilles sont découpées à la dimension souhaitée à partir d'un rouleau stocké à froid. Elles sont déformables, non rigides à température ambiante. Si les formes de la pièce à mouler sont simples, ces feuilles peuvent être empilées et mises ensemble directement dans le moule où elles seront compressées à une température plus élevée. L'empilement des feuilles forment alors le plan de chargement. Si les formes de la pièce et/ou les empilements à réaliser pour constituer le plan de chargement ont des profils compliqués (surfaces non développables, fortes variations de formes, creux profonds en regard de leur ouverture, par exemple), il est alors très difficile de mouler directement les feuilles de matériaux composites pré-imprégnées. Ainsi, une étape préalable de préformage de ces feuilles est également nécessaire pour leur donner une forme intermédiaire plus proche de celle de la chambre de moulage du moule, forme souvent complexe. Lorsque l'étape de préformage est nécessaire, les feuilles de matériaux composites pré-imprégnées sont déposées sur une empreinte ayant la forme de la pièce à mouler ou sur la forme du moule contre laquelle on les drape pour les faire passer d'une forme sensiblement plane à une forme intermédiaire plus proche de celle de la chambre de moulage du moule. En général, le drapage est fait à la main ou sous une bâche à vide à cause de la géométrie souvent complexe des formes de la pièce à mouler. Ces procédés présentent beaucoup d'inconvénients. Tout d'abord, comme le procédé n'est pas automatisé, le coût et le temps de cycle de fabrication sont trop importants pour l'industrie automobile et le procédé ne peut pas être répliqué à grande échelle. De plus, le préformage employant une bâche à vide nécessite des préparatifs importants pour installer la bâche. Par ailleurs, il applique une pression uniforme et simultanément sur toutes les zones, ne permettant pas une mise en forme progressive de la feuille, ce qui risque de la déchirer, ou de générer des plis ou encore de piéger des bulles d'air. Le préformage manuel est plus progressif par rapport au préformage sous vide et est donc adapté à traiter des formes complexes. Cependant, le préformage manuel ne peut pas être répété un grand nombre de fois et de manière identique. De plus, il n'est pas adapté pour mettre en forme des pièces de grandes dimensions. Ces différents inconvénients peuvent causer des défauts dans la pièce à l'issue du procédé et augmenter le nombre de rebuts. L'invention a notamment pour but de fournir un procédé amélioré de préformage de feuilles de matériaux composites pré-imprégnées qui remédie à l'un au moins des inconvénients précités. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un procédé automatisé de préformage d'une feuille de matériaux composites pré-imprégnée, au moyen d'une empreinte de 15 préformage, sur lequel : - on dispose la feuille ; et - on drape la feuille, en appliquant une pression sur la feuille au moyen d'un outil muni d'un applicateur ayant une forme adaptée à une forme locale de l'empreinte de préformage, l'outil suivant une trajectoire prédéfinie, principalement en fonction de la 20 forme de l'empreinte de préformage. L'outil est un système automatisé, par exemple un robot, disposant d'un bras muni d'un applicateur, par exemple sphérique, comprenant une forme adaptée à draper la feuille sur une partie de l'empreinte de préformage, et qui peut se déplacer sur celle-ci. Pour draper la feuille prédisposée sur la forme de l'empreinte de préformage, l'outil fait 25 rouler ou glisser ou encore déplace de manière discontinue sans rouler ni glisser l'applicateur sur la feuille en lui appliquant une pression, de manière à prendre en sandwich la feuille entre l'applicateur et les parois du moule. Le procédé est automatisé et l'outil se déplace suivant la trajectoire définie préalablement, notamment en fonction de la forme de l'empreinte de préformage. Ainsi, l'intervention humaine est réduite et la 30 productivité est améliorée. Il est possible de produire en grande quantité avec un temps de cycle réduit. Par ailleurs, comme l'applicateur a une forme spécifique adaptée à une forme locale de l'empreinte de préformage. Cela permet de draper de façon optimisée des formes diverses et complexes. 