Brevet FR3084012A1 — publié le 20200124

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau métallique renforcé par un composite à matrice organique. L'invention concerne également un procédé d'obtention d'une pièce structurelle dans un matériau issu d'un tel procédé de fabrication. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Avec l'augmentation de leurs dimensions et du nombre d'équipements dont ils sont pourvus, les véhicules ont vu leur poids croître. Or, 75 % de la consommation de carburant est aujourd'hui directement liée à la masse du véhicule. L'allègement des véhicules est donc devenu un objectif incontournable pour tous les constructeurs automobiles, notamment depuis que la règlementation les y pousse. Des normes environnementales exigent en effet la réduction des émissions de polluants, notamment de dioxyde de carbone (002). La structure d'un véhicule, appelée aussi caisse en blanc, est aujourd'hui majoritairement constituée d'acier. Bien que les propriétés mécaniques de l'acier aient évolué, sa densité particulièrement élevée (de l'ordre de 7,8) reste un obstacle majeur à l'allègement de la structure. Réduire le poids de la caisse en blanc passe donc nécessairement par l'introduction de matériaux plus légers et en particulier de composites dont la densité peut être jusqu'à sensiblement cinq fois inférieure à celle de l'acier. Une solution consiste à utiliser, dans les zones les plus sollicitées de la structure, des patchs composites à matrice organique. Ces patchs peuvent être collés, rivetés ou vissés sur la pièce structurelle, une fois celle-ci en forme, pour former des renforts locaux et ainsi se substituer à une augmentation d'épaisseur de la pièce structurelle sur laquelle ils sont fixés. Toutefois, cette technique nécessite l'investissement d'outillages spécifiques dédiés à la 2 réalisation de ces renforts. La fabrication de patchs composites peut dès lors s'avérer extrêmement coûteuse, réservant ainsi leur utilisation aux véhicules haut de gamme. 5 Qui plus est, les patchs composites représentent des pièces supplémentaires à fixer sur la structure, ce qui engendre une augmentation du temps d'assemblage et donc du coût du véhicule. OBJET DE L'INVENTION 10 L'invention a donc pour objet de proposer un procédé de fabrication de pièces structurelles dans un matériau métallique renforcé qui obvie au moins en partie aux inconvénients précités. PRESENTATION DE L'INVENTION 15 A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'un matériau métallique renforcé par un composite à matrice organique. Le procédé comporte les étapes de : - recouvrir de renforts fibreux la surface 20 supérieure d'une feuille métallique, - déposer une résine thermoplastique liquide sur la surface supérieure de la feuille métallique de façon à noyer les renforts fibreux dans ladite résine pour former un composite à matrice organique, et 25 - chauffer le composite jusqu'à une température prédéterminée pour polymériser la résine sous l'effet d'un catalyseur avant d'exercer une pression sur le composite en direction de la feuille métallique pour adhérer ledit composite à ladite feuille métallique. 30 L'élaboration du composite est ainsi effectuée directement sur la feuille métallique, ce qui permet de diminuer le temps nécessaire à la fabrication du matériau renforcé, mais aussi d'en minimiser les outils nécessaires. 3 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la résine recouvre totalement la surface supérieure de la feuille métallique. Selon un autre mode de réalisation de 5 l'invention, la résine recouvre partiellement la surface supérieure de la feuille métallique. De manière particulière, la résine recouvre partiellement la surface supérieure de la feuille métallique dans le sens de la longueur de ladite feuille. 10 Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la feuille métallique est obtenue par découpage d'une bande déroulée d'une bobine. Le matériau peut ainsi être réalisé de façon industrielle et continue, c'est-à-dire en étant plus 15 particulièrement compatible avec les cadences de production de l'industrie automobile. Selon une caractéristique particulière, les renforts fibreux comportent des fibres de carbone et/ou des fibres de verre. 