Brevet FR3071186A1 — publié le 20190322

[001] L'invention concerne un procédé d'assemblage de deux pièces en matériau thermoplastique, destinées plus particulièrement à former un élément de carrosserie de véhicule automobile. De manière connue, on utilise une technique de soudure par vibration. Une première pièce est munie d'éléments saillants, autrement désignés directeurs d'énergie, et destinés à venir en contact avec la deuxième pièce. Les deux pièces sont mises en pression l'une contre l'autre de sorte que les directeurs d'énergie de la première pièce sont en contact avec la surface de la deuxième pièce. On fait alors vibrer les pièces l'une par rapport à l'autre selon une direction principale, de sorte que les frottements des directeurs d'énergie de la première pièce sur la surface de la deuxième pièce entrainent une élévation de température suffisante pour mettre en fusion le matériau formant les directeurs d'énergie de la première pièce et la surface de la deuxième pièce en contact avec ces derniers et pour réaliser la soudure des pièces. [002] La mise en vibration des pièces peut être réalisée par des moyens électromagnétiques agissant sur un des châssis supportant une des deux pièces et servant de support de positionnement. De manière équivalente on peut également utiliser des ultrasons agissant sur des sonotrodes appliqués localement sur une des deux pièces pour mettre en vibration une pièce par rapport à l'autre. [003] En raison de temps de cycles relativement courts, de l'ordre d'une dizaine de secondes, cette technologie présente un avantage économique certain. [4] Toutefois, si la soudure par ultrason convient pour des pièces de petite taille, sa mise en oeuvre devient plus complexe lorsque l'on cherche à fixer des pièces de grande dimension telles que des éléments de carrosserie. En effet, en raison de la plus grande flexibilité des pièces il devient difficile de contrôler la mise en fusion de tous les directeurs d'énergie répartis sur l'ensemble de la surface et on observe alors une perte de résistance des soudures. Pour combattre ces effets, l'homme du métier est conduit à augmenter le nombre de directeurs d'énergie. [5] De plus, l'utilisation de certains matériaux thermoplastiques tels que du polypropylène chargé en talc, ne favorise pas la réalisation de soudures de qualité. [6] Le procédé selon l'invention a pour objet de fournir une solution à ce problème. [007] Ce procédé d'assemblage d'une première et d'une deuxième pièce formées d'un matériau thermoplastique, prévoit qu'une première pièce comporte des directeurs 2 d'énergie et comporte les étapes au cours desquelles : - on met les deux pièces en pression l'une contre l'autre de sorte que les directeurs d'énergie de la première pièce sont en contact avec la surface de la deuxième pièce 5 on fait vibrer les pièces l'une par rapport à l'autre selon une direction principale, de sorte que les frottements des directeurs d'énergie de la première pièce sur la surface de la deuxième pièce entrainent une élévation de température suffisante pour mettre en fusion le matériau formant les directeurs d'énergie de la première pièce et la surface de la deuxième pièce en contact avec ces derniers et pour réaliser la soudure 10 des pièces. [8] Ce procédé se caractérise en ce que, préalablement à la mise en pression des pièces l'une contre l'autre, on dépose au moins un cordon de colle sur une des deux pièces de sorte que, après la mise en pression des deux pièces l'une contre l'autre, les faces opposées l'une à l'autre de chacune des pièces sont mises en contact avec ledit 15 cordon de colle. [9] Ainsi, après polymérisation de la colle, les deux pièces sont maintenues en contact l'une avec l'autre principalement par la colle. Les soudures réalisées par vibration lors du procédé d'assemblage viennent utilement renforcer la liaison entre les deux pièces. 20 [0010] Ce procédé permet également de positionner les deux pièces l'une par rapport à l'autre dans le temps de cycle, très court, nécessaire à la mise en fusion des surfaces des deux pièces, et de réaliser la polymérisation de la colle pendant un temps plus long sans immobiliser les moyens d'assemblage. [0011] Il devient également possible de réduire le nombre de directeurs d'énergie au 25 nombre juste suffisant pour assurer le maintien des pièces, le temps de la prise complète de la colle. [0012] De plus, contrairement aux idées reçues, les propriétés de la colle ne sont pas dégradées par les vibrations si la mise en vibration des pièces est réalisée dans un temps très court suivant le dépôt du cordon de colle, lorsque la colle est encore suffisamment 30 fluide et élastique pour que les chaines chimiques en cours de formation ne soient pas rompues par effet de cisaillement. [0013] Enfin, dans certaines configurations, on peut utilement tirer parti de l'apport d'énergie calorifique engendré par la mise en fusion des pièces au niveau des points de contact formés par les directeurs d'énergie, pour initier l'opération de polymérisation de la 3 colle. [0014] Le dispositif selon l'invention peut aussi comprendre isolément, ou en combinaison, les caractéristiques suivantes : 5 - On réalise la soudure des pièces par vibration moins de 3 minutes après avoir déposé le cordon de colle. - Après avoir réalisé la soudure des pièces par vibration on polymérise la colle en laissant les deux pièces exposées à l'environnement ambiant pendant une durée déterminée. 10 - la quantité de chaleur engendrée pendant l'opération de soudure des pièces est suffisante pour initier la réaction de polymérisation de la colle. - Après avoir réalisé la soudure des pièces par vibration on polymérise la colle en élevant la température des deux pièces pendant une durée déterminée. - On utilise une colle réticulable, préférentiellement de type bi-composant. 15 - On utilise une colle bi-composant de type polyuréthane, époxy ou méthacrylate. On dépose le cordon de colle à une distance déterminée d'un directeur d'énergie de sorte que, après la mise en pression des deux pièces l'une contre l'autre, la colle se répartit librement entre les deux pièces sans venir en contact avec ledit directeur d'énergie. 20 - On dépose la colle sur la tête d'un directeur d'énergie de sorte que, après la mise en pression des deux pièces l'une contre l'autre, la colle se répartit de part et d'autre dudit directeur d'énergie. - Les directeurs d'énergie sont formés par des cloisons, continues ou discontinues, alignées selon la direction principale et forment des rangées séparées d'une distance 25 (d 1 ) donnée. - On dépose le cordon de colle entre deux rangées de directeurs d'énergie, de sorte que, après la mise en pression des deux pièces l'une contre l'autre, la colle se répartit dans tout ou partie de l'espace compris entre les deux rangées de cloisons. - On dépose le cordon de colle de sorte que la colle se répartit également à 30 l'extérieur de l'espace compris entre les deux rangées de cloisons. - Les directeurs d'énergie sont emprisonnés dans le cordon de colle. - La première pièce et la deuxième pièce sont formées de matériaux thermo-fusibles compatibles comprenant les matériaux suivants : o Polypropylène (PP) éventuellement renforcé par des fibres de verre (de type 4 PPGFL) ou chargé en talc, o l'Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS). [0015] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description et des figures 5 annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : - La figure 1 représente un renfort d'un élément de carrosserie vu de face. - La figure 2 représente une vue schématique en coupe des deux pièces après le dépôt du cordon de colle et avant la mise en pression des deux pièces l'une contre 10 l'autre, selon une première alternative de réalisation. - La figure 3 représente les pièces de la figure 2 après l'étape de soudure par vibration (coupe selon A-A). La figure 4 représente une vue schématique en coupe (selon A-A) de l'assemblage des deux pièces, selon une seconde alternative de mise en oeuvre du 15 procédé - La figure 5 représente une vue schématique en coupe (selon A-A), de l'assemblage des deux pièces, selon une troisième alternative de mise en oeuvre du procédé. 20 [0016] La figure 1 illustre un renfort d'un élément de carrosserie de véhicule formée de la superposition après assemblage, d'une première pièce 1, dans le cas d'espèce d'un renfort intérieur, et d'une deuxième pièce 2, dans le cas d'espèce une peau extérieure. [0017] Ces deux pièces sont assemblées à l'aide d'un moyen de soudure par vibration mettant en contact des directeurs d'énergie 11 (visualisés par des traits 25 horizontaux apparaissant sous la deuxième pièce 2), disposés sur la surface 10 du renfort extérieur 1, avec la surface 20 de la peau extérieure 2, faisant face au renfort intérieur 1. La forme et la disposition des directeurs d'énergie 11 est déterminée par les caractéristiques des pièces à souder. [0018] Dans l'exemple servant de support à la figure 1, les directeurs d'énergie 11 30 sont formés par des cloisons disposées en rangées, orientées selon une direction principale XX', et distantes l'une de l'autre d'une valeur dl. Cet arrangement particulier et non limitatif, confère aux directeurs d'énergie 11 une résistance mécanique dans la direction XX', et permet de limiter leur dimensionnement au strict nécessaire. La distance dl entre deux rangées peut varier d'une dizaine de millimètres à quelques centimètres. 5 [0019] Des moyens mécaniques (non représentés) assurent le maintien relatif, la mise en pression des deux pièces l'une contre l'autre lors de l'opération de vibrage proprement dite, ainsi que la mise en mouvement alternatif relatif selon la direction XX' des deux pièces l'une par rapport à l'autre. 5 [0020] Le mouvement mécanique des pièces est assuré préférentiellement par des électroaimants ou, alternativement par des sonotrodes disposés localement et mis en mouvement par des ultrasons. Ces sonotrodes permettent de s'affranchir des contraintes de conception liées à la forme et à la position des directeurs d'énergie. En effet, la sonotrode forme les accroches en échauffant et en déformant localement la matière du 10 renfort intérieur 1 vers la peau extérieure 2. [0021] La figure 2 est une vue en coupe des deux pièces selon A-A. [0022] La pièce de renfort intérieur 1 (première pièce) est formée d'un matériau compatible, et préférentiellement de même nature, avec le matériau formant la peau extérieure 1. L'épaisseur e2 de la pièce de renfort est de l'ordre de 2, 5 mm. 15 [0023] La peau extérieure 2 (deuxième pièce) est formée d'un matériau thermo- fusible tel que du Polypropylène (P P), éventuellement renforcé par des fibres de verre (de type PPGFL) ou chargé en talc, ou encore de l'Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS). L'épaisseur de la peau est de l'ordre de 4 mm. [0024] On entend ici par compatible, la capacité des deux matériaux à former une 20 soudure résistante après à avoir été porté l'un et l'autre à leur température de fusion. Cela sous-entend que ces températures de fusion sont voisines l'une de l'autre de quelques degrés Celsius seulement. [0025] Les directeurs d'énergie 11, selon la forme de mise en oeuvre de l'invention illustrée aux figures 1 et 2, ont une épaisseur e3 de l'ordre de 0,7 mm à 0,8 mm et une 25 hauteur hl, avant l'opération de vibration, de l'ordre de 1,8 mm à 2 mm. [0026] Les conditions opératoires pour engendrer la mise en fusion localisée des pièces thermoplastiques couramment utilisés dans l'industrie automobile, et dans le cas particulier servant de support à la présente description sont les suivantes : la pression d'application des pièces l'une contre l'autre est de l'ordre de 0,1 MPa à 0,5 MPa, et la 30 mise en vibrations des pièces l'une par rapport à l'autre est réalisée à une fréquence de l'ordre de 250 Hz, sur une amplitude d'environ 0,8 mm à 1 mm, pendant une durée de l'ordre de 10 secondes. [0027] Une fois la soudure réalisée, la position des deux pièces l'une par rapport à l'autre est figée. 6 [0028] La figure 3 illustre les positions respectives des deux pièces après soudure. On observe que la hauteur des directeurs d'énergie 11 a été réduite, et que la distance h2 entre les faces 10 et 20 des deux pièces 1 et 2 n'est plus que de l'ordre de 1 mm. [0029] La première alternative de réalisation de l'invention illustrée à la figure 2 5 prévoit de déposer un cordon de colle 3 dans l'espace 12 compris entre deux rangées de cloisons 11 disposées sur la première pièce 1, et éloignées l'une de l'autre d'une distance cl, de l'ordre de 10mm. Préférentiellement, le volume de colle est ajusté pour remplir en totalité l'espace 12 compris entre les deux rangées de cloisons 21. [0030] Lors de la mise en pression des deux pièces l'une contre l'autre, la face 20 de 10 la deuxième pièce 2 repousse la colle 3 disposée au-delà de la hauteur hl, et force cette dernière à s'étaler latéralement. Les excédents de colle peuvent alors s'échapper par des interruptions 13 aménagées dans une rangée de cloisons ou, comme cela est illustré à la figure 3, on peut prévoir un volume de colle excédentaire de sorte que la colle déborde par-dessus la cloison 11 et occupe l'espace situé à l'extérieur de l'espace 12. 15 [0031] La figure 4 illustre une seconde alternative de réalisation, dans laquelle on dépose le cordon de colle directement sur la tête 110 du directeur d'énergie 11, de sorte que, après la mise en pression des deux pièces 1 et 2 l'une contre l'autre, la colle 3 se répartit de part et d'autre du directeur d'énergie 11 et enserre ce dernier. Dans le but de renforcer la soudure par vibration, on peut s'arranger, lors de cette opération, pour faire 20 en sorte que, au moment de la mise en pression des pièces l'une contre l'autre, la colle se répartit de part et d'autre dudit directeur d'énergie de telle façon que le moins de colle possible demeure à l'interface entre la tête du directeur d'énergie et la face de l'autre pièce. [0032] Dans les deux alternatives de réalisation décrites ci-dessus, les parois des 25 directeurs d'énergie sont emprisonnées dans le cordon de colle, ce qui a pour effet de renforcer la résistance mécanique du cordon de colle, et de la liaison entre les deux pièces 1 et 2. De plus, comme on le verra par la suite, la chaleur engendrée lors de la réalisation de la soudure est mieux répartie au sein du cordon de colle avec pour effet d'accélérer la réticulation de la colle. 30 [0033] La troisième alternative de réalisation, illustrée à la figure 5 prévoit, de déposer la colle à une distance suffisante des directeurs d'énergie 11, de sorte que, lors de la mise en pression des deux pièces 1 et 2 l'une contre l'autre, la colle 3 se répartit librement entre les faces 10 et 20 de chacune des pièces sans venir en contact avec un directeur d'énergie 11. 7 [0034] Indépendamment des alternatives de réalisation exposées ci-dessus, on choisira une colle compatible avec les matériaux formant les pièces 1 et 2. [0035] De préférence, on choisira une colle ou un polymère, réticulable, bi- composant de préférence thermo activable, et éventuellement ré activable à la chaleur, 5 permettant d'obtenir de bons résultats en termes de résistance mécanique et de tenue dans le temps. [0036] La polymérisation de la colle peut se faire en laissant les deux pièces, une fois soudées par vibration, exposées à l'environnement ambiant pendant une durée déterminée. Le catalyseur contenu dans un des deux composants permet de conférer à la 10 colle ses propriétés définitives et de joindre les deux pièces de manière robuste. [0037] On observera ici que, pendant la polymérisation de la colle, les deux pièces peuvent être manipulées sans altérer la qualité de la liaison, en raison de la présence des soudures formées au niveau des directeurs d'énergie. La colle peut ainsi polymériser durant une durée plus longue, sans immobiliser l'installation d'assemblage. 15 [0038] Les calories engendrées pendant l'opération de soudure peuvent servir à accélérer l'initiation de la réaction de réticulation. Cet avantage ne peut pas être obtenu lorsque l'on choisit la troisième alternative de réalisation de l'invention (Figure 5). [0039] Si un apport de chaleur s'avérait nécessaire, il est possible de disposer les deux pièces dans une enceinte chauffée pendant une durée déterminée pour achever la 20 polymérisation de la colle. Alternativement, il également possible d'utiliser des moyens de chauffage directionnels agissant sur des surfaces réduites et localisées, tels que des moyens infrarouges ou de l'air chaud pulsé de manière à réduire les déformations thermiques des pièces et à limiter la consommation d'énergie. [0040] Des colles bi-composant de type polyuréthane, époxy ou méthacrylate 25 donnent à cet égard de bons résultats [0041] On peut également utiliser une colle mono-composant dont la polymérisation est assurée par le contact avec l'humidité contenue dans l'air ambiant. Dans ce contexte, on évitera de choisir le premier mode de réalisation de l'invention dans lequel la colle est emprisonnée entre les deux rangées de cloisons et reste isolée du contact avec l'air 30 ambiant. Le troisième mode de réalisation de l'invention semble alors préférable. [0042] Enfin, bien que leur tenue mécanique soit moindre, des colles de type hotmelt ou hotmelt réactives peuvent également convenir. [0043] Dans tous les cas, il convient de vérifier que l'opération de vibrage est réalisée lorsque la colle est encore suffisamment fluide. Ces conditions optimales sont 8 généralement obtenues lorsque l'opération de vibrage est réalisé moins de trois minutes après avoir déposé le cordon de colle. [0044] Les alternatives de mise en oeuvre de l'invention décrites ci-dessus n'ont aucun caractère limitatif et peuvent faire l'objet de variantes, sans se départir de l'objet de 5 l'invention tel que revendiqué. 9 NOMENCLATURE 1 Renfort intérieur (première pièce). 10 Face du renfort intérieur supportant les directeurs d'énergie. 5 110 Tête du directeur d'énergie. 11 Directeur d'énergie formant des cloisons disposées en rangées. 12 Espace entre deux rangées de cloisons. 13 Interruptions des cloisons. 2 Peau extérieure (deuxième pièce). 10 20 Face de la peau extérieure venant en contact avec les directeurs d'énergie. 3 Cordon de colle. )0(' Direction principale. hl Hauteur d'un directeur d'énergie avant vibrage. h2 Hauteur de l'espace résiduel entre la peau extérieure et le renfort intérieur après 15 vibrage. el Epaisseur du renfort intérieur (première pièce). e2 Epaisseur de la peau extérieure (deuxième pièce). e3 Epaisseur d'un directeur d'énergie. Distance entre deux directeur d'énergie. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage d'une première pièce (1) et d'une deuxième pièce (2), formées d'un matériau thermoplastique, et destinées équiper un véhicule automobile, dans lequel la première pièce (1) comporte des directeurs d'énergie (11), et dans lequel on réalise les étapes au cours desquelles : - on met les deux pièces (1, 2) en pression l'une contre l'autre de sorte que les directeurs d'énergie (11) de la première pièce (1) sont en contact avec la surface (20) de la deuxième pièce (2), - on fait vibrer les pièces (1, 2) l'une par rapport à l'autre selon une direction principale (X('), de sorte que les frottements des directeurs d'énergie (11) de la première pièce (1) sur la surface (20) de la deuxième pièce (2) entrainent une élévation de température suffisante pour mettre en fusion le matériau formant les directeurs d'énergie (11) de la première pièce (1) et la surface (20) de la deuxième pièce (2) en contact avec ces derniers et pour réaliser la soudure des pièces (1, 2), caractérisé en ce que, préalablement à la mise en pression des pièces (1, 2) l'une contre l'autre, on dépose au moins un cordon de colle (3) sur une des deux pièces de sorte que, après la mise en pression des deux pièces (1, 2) l'une contre l'autre, les faces opposées (10, 20 20) l'une à l'autre de chacune des pièces sont mises en contact avec ledit cordon (3). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on réalise la soudure des pièces par vibration moins de 3 minutes après avoir déposé le cordon de colle. 3. Procédé d'assemblage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel, après avoir réalisé la soudure des pièces (1, 2) par vibration on polymérise la colle (3) en 25 laissant les deux pièces exposées (1, 2) à l'environnement ambiant pendant une durée déterminée. 4. Procédé d'assemblage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la quantité de chaleur engendrée pendant l'opération de soudure des pièces (1, 2) est suffisante pour initier la réaction de polymérisation de la colle (3). 30 5. Procédé d'assemblage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel, après avoir réalisé la soudure des pièces (1, 2) par vibration on polymérise la colle (3) en élevant la température des deux pièces (1, 2) pendant une durée déterminée. 6. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on utilise une colle (3) réticulable, préférentiellement de type bi-composant. 11 7. Procédé d'assemblage selon la revendication 5, dans lequel on utilise une colle (3) bicomposant de type polyuréthane, époxy ou méthacrylate. 8. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on dépose le cordon de colle (3) à une distance déterminée d'un directeur d'énergie (11) de 5 sorte que, après la mise en pression des deux pièces (1, 2) l'une contre l'autre, la colle se répartit librement entre les deux pièces (1, 2) sans venir en contact avec ledit directeur d'énergie (11). 9. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on dépose la colle (3) sur la tête (110) d'un directeur d'énergie (11) de sorte que, après la 10 mise en pression des deux pièces (1, 2) l'une contre l'autre, la colle (3) se répartit de part et d'autre dudit directeur d'énergie.(11) 10. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les directeurs d'énergie (11) sont formés par des cloisons, continues ou discontinues, alignées selon la direction principale ()0(') et forment des rangées séparées d'une distance 15 (di) donnée. 11. Procédé d'assemblage selon la revendication 10, dans lequel on dépose le cordon de colle (3) entre deux rangées de directeurs d'énergie (11), de sorte que, après la mise en pression des deux pièces (1, 2) l'une contre l'autre, la colle (3) se répartit dans tout ou partie de l'espace (12) compris entre les deux rangées de cloisons. 12. Procédé d'assemblage selon la revendication 11, dans lequel on dépose le cordon de colle (3) de sorte que la colle se répartit également à l'extérieur de l'espace (12) compris entre les deux rangées de cloisons. 13. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel les directeurs d'énergie (11) sont emprisonnés dans le cordon de colle (3). 14. Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première pièce (1) et la deuxième pièce (2) sont formées de matériaux thermofusibles compatibles comprenant les matériaux suivants : - Polypropylène (PP) éventuellement renforcé par des fibres de verre (de type PPGFL) ou chargé en talc, - l'Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS).