Brevet FR3037852A1 — publié le 20161230

La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un élément de renforcement et d'assemblage de cet élément à une pièce à renforcer, par thermosoudage. Pour renforcer une pièce, en particulier une pièce allongée, il est connu 5 d'utiliser des rubans en matériau composite ayant de faibles épaisseurs, généralement de 0,1 à 0,3 mm. Ces rubans sont obtenus par pultrusion de manière à comprendre des fibres allongées disposées selon leur longueur, et comprennent une matrice thermofusible. Les faibles épaisseurs de ces rubans permettent à cette matrice de pouvoir être rapidement et intégralement fondue 10 sous l'action d'un élément chauffant, notamment de type laser. Un renfort est formé par une succession de dépôts et fusions de tels rubans les uns sur les autres. Lorsque l'élément de renforcement doit avoir de grandes dimensions, le procédé utilisant de tels rubans est long à mettre en oeuvre. En effet, la faible 15 épaisseur des rubans implique qu'un nombre important de rubans soit superposés et agglomérés. La consommation d'énergie est importante et le poids des éléments de renforcement obtenus est élevé. Un autre inconvénient de cette technique antérieure est le fait que le thermosoudage des rubans peut être difficile à réaliser selon la conformation de 20 la pièce à l'endroit de ce thermosoudage, notamment en cas de pièces en creux. La présente invention a pour objectif de remédier à l'ensemble de ces inconvénients, en fournissant un procédé d'obtention d'un élément de renforcement en matériau composite thermoplastique pouvant avoir une 25 épaisseur plus importante que celle des rubans précités, n'impliquant pas la superposition d'un nombre important de rubans de faible épaisseur, et dont la matière définissant la ou les faces de l'élément destinées à être thermosoudées est rendue fusible par des durées d'échauffement comparables à celles des rubans minces. Le but poursuivi par l'invention est de diminuer de manière 30 drastique la durée de fabrication d'un tel élément de renforcement et le temps nécessaire à la mise en oeuvre du procédé global de fabrication de la pièce renforcée, et de réduire également notablement la quantité d'énergie nécessaire à cette mise en oeuvre. 3037852 2 Le procédé concerné comprend, de manière connue en soi, le fait de fabriquer l'élément de renforcement par pultrusion, c'est-à-dire avec une étape d'imprégnation de fibres allongées par une résine thermoplastique fondue ou bien par un sirop thermoplastique polymérisable, réalisée par tirage d'un ensemble de ces fibres au travers d'une unité d'imprégnation, et une étape de calibration obtenue soit par polymérisation de ce sirop polymérisable, réalisée par tirage de cet ensemble de fibres au travers d'une unité chauffante de polymérisation de ce sirop, soit par consolidation de la résine thermoplastique fondue au travers d'une unité de calibrage refroidissante. Selon l'invention, - ledit produit polymérisable est une résine thermoplastique ou un sirop polymérisable ayant un indice de réfraction identique à l'indice de réfraction des fibres utilisées pour fabriquer l'élément de renforcement ; - le procédé comprend l'étape consistant à aménager, au niveau de chaque face de l'élément de renforcement destinée à être thermosoudée à la pièce à renforcer, une couche de couleur sombre, comprenant de la résine thermoplastique, apte à absorber la lumière émise par un laser de thermosoudage ; et - le procédé comprend l'étape consistant à émettre de la lumière au moyen dudit laser de thermosoudage vers chaque face de l'élément de renforcement destinée à être thermosoudée à la pièce à renforcer, de manière à réaliser la fusion de la résine thermoplastique que comprend ladite couche de couleur sombre, afin de réaliser la thermosoudure de l'élément de renforcement à la pièce à renforcer. L'invention consiste ainsi : - à utiliser une résine thermoplastique ou un sirop polymérisable ayant un indice de réfraction identique à l'indice de réfraction des fibres utilisées pour fabriquer l'élément de renforcement, - à aménager, au niveau de chaque face de l'élément de renforcement 30 destinée à être thermosoudée à la pièce à renforcer, une couche de couleur sombre, comprenant de la résine thermoplastique, apte à absorber la lumière émise par un laser de thermosoudage, puis - à réaliser le thermosoudage de l'élément de renforcement à la pièce à renforcer au moyen de ce laser. 3037852 3 Un sirop polymérisable contenant des monomères et/ou des oligomères et/ou des polymères solubilisés a pour avantage d'avoir une très faible viscosité, qui permet d'atteindre une imprégnation quasi-parfaite, au niveau microscopique, des fibres, de sorte que chaque fibre est intimement et 5 intégralement imprégnée de cette résine. Outre l'amélioration notable des performances mécaniques de l'élément de renforcement obtenu, cette imprégnation intime et intégrale permet d'obtenir une réelle transparence du composite obtenu, du fait que les indices de réfraction des fibres et de la résine sont identiques. Cette réelle transparence permet d'obtenir, au moyen du laser, 10 une parfaite fusion de la matière thermoplastique constituant ladite couche absorbante, ce qui permet de réaliser le thermosoudage de l'élément de renforcement dans les meilleures conditions. Le procédé selon l'invention permet par conséquent de bénéficier des larges possibilités de formes pouvant être obtenues par un procédé de 15 pultrusion, donc de s'affranchir de l'utilisation de nombreux rubans de faible épaisseur comme selon la technique antérieure, et permet également de thermosouder en une seule opération l'élément de renforcement préconstitué, avec une durée nécessaire à la réalisation du thermosoudage qui est inférieure à celle impliquée par l'emploi de rubans minces. Le temps nécessaire à la mise 20 en oeuvre du procédé global de fabrication de la pièce renforcée est donc réduit, de même que la quantité d'énergie nécessaire à cette mise en oeuvre. En outre, le thermosoudage de l'élément peut être mis en oeuvre sur une très grande variété de configurations de pièces à renforcer, supérieure aux possibilités permises par le procédé selon la technique antérieure employant 25 des rubans. Par "identique" dans l'expression "ayant un indice de réfraction identique à l'indice de réfraction des fibres utilisées", il doit être compris que les deux indices de réfraction sont identiques au millième près. Les précurseurs constituant le sirop polymérisable pourront être choisis dans la classe des acryliques et/ou des acrylates et/ou des polyacryliques (oligomères) et/ou des polyacrylates (oligomères) de manière à former après polymérisation un polymère de la classe des polyacryliques et/ou des polyacrylates, comme notamment des polymethacrylates ou polymethacryliques. Ces précurseurs sont polymérisables sous l'action d'un 3037852 4 catalyseur et/ou d'un amorceur et/ou d'un activateur. Les catalyseurs peuvent être de type peroxyde. Ladite couche de couleur sombre est de préférence de couleur noire. L'aménagement de cette couche peut être réalisé par co-extrusion d'une 5 couche en résine thermoplastique sur la ou lesdites faces destinées à être thermosoudées. Alternativement, l'aménagement de cette couche est réalisé par utilisation, au sein dudit ensemble de fibres, de fibres de couleur sombre ou teintées en une couleur sombre, incluses dans la structure de l'élément de renforcement, 10 au niveau de la ou desdites faces de cet élément destinées à être thermosoudées à la pièce à renforcer. Les fibres de couleur sombre peuvent notamment être des fibres de carbone ou de basalte ou bien encore des fibres de verre dont l'ensimage aura été teinté en noir. 15 Le procédé selon l'invention comprend de préférence les étapes consistant : - à placer l'élément de renforcement sur la pièce à renforcer, et - à réaliser le thermosoudage de cet élément par émission de la lumière du laser au travers de la paroi de l'élément. 20 L'invention sera bien comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes de réalisation possibles de l'élément de renforcement concerné. La figure 1 en est une vue en coupe transversale, selon une première 25 forme de réalisation ; la figure 2 est une vue très simplifiée, de côté, d'un dispositif de fabrication de cet élément de renforcement dans le cas où la résine thermoplastique est obtenue à partir d'un sirop polymérisable; la figure 3 est une vue de l'élément de renforcement en perspective, en 30 cours de soudage sur une pièce à renforcer ; la figure 4 est une vue de l'élément de renforcement en coupe transversale, selon une deuxième forme de réalisation ; la figure 5 est une vue en perspective d'une partie de l'élément de renforcement, selon une troisième forme de réalisation ; 3037852 5 la figure 6 est une vue de l'élément de renforcement de côté, selon cette troisième forme de réalisation ; et la figure 7 est une vue de l'élément de renforcement de côté selon une quatrième forme de réalisation, en cours de soudage sur une pièce à renforcer. 5 La figure 1 représente un élément de renforcement 1 sous forme d'un ruban, destiné, comme le montre la figure 3, à être thermosoudé par l'une de ses faces principales sur une pièce à renforcer 2, ce thermosoudage se faisant au moyen d'un laser de thermosoudage 3, à travers la paroi de l'élément 1. 10 L'élément 1 est en une matière composite comprenant des fibres de verre allongées 5 disposées selon sa longueur et une résine de liaison 6, liant ces fibres 5 entre elles. Sa face par laquelle cet élément 1 est destiné à être soudé est revêtue d'une couche 7 de résine thermoplastique de couleur noire. La résine de liaison 6 est une résine thermoplastique notamment du 15 PMMA, ayant un indice de réfraction identique, au millième près, à l'indice de réfraction des fibres de verre 5. La couche 7 est en résine thermoplastique et est de couleur noire de manière à absorber la lumière émise par le laser 3 lors du thermosoudage. L'élément 1 est fabriqué par pultrusion au moyen du dispositif 10 montré 20 sur la figure 2, lequel comprend plusieurs unités de traitement traversées par les fibres 5 ; ce dispositif comprend successivement : - un ensemble de bobines 11 dévidant les fibres 5 ; - un ensemble de galets 12 réunissant les fibres 5 sous la forme d'un faisceau ou d'un ensemble de fibres ; 25 - une unité 13 d'imprégnation des fibres par le sirop polymérisable, comprenant une chambre d'imprégnation 13a alimentée en résine par un conduit 13b ; - une unité 14 de co-extrusion de la couche 7 sur les fibres 5 ; - une unité chauffante de polymérisation 15, sous forme d'un tunnel 30 chauffant, réalisant une polymérisation au moins partielle du sirop polymérisable 6 formant la couche 7 ; - une unité 16 de calibrage de l'élément 1 ; et - une unité 17 de traction de l'élément 1, comprenant, dans l'exemple représenté, deux bandes sans fin motorisées portant contre cet élément 1. 303 785 2 6 Comme le montre la figure 3, l'assemblage de l'élément de renforcement 1 à la pièce 2 à renforcer est réalisé en plaçant l'élément 1 sur la pièce 2 puis en thermosoudant cet élément 1 à cette pièce 2 au moyen de la lumière 3a du laser 3, émise au travers de la paroi de l'élément 1. Cette lumière 3a amène la 5 couche 7 à son point de fusion, ce qui permet de réaliser le thermosoudage de l'élément 1 à la pièce 2. Le sirop polymérisable de faible viscosité 6 permet d'atteindre une imprégnation quasi-parfaite, au niveau microscopique, des fibres 5, de sorte que chaque fibre 5 est intimement et intégralement imprégnée de cette résine. 10 L'élément 1, en dehors de la couche 7, est ainsi réellement transparent à la lumière du laser 3, du fait de cette imprégnation intime et intégrale et du fait de l'identité des indices de réfraction des fibres 5 et de la résine 6. La figure 4 montre un élément de renforcement 1 formé de fibres 5 et de résine 6 telle que précitées. Par simplification, dans la suite de la description, 15 les parties ou éléments d'une forme de réalisation, qui se retrouvent de manière identique ou similaire dans une autre forme de réalisation, seront identifiés par les mêmes références numériques et ne seront pas à nouveau décrits. Dans ce cas, la couche 7 de couleur sombre est constituée par des fibres 7a de couleur sombre ou teintées en une couleur sombre, incluses dans 20 la structure de l'élément 1, au niveau de la ou desdites faces de cet élément destinées à être thermosoudées à la pièce 2 à renforcer. Les figures 5 et 6 montrent l'élément de renforcement 1 sous forme d'une résille, constitué par des superpositions de couches rubans 20 espacés, ces rubans 20 étant thermosoudés les uns aux autres au niveau de leurs zones de 25 contact. La figure 7 montre l'élément de renforcement 1 sous forme d'un profilé à section en oméga, dont les ailes latérales, destinées à être thermosoudées à la pièce 2 à renforcer, sont chacune revêtues de la couche 7. Deux lasers 3 émettent de la lumière 3a au travers de ces ailes. 30 Comme cela apparaît de ce qui précède, l'invention fournit un élément de renforcement destiné à être thermosoudé sur une pièce à renforcer, et un procédé d'obtention de cet élément, ayant des avantages déterminants, précités, par rapport aux procédés et dispositifs homologues de la technique antérieure. 3037852 7 L'invention a été décrite ci-dessus en référence à différentes formes de réalisation données à titre de purs exemples. Il va de soi qu'elle n'est pas limitée à ces formes de réalisation mais qu'elle s'étend à toutes les formes de réalisation couvertes par les revendications ci-annexées. 5 REVENDICATIONS1 - Procédé d'obtention d'un élément de renforcement (1) et d'assemblage de cet élément à une pièce (2) à renforcer, par thermosoudage, comprenant le fait de fabriquer l'élément de renforcement (1) par pultrusion 5 thermoplastique, c'est-à-dire avec une étape d'imprégnation de fibres allongées (5) par une résine thermoplastique fondue (6) ou par un sirop thermoplastique polymérisable (6), réalisée par tirage d'un ensemble de ces fibres (5) au travers d'une unité d'imprégnation (13), et une étape de calibration obtenue soit par polymérisation du sirop polymérisable (6), réalisée par tirage de cet ensemble 10 de fibres (5) au travers d'une unité chauffante (15) de polymérisation de ce sirop soit par consolidation de la résine thermoplastique fondue réalisée par tirage de cet ensemble de fibres (5) au travers d'une unité de calibrage refroidissante (15) ; caractérisé en ce que : 15 - ladite résine thermoplastique(6) ou ledit sirop polymérisable (6) présente un indice de réfraction identique à l'indice de réfraction des fibres (5) utilisées pour fabriquer l'élément de renforcement (1) ; - le procédé comprend l'étape consistant à aménager, au niveau de chaque face de l'élément de renforcement (1) destinée à être thermosoudée à 20 la pièce (2) à renforcer, une couche (7) de couleur sombre, comprenant de la résine thermoplastique, apte à absorber la lumière (3a) émise par un laser (3) de thermosoudage ; et - le procédé comprend l'étape consistant à émettre de la lumière (3a) au moyen dudit laser (3) de thermosoudage vers chaque face de l'élément de 25 renforcement (1) destinée à être thermosoudée à la pièce (2) à renforcer, de manière à réaliser la fusion de la résine thermoplastique que comprend ladite couche (7) de couleur sombre, afin de réaliser la thermosoudure de l'élément de renforcement (1) à la pièce (2) à renforcer. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sirop 30 polymérisable contient des monomères et/ou des oligomères et/ou des polymères solubilisés, polymérisables sous l'action d'un catalyseur et/ou d'un activateur de manière à permettre la polymérisation de ce sirop dans ladite unité chauffante de polymérisation (15), totalement ou au moins en majeure partie. 3037852 9 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche (7) de couleur sombre est de couleur noire. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'aménagement de la couche (7) de couleur sombre est réalisé par co-extrusion d'une couche (7) en résine thermoplastique sur la ou lesdites faces destinées à être thermosoudées 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'aménagement de la couche (7) absorbante est réalisé par utilisation, au sein dudit ensemble de fibres (5), de fibres (7a) de couleur sombre ou teintées en une couleur sombre, incluses dans la structure de l'élément de renforcement (1), au niveau de la ou desdites faces de cet élément destinées à être thermosoudées à la pièce (2) à renforcer. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les fibres (7a) de couleur sombre sont des fibres de carbone ou de basalte ou de verre dont l'ensimage est teinté en noir. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant : - à placer l'élément de renforcement (1) sur la pièce (2) à renforcer, et à réaliser le thermosoudage de cet élément par émission de la lumière (3a) du laser (3) au travers de la paroi de l'élément (1).