20 De par leur flexibilité et leur résistance élevée à la traction et à la compression, les fibres de carbone, et les fibres de verre permettent d'obtenir un composite ayant de bonnes propriétés mécaniques tout en étant nettement plus léger que le métal correspondant. 25 Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les renforts fibreux sont issus d'un rouleau de distribution de fibres de verre et/ou de fibres de carbone. Les fibres peuvent ainsi être distribuées de 30 façon industrielle et continue, c'est-à-dire en étant plus particulièrement compatible avec les cadences de production de l'industrie automobile. L'invention concerne également un procédé d'obtention d'une pièce structurelle dans un matériau 35 métallique renforcé issu d'un tel procédé de fabrication. 4 Selon l'invention, le procédé comporte les étapes supplémentaires de : - découper une portion de matériau métallique renforcé à des dimensions prédéfinies correspondant 5 sensiblement à celles de la pièce structurelle, - chauffer la portion découpée jusqu'à une température prédéterminée, puis - estamper la portion chauffée pour obtenir la forme de la pièce structurelle. 10 DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées parmi lesquelles : 15 - la figure 1 représente schématiquement un procédé de fabrication d'un matériau métallique renforcé selon un mode de réalisation particulier de l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'un matériau issu du procédé illustré à la figure 1, 20 - la figure 3 représente schématiquement le procédé d'obtention d'une pièce structurelle dans le matériau illustré à la figure 2, - la figure 4 est une vue en perspective d'une pièce structurelle obtenue dans le matériau illustré à la 25 figure 2. - la figure 5 est une vue en perspective d'une pièce structurelle obtenue dans une variante du matériau illustré à la figure 2. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION 30 PARTICULIER DE L'INVENTION En référence à la figure 1, une bobine 1 d'une bande de métal est montée mobile en rotation autour d'un axe Y1 orthogonal au plan de ladite figure. Le dévidement de la bobine s'opère suivant un axe X1 horizontal pour 35 dérouler la bande suivant le même axe X1 pour former une 5 feuille métallique 1.1. L'axe Y1 de rotation de la bobine 1 est orthogonal à l'axe X1 de déroulement de la bande. De la même manière, un rouleau de distribution 2 de renforts fibreux 2.1 est monté mobile en rotation 5 autour d'un axe Y2 orthogonal au plan de la figure 1. L'axe Y2 de rotation du rouleau de distribution 2 est parallèle à l'axe Y1 de rotation de la bobine 1. Le déroulement des renforts fibreux 2.1 s'opère, en sortie du rouleau de distribution 2, suivant un axe X2 formant 10 un angle a avec l'axe X1 de dévidement de la bobine 1. L'angle a est ici sensiblement égal à 50 degrés. Les renforts fibreux comportent par exemple des fibres de carbone et/ou des fibres de verre. La feuille métallique 1.1 et les renforts fibreux 15 2.2 se rejoignent alors pour passer ensemble entre un premier cylindre 3.1 et un deuxième cylindre 3.2 destinés à guider le déroulement de la bobine 1 et la distribution des renforts fibreux 2.1 suivant l'axe Xl. Les premier et deuxième cylindres 3.1, 3.2 de 20 guidage sont agencés l'un au-dessus de l'autre et sont montés libres en rotation autour d'axes parallèles à l'axe Y1 de rotation de la bobine 1 et de l'axe Y2 de rotation du rouleau de distribution 2. La feuille métallique 1.1 et les renforts fibreux 2.1 sont 25 respectivement en contact avec le premier cylindre 3.1 et le deuxième cylindre 3.2 de guidage. Les renforts fibreux 2.1 recouvrent ainsi, en sortie des cylindres 3.1, 3.2 de guidage, au moins une partie d'une surface supérieure de la feuille métallique 1.1. 30 Il est à noter que les vitesses de rotation de la bobine 1 et du rouleau de distribution 2 sont coordonnées de façon à ce que la distribution des renforts fibreux en sortie des cylindres de guidages 3.1, 3.2 soit synchronisée avec le déroulement de la feuille métallique 35 1.1 suivant Xl. 6 Un distributeur 4 d'une résine 5 thermoplastique liquide est agencé en sortie des cylindres 3.1, 3.2 de guidage. La résine 5 est déposée par gravité sur la surface supérieure de la feuille métallique 1.1 de façon 5 à imprégner les renforts fibreux 2.1 de ladite résine 5. Les renforts fibreux 2.1 et la résine 5 forment alors un composite à matrice organique. La résