Brevet FR3029131A1 — publié le 20160603

-1- La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces plastiques renforcées par injection d'une matière thermoplastique autour d'un insert. Pour fabriquer de telles pièces, par exemple des pièces de carrosserie de véhicule automobile, on met classiquement en oeuvre un procédé consistant à introduire la matière plastique à l'état fluide en un endroit d'un moule d'injection en position semi-ouverte, à refermer le moule et à appliquer une forte pression de façon à répartir cette matière plastique dans tout le moule, puis à ouvrir le moule une fois la matière plastique solidifiée. Il est par ailleurs connu d'utiliser des inserts servant en général soit à la fixation 10 ultérieure d'éléments mécaniques, soit de renfort locaux pour certaines pièces plastiques fabriquées en matériaux thermoplastiques. Insert désigne ainsi une pièce d'un matériau infusible incluse dans la pièce fabriquée. Ces inserts peuvent être pré-moulés et sont souvent réalisés en matériaux composites thermodurcissables, lesquels ont des propriétés mécaniques différentes de la matière thermoplastique. Ils 15 se présentent classiquement sous la forme de bandes de matériau pré-imprégné, par exemple des fibres de verre imprégnées d'une résine thermodurcissable. Pour fabriquer le produit fini, il faut que le pré-imprégné soit surmoulé à chaud sous pression. La mise sous pression est une étape indispensable de la consolidation de l'insert, destinée à optimiser ses propriétés mécaniques, notamment en en enlevant 20 les porosités. Le procédé connu sous le nom de HTPC (Hybrid Thermoplastic Composite Process) est un procédé dans lequel des inserts en composites thermoplastiques, par exemple comprenant des fibres de verre, sont chauffés, emboutis puis surmoulés à l'aide d'une matière en matière composite thermoplastique pour former l'ensemble de 25 la pièce de carrosserie. Le procédé repose sur le principe de n'utiliser qu'un seul moule pour réaliser ces deux opérations. Afin d'avoir une bonne adhésion entre l'insert et la matière injectée, il est nécessaire de chauffer l'insert avant le surmoulage (matrice polypropylène=150°C à 220°C; matrice polyamide=230°C à 300°C) Cependant, le chauffage de l'insert implique sa déconsolidation. En effet, la résine se 30 ramollissant, les fibres de verre s'écartent légèrement et engendrent ainsi une porosité préjudiciable à la qualité de l'insert et de l'ensemble de la pièce de carrosserie. Ainsi, une fois que la matière thermoplastique sous forme fluide a rempli le moule, it est nécessaire de reconsolider l'insert, en soumettant la matière moulée à une augmentation de pression. La pression d'injection de la matière thermoplastique -2- n'étant pas uniforme sur toute la pièce (classiquement, on mesure 250 bars à la sortie d'injection mais seulement 50 bars en bout de moule), selon la forme du moule, il n'est pas toujours possible de mettre une pression suffisante sur l'insert pour le reconsolider. Il faut en effet une pression de 100 bars pour permettre la consolidation de l'insert. Pour remédier à ce problème, il a été envisagé de procéder en trois étapes: - formage et consolidation de l'insert dans un moule spécifique, - refroidissement de l'insert, - surmoulage de l'insert froid. 10 Pour que l'insert adhère proprement à la matière thermoplastique, il faut qu'il soit chauffé, ce qui entraîne, de fait, sa déconsolidation. Cette solution ramène donc au problème énoncé ci-dessus. Les inventeurs à l'origine de la présente invention se sont rendu compte que comme les bandes pré-imprégnées formant les inserts sont étanches, il est possible 15 de les consolider en les mettant sous pression, dans le moule chauffé, grâce à une injection de gaz, avant de remplir le moule avec la matière thermoplastique sous forme fluide et de le refermer pour le moulage de la pièce de carrosserie. L'invention fournit ainsi un procédé d'injection pour la fabrication d'une pièce en matière composite thermoplastique comportant au moins un insert, utilisant un moule 20 d'injection définissant une cavité de moulage, procédé dans lequel l'insert est chauffé pour pouvoir être estampé, l'insert chauffé est déposé dans la cavité de moulage du moule d'injection en position ouverte, le moule d'injection est mis en position fermée de manière à ce que l'insert soit 25 embouti, une quantité prédéfinie de matière composite thermoplastique sous forme fluide est injectée dans la cavité de moulage du moule d'injection en position fermée, de manière à surmouler l'insert, caractérisé en ce qu'un fluide sous pression est injecté dans la cavité du moule 30 d'injection en position fermée, avant l'injection de la matière thermoplastique sous forme fluide, afin de provoquer une consolidation de l'insert. L'invention permet ainsi de réaliser le surmoulage d'un insert tout en assurant à la foi sa bonne consolidation et sa bonne adhésion à la matière thermoplastique environnante. Ce procédé permet, de plus, de maîtriser parfaitement la forme et la -3- position de l'insert ainsi surmoulé. On observe donc une réduction des dispersions concernant les caractéristiques mécaniques et plus généralement, une tenue mécanique plus élevée de l'insert et de la pièce finale. Le procédé selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des 5 caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : la matière thermoplastique sous forme fluide prend la place du fluide sous pression de l'entrefer du moule d'injection en position fermée lors de son injection, le fluide sous pression est un gaz et le moule est étanche aux gaz, 10 le fluide sous pression est de l'azote (N2), le procédé est un procédé de thermoformage et surmoulage en une étape, le fluide sous pression est pressurisé à 100 bars, l'insert est en matériau pré-imprégné, par exemple des fibres de verre imprégnées d'une résine thermoplastique, 15 le moule d'injection est fermé selon un mouvement horizontal, le moule d'injection est fermé selon un mouvement vertical. [invention a également pour objet une pièce en matière composite thermoplastique comportant au moins un insert, fabriquée selon le procédé d'injection décrit précédemment.. 20 L'invention Sera mieux comprise à lecture de la description des modes de mise en oeuvre ci-après, qui sont décrits à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe schématique d'un moule d'injection en position 25 ouverte, dans lequel est placé un insert chauffé selon l'invention, - la figure 2 est une vue similaire à la figure 2, mais dans laquelle le moule d'injection a été mis en position fermée, la figure 3 est une vue similaire aux deux figures précédentes, mais dans laquelle la cavité de moulage du moule d'injection en position fermée est 30 remplie d'un gaz sous pression, la figure 4 est une vue similaire à la figure précédente, mais dans laquelle le gaz a été remplacé par la matière thermoplastique sous forme fluide. On a représenté, sur la figure 1, un moule d'injection 10 en position ouverte, comportant un poinçon 12 destiné à se fermer contre une matrice 14. Un insert 15 en -4- fibres de verre imprégnées de résine a été déposé dans la matrice 14 du moule d'injection 10. L'insert 15 peut par exemple être en composite à matrice thermoplastique ou thermodurcissable avec des renforts fibreux continus ou discontinus en carbone, verre, kevlar, ou métallique. Il est possible de consolider une première fois l'insert 15 avant de le déposer dans la matrice 14 du moule d'injection 10. L'insert 15 ayant été préalablement chauffé de manière à pouvoir être estampé, il est drapé dans la matrice 14 du moule d'injection 10. Le moule d'injection 10 est rendu étanche par deux joints 16 qui empêchent, 10 lorsque le moule d'injection est en position fermée (comme illustré sur la figure 2), tout passage de gaz jusqu'à une pression d'au moins 100 bars. La figure 2 montre également que la cavité 18 du moule d'injection 10 présente un volume plus grand que le volume occupé par l'insert 15. La fermeture du moule d'injection 10 entraîne néanmoins le préformage par emboutissage de l'insert 15 chauffé. Uinsert 15 prend 15 ainsi la forme et la position voulue. La fermeture du moule d'injection 10 peut se faire selon un mouvement horizontal ou vertical. Comme déjà expliqué, l'augmentation de la température de l'insert 15 (avant introduction dans le moule) implique une déconsolidation de celui-ci. En effet, la résine formant matrice autour des fibres de verre se ramollit et permet aux fibres de 20 s'écarter légèrement. Ceci engendre une porosité préjudiciable à la qualité de l'insert 15 et donc de l'ensemble de la pièce de carrosserie sur le point d'être moulée. La consolidation est un phénomène mécanique qui concerne certains matériaux meubles. Sous l'action constante d'une charge extérieure, par exemple, un tel matériau change de structure interne : son taux de porosité, sa perméabilité et sa 25 teneur en eau diminuent, alors que sa densité et sa résistance mécanique augmentent. La consolidation est une opération indispensable pour que certaines pièces plastiques renforcées acquièrent les propriétés mécaniques requises pour la fonction à laquelle elles sont destinées. Certains inserts thermodurcissables en font partie. 30 Comme illustré sur la figure 3, la consolidation (ou reconsolidation) de l'insert 15 se fait grâce à l'injection 20 d'azote (N2) 22 sous haute pression (50 à 100 bars) dans la cavité de mutage 18 du moule d'injection 10 en position fermée. Le moule d'injection 10 en position fermée est rendu étanche par les joints 16, il n'y a donc pas de fuite de gaz 22 possible et l'insert 15 est soumis à la même pression sur toute sa surface. La -5- consolidation s'effectue ainsi de manière contrôlée et homogène, indépendamment de la forme de la cavité de moulage 18 du moule d'injection 10 et de l'insert 15. Ceci permet, dès lors, de consolider des inserts 15 ayant des formes compliquées tels que des inserts en "U" possédant des "parois" verticales difficilement consolidables par un procédé classique (par fermeture du moule) estimés jusque-là impossibles à consolider proprement. Une fois l'insert 15 consolidé, on réalise la pièce de carrosserie par injection 24 d'une matière thermoplastique 26 sous forme fluide qui vient surmouler l'insert 15. Cette matière thermoplastique peut, par exemple, comporter l'un des composants 10 suivants : polypropylène, polyamide, ABS, polycarbonate. Pour que la matière thermoplastique 26 sous forme fluide puisse correctement remplir l'entrefer 18, l'étanchéité du moule d'injection 10 est rompue (ce qui est non visible sur les figures) et l'azote (N2) 22 peut s'échapper du moule d'injection 10 en position fermée. L'azote (N2) 22 est alors remplacé dans la cavité de moulage 18 par la matière 15 thermoplastique 26 sous forme fluide et le moule d'injection 10 est mis en position fermée de compression pour permettre le moulage de la pièce de carrosserie. Comme l'insert 15 est chaud lors de l'injection, l'adhérence avec la matière thermoplastique 26 est optimisée. Le procédé selon l'invention permet ainsi de surmouler un insert 15 qui se retrouve parfaitement consolidé tout en ayant, par la 20 même occasion, une bonne adhésion avec la matière thermoplastique 26 le surmoulant. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Il est notamment possible d'assurer l'étanchéité du moule d'injection 10 en serrant l'insert 15 à surmouler entre 25 le poinçon 12 et la matrice 14 afin de permettre une conception simplifiée du moule d'injection 10, tout en assurant une bonne consolidation de l'insert 15. En outre, bien qu'on ait décrit un mode de réalisation mettant en oeuvre un procédé d'injection après thermoformage de l'insert, l'invention s'applique à tout procédé d'injection, même sans thermoformage. 30 Il est aussi possible d'envisager de ne consolider que localement un insert 15 donné. En effet, si l'on surmoule une nervure, par exemple, il n'y aura pas de consolidation suffisante au niveau de ladite nervure. Ceci permet de développer des propriétés mécaniques hétérogènes pour un même insert 15 donné, ce qui peut ouvrir d'autres perspectives intéressantes. REVENDICATIONS1. Procédé d'injection pour la fabrication d'une pièce en matière composite thermoplastique (26) comportant au moins un insert (15), utilisant un moule d'injection 5 (10) définissant une cavité de moulage (18), procédé dans lequel l'insert (15) est chauffé pour pouvoir être estampé, l'insert (15) chauffé est déposé dans la cavité de moulage (18) du moule d'injection (10) en position ouverte, le moule d'injection (10) est mis en position fermée de manière à ce que l'insert 10 (15) soit embouti, une quantité prédéfinie de matière composite thermoplastique (26) sous forme fluide est injectée dans la cavité de moulage (18) du moule d'injection (10) en position fermée, de manière à surmouler l'insert (15), caractérisé en ce qu'à fluide (22) sous pression est injecté dans la cavité (18) du 15 moule d'injection (10) en position fermée, avant l'injection (24) de la matière thermoplastique (26) sous forme fluide, afin de provoquer une consolidation de l'insert (15). 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la matière 20 thermoplastique (26) sous forme fluide prend la place du fluide (22) sous pression de la cavité de moulage (18) du moule d'injection (10) en position fermée lors de son injection (20). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le 25 fluide (22) sous pression est un gaz, de préférence de l'azote (N2), et le moule d'injection est étanche aux gaz. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le fluide (22) sous pression est pressurisé de 50 à 100 bars. 30 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'insert (15) est en matériau pré-imprégné, par exemple des fibres de verre imprégnées d'une résine thermoplastique.-7- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le moule d'injection (10) est fermé selon un mouvement horizontal. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le moule d'injection (10) est fermé selon un mouvement vertical. 8. Pièce en matière composite thermoplastique (22) comportant au-moins un insert (15), fabriquée selon le procédé d'injection de l'une quelconque des revendications précédentes.