35 Le procédé peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. - L'applicateur applique sur la feuille une pression variable selon un ordre prédéterminé, principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage et du matériau de la feuille. Cela permet notamment de tenir compte des reliefs de l'empreinte de préformage et de la résistance mécanique de la feuille dans la progression de l'applicateur. Ainsi, le risque de déchirer ou l'abîmer la feuille par un excès de pression est évité. Par exemple, la force appliquée par un applicateur plus ou moins pointu est réduite par rapport à celle appliquée par un applicateur plan de manière à réduire le risque d'endommagement de la feuille. De même, le risque de ne pas lui donner la forme exacte de l'empreinte de préformage par un défaut de pression est également réduit. - La trajectoire de l'outil est définie par une méthode expérimentale par exemple de type essai-erreur, en exploitant l'expérience des opérateurs produisant des pièces similaires en drapage manuel, ou au moyen d'un logiciel de modélisation. En effet, la forme de l'empreinte de préformage est différente d'une pièce à une autre. Elle peut être parfois complexe, avec différents reliefs tels qu'un angle ou un creux. Ainsi, l'outil ne se déplace pas, ou très rarement, de la même manière et selon une même trajectoire lors du préformage de deux pièces différentes. Il peut commencer dans un endroit en bas d'un relief ou en hauteur, se déplacer de manière rapide ou lente, progresser en continu ou non, ou encore faire plusieurs aller-retours pour insister sur une zone ou des points particuliers. Pour définir sa trajectoire, il est nécessaire de tenir compte de tous ces facteurs. Pour cela, il existe des logiciels de modélisation qui permettent d'optimiser la trajectoire de l'outil pour une forme donnée. On peut également réaliser des essais expérimentaux sur l'empreinte de préformage pour converger vers une trajectoire optimale. Ces essais peuvent être faits soit manuellement, soit avec l'outil. - La trajectoire de l'outil commence dans une zone où le drapage est difficile, par exemple une zone contenant des reliefs prononcés ou le cas d'une surface non développable. Expérimentalement, les meilleurs résultats sont obtenus en commençant le drapage par une zone difficile à draper. Ceci permet d'optimiser la forme obtenue à partir de la feuille plane, notamment pour une surface non développable. De plus, c'est dans une zone difficile à draper que les erreurs les problèmes et défauts sont les plus probables. Ainsi, si un tel problème survient et n'est pas rattrapable, on peut arrêter le drapage de la pièce en cours relativement au début de son cycle de production et la rebuter, et ceci bien avant que la pièce défectueuse soit entièrement drapée, réduisant le coût et le temps inutilement dépensés. - La trajectoire commence dans une zone centrale de l'empreinte de préformage et se termine à la périphérie. Cela est particulièrement avantageux dans le cas où l'empreinte de préformage présente une symétrie, permettant d'établir un point de référence par rapport à la symétrie présente et de chasser progressivement les bulles d'air et les plis vers la périphérie de la feuille pour ainsi les évacuer. - Les paramètres de vitesse de déplacement de l'applicateur, l'angle d'application de la pression par rapport à la surface de l'empreinte de préformage sont définis préalablement. Ils peuvent également être contrôlés en continu au cours du préformage, et ainsi permettre de détecter des défauts au fur et à mesure du drapage sans délai. - L'applicateur a une forme de révolution, par exemple sphérique ou cylindrique, apte à rouler sur la feuille. Par « rouler », on entend par un mouvement de roulement sans glissement, Ainsi, l'applicateur peut exercer une pression sur la feuille de manière continue et non saccadée sans risque de l'abimer ou de la déchirer. De plus, un applicateur sphérique a l'avantage de pouvoir mouler des formes diverses et complexes. 10 Un applicateur cylindrique permet de draper une surface plus plane et plus étendue. - L'applicateur (18) peut glisser sur la feuille (16), de préférence, l'applicateur est un patin. Par « glisser », on entend par un mouvement de glissement sans roulement. Le glissement permet à l'applicateur de chasser de manière plus efficace les plis et les bulles présents dans ou sous la feuille. 15 - L'applicateur exerce une pression ponctuelle sur la feuille sans déplacement ou lors d'un déplacement discontinu. En particulier, dans le cas où l'empreinte de préformage comprend un relief profond et de dimension réduite, l'applicateur a une forme adaptée pour être poussé jusqu'au fond du relief par l'outil et ainsi mettre en contact la feuille et l'empreinte de préformage. L'applicateur peut également être déplacé de manière 20 discontinue par l'outil en exerçant des pressions ponctuelles et successives sur la feuille. - La dimension de l'applicateur peut varier principalement en fonction de la forme du moule. En effet, la forme du moule peut être constituée de diverses géométries. Ainsi, il est possible d'adapter la dimension de l'applicateur à la zone à draper en changeant d'applicateur au cours du drapage. Par exemple, l'outil est muni d'un applicateur de 25 grandes dimensions pour draper de grandes surfaces planes et remplace cet application par un autre applicateur, de dimensions plus petites, pour des reliefs plus marqués ou subtils. Ainsi, la productivité est optimisée tout en assurant un drapage satisfaisant. - La forme de l'applicateur peut varier principalement en fonction de la forme du moule et du matériau de la feuille. En effet, l'applicateur peut varier sa forme en fonction de la 30 forme de préformage. Par exemple, l'outil est d'abord muni d'un applicateur sphérique pour draper une forme complexe puis utilise un applicateur cylindrique ou plan pour une zone plus étendue. Par ailleurs, l'applicateur peut être deformable, par exemple fabriquée dans un matériau élastomère ou poreux ou encore comprenant un mécanisme de déformation tel qu'un ressort, qui peut se déformer en fonction de la variation de la 35 pression appliquée, Ainsi, dans la limite de la déformation possible du matériau ou des composants du mécanisme, l'applicateur peut épouser ou se rapprocher de la géométrie de la forme pour mieux draper la feuille dans cette zone. Un seul applicateur peut alors être utilisé pour draper différentes formes de l'empreinte de préformage. - La dureté de l'applicateur peut varier principalement en fonction de la forme du moule et du matériau de la feuille. Il est avantageux de faire varier la dureté de l'applicateur en 5 fonction de la géométrie de la forme et de la composition de la feuille pour réduire le risque d'endommagement de la feuille. Par exemple, lors du passage de l'applicateur sur un relief aigu, il est préférable que l'applicateur soit d'une dureté faible pour ne pas percer la feuille. En revanche, la dureté peut être plus élevée pour une zone plane pour mieux draper la feuille contre l'empreinte de préformage. Il est également avantageux de faire 10 varier la dureté de l'applicateur en fonction du matériau de la feuille pour compacter d'avantage le matériau composite ou alors prendre soin d'un matériau fragile. Ainsi, l'outil peut changer d'applicateur au cours du drapage, pour choisir celui ayant la dureté la plus appropriée Ainsi, selon les particularités globales et locales de forme de la pièce à réaliser et des 15 caractéristiques des feuilles à draper, telles que la matière, l'épaisseur, la souplesse, la résistance au déchirement, on saura définir le meilleur ordre sur les zones à draper et le meilleur applicateur à utiliser. L'invention peut bien sûr être appliquée sur plusieurs feuilles empilées les unes sur les autres formant le plan de chargement. Cela permet de draper en une fois plusieurs 20 feuilles sur une même empreinte de préformation, ce qui permet d'augmenter la productivité et permettre à la feuille du dessus, généralement de taille moins importante, de s'adhérer à la ou les feuilles de dessous formant ainsi le plan de chargement prêt à être placé dans le moule. 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective et en coupe longitudinale de l'empreinte de préformage, - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale de la zone A de 30 l'empreinte de préformage de la figure 1 et d'un applicateur selon un mode de réalisation, - la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale de la zone A de l'empreinte de préformage de la figure 1 et d'un applicateur selon une variante du mode de réalisation de la figure 2. 35 L'empreinte de préformage 10 a une forme qui comprend un bas-relief 12 dans sa partie centrale et deux reliefs 14a et 14b en hauteur de part et d'autre du bas-relief 12. Les reliefs 14a et 14b comportent des surfaces relativement planes telles que les surface 15a et 15b et des formes plus complexes telles que les excroissances 15c et 15d. L'empreinte de préformage 10 permet de préformer une feuille 16 pré-imprégnée, visible uniquement sur les figures 2 et 3. Pour cela, on dépose la feuille 16 sur l'empreinte de préformage 10 et on drape la feuille 16 contre l'empreinte de préformage 10 en appliquant une pression sur la feuille 16 au moyen d'un outil muni d'un applicateur 18 ayant une forme locale adaptée à une forme locale de l'empreinte de préformage 10. Conformément à l'invention, l'outil suit une trajectoire prédéfinie, principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage 10. La trajectoire de l'outil peut être définie soit au moyen d'un logiciel de modélisation, soit par une méthode expérimentale de type essai-erreur. Ainsi, on peut imaginer qu'on commence à draper la feuille 16 par une des reliefs 14a ou 14b, puis qu'on progresse vers le bas-relief 12 ou, inversement, qu'on commence à draper la feuille 16 sur le bas-relief 12 puis qu'on progresse vers les reliefs 14a ou 14b ou encore qu'on fait des aller-retours entre le bas-relief 12 et les reliefs 14a et 14b. Expérimentalement, de bons résultats sont obtenus avec une trajectoire de l'outil qui commence dans une zone où le drapage est difficile, par exemple une zone des reliefs 14a ou 14b contenant des formes irrégulières ou une zone ayant une surface non développable, par exemple les concavités 20 ou les excroissances 15c et 15d. De bons résultats expérimentaux sont également obtenus avec une trajectoire de 20 l'outil qui commence dans une zone centrale de l'empreinte de préformage 10 et se termine dans une zone périphérique de l'empreinte de préformage 10. Les deux types de trajectoire précités ne sont pas exclusifs. D'autres types de trajectoires existent et sont sélectionnés selon la forme de l'empreinte de préformage 10 et les propriétés de la feuille 16. Il est également possible de combiner les critères des 25 deux trajectoires ci-dessus. Par exemple, dans le cas de l'empreinte de préformage 10, une trajectoire de l'outil avantageuse serait de commencer le drapage par les concavités 20 du relief 12, progresser vers la zone des reliefs 14a et 14b contenant des formes complexes telles que les excroissances 15c et 15d puis terminer par les surfaces planes 15a et 15b des reliefs 14a et 14b. 30 L'applicateur 18 applique sur la feuille 16 une pression variable selon un ordre prédéterminé, principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage 10 et du matériau de la feuille 16. Par exemple, l'applicateur 18 peut appliquer une pression plus grande au niveau des concavités 20 pour que la feuille 16 soit bien plaquée contre la face de l'empreinte de préformage 10 et une pression moins importante sur des 35 grandes étendues de surfaces comprenant moins de reliefs marqués comme par exemple les surfaces 15a et 15b. Ainsi en fonction de la trajectoire prédéterminée, la pression varie dans l'ordre de progression de l'applicateur 18. D'autres paramètres peuvent être prédéfinis ou contrôler lors du drapage de la feuille 16 en fonction des particularités locales ou globales de l'empreinte de préformage 10 et du matériau de la feuille 16. On peut citer par exemple la vitesse de déplacement de l'applicateur 18 ou l'angle d'application de la pression par rapport à la surface de l'empreinte de préformage 10. Ainsi on peut choisir de programmer une vitesse plus grande lors du passage de l'applicateur 18 sur les surfaces planes 15a et 15b et diminuer la vitesse au niveau des excroissances 15c, 15d ou des concavités 20 qui nécessitent un drapage plus minutieux. Le drapage est effectué par l'outil au moyen de d'un applicateur ayant une forme de révolution, par exemple sphérique ou cylindrique, apte à rouler sur la feuille. L'applicateur 18 figurant dans les figures 2 et 3 est un applicateur sphérique en forme de boule. Un applicateur cylindrique plein ou creux en forme de tube peut aussi bien être employé. La forme de révolution permet à l'applicateur 18 de rouler sans glisser sur la feuille 16 et sans risque de l'abîmer. Ainsi, on peut voir, sur la figure 2, qui est une vue schématique grossie de la zone A du moule 10, que l'applicateur 18 roule sur la feuille 16, laquelle épouse parfaitement la forme des parois 22 du moule 10. L'applicateur 18 chasse les bulles d'air sur son passage. L'applicateur 18 exerce une pression variable et adaptée à la géométrie de la forme et au matériau constituant la feuille 16, dans le sens des flèches 24. Dans un autre mode de réalisation, l'applicateur 18, par exemple un patin, peut aussi glisser sans rouler sur la feuille 16. Cela permet de chasser de manière plus efficace les bulles et les plis. L'applicateur 18 peut exercer une pression ponctuelle sur la feuille 16 sans déplacement ou lors d'un déplacement discontinu. L'applicateur sphérique 18 de la figure 2 peut, par exemple, être maintenu en pression, immobile ou en rotation, pendant un certain temps sur le coude 25 pour que la feuille 16 adhère bien à la forme du coude 25 de l'empreinte de préformage 10. Le même exercice peut être effectué par un applicateur sous forme d'embout relativement aigu. Dans un mode de réalisation où l'applicateur est un poussoir qui ne peut ni rouler ni glisser sur la feuille 16, son déplacement consiste en une succession de pressions ponctuelles De plus, on peut changer l'applicateur 18 de l'outil au cours du drapage pour utiliser à tout instant un applicateur dont les propriétés sont adaptées aux particularités locales de l'empreinte de préformage 10 ou de la feuille 16. Par exemple, la dimension de l'applicateur 18 peut varier principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage 10. Pour optimiser la vitesse et la qualité du drapage, on peut employer un applicateur 18 de grandes dimensions lors de son passage sur les surfaces 15a et 15b et un applicateur de plus petites dimensions pour les concavités 20. Il est aussi possible de varier la forme de l'applicateur 18 soit en changeant d'applicateur au cours du procédé de drapage soit en utilisant un applicateur deformable ou comprenant un mécanisme de déformation tel la présence d'un ressort. Ainsi, la forme de l'applicateur 18 peut s'adapter à la forme de l'empreinte de préformage 10. Sur la figure 3, l'applicateur 18 se déforme lors de son passage sur l'angle 26, ce qui lui permet de puis presser la feuille 16 sur les parois 22 à cet endroit. L'applicateur 18 reprend ensuite sa forme initiale dans la suite de sa descente. Dans un autre mode de réalisation, on peut changer l'applicateur sphérique 18 en un applicateur ayant la forme de l'angle 26 en amont de son passage sur l'angle 26 et reprendre l'applicateur sphérique 18 en aval. La dureté de l'applicateur 18 peut également varier principalement en fonction de la forme de l'empreinte de moulage 10 et du matériau de la feuille 16. On réduit ainsi le risque d'endommagement de la feuille 16 en utilisant par exemple un applicateur mou ou élastique dans des zones anguleux comme l'angle 26 ou encore augmenter la qualité du drapage en utilisant un applicateur dur au niveau des surfaces 15a et 15b. Plusieurs outils peuvent être employés simultanément pour accélérer le drapage, notamment pour un moule qui comporte une symétrie. Ainsi, il se peut que deux outils drapent la feuille 16, de part et d'autre du bas-relief 12. Plusieurs feuilles 16 peuvent être empilées sur l'empreinte de préformage 10 et 20 drapées simultanément. Le drapage permet également de rendre solidaire ces feuilles 16 qui forment ainsi le plan de chargement qui est ensuite déplacé dans le moule pour y être moulé. L'invention n'est pas limitée aux exemples présentés ci-dessus et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. 25 L'invention n'est pas limitée au drapage des feuilles pré-imprégnées et peut être étendue à tout type de drapage. REVENDICATIONS1. Procédé automatisé de préformage d'une feuille (16) de matériaux composites pré-imprégnée, au moyen d'une empreinte de préformage (10), sur laquelle : - on dispose la feuille (16) ; et - on drape la feuille (16), en appliquant une pression sur la feuille (16) au moyen d'un outil muni d'un applicateur (18) ayant une forme adaptée à une forme locale de l'empreinte de préformage, l'outil suivant une trajectoire prédéfinie, principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage (10). 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'applicateur applique sur la feuille (16) une pression variable selon un ordre prédéterminé, principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage et du matériau de la feuille (16). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la trajectoire de l'outil est définie par une méthode expérimentale par exemple de type essai-erreur ou au moyen d'un logiciel de modélisation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la trajectoire de l'outil commence dans une zone où le drapage est difficile, par exemple une zone (12) contenant des reliefs prononcés ou le cas d'une surface non développable (20). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la trajectoire de l'outil commence dans une zone centrale de l'empreinte de préformage et se termine dans une zone périphérique de l'empreinte de préformage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'applicateur (18) a une forme de révolution, par exemple sphérique ou cylindrique, apte à rouler sur la feuille (16). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'applicateur (18) peut glisser sur la feuille (16), de préférence, l'applicateur est un patin.-10- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la forme de l'applicateur (18) peut varier principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage (10) et du matériau de la feuille. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la dimension de l'applicateur (18) peut varier principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformage (10). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la dureté de l'applicateur (18) peut varier principalement en fonction de la forme de l'empreinte de préformation (10) et du matériau de la feuille (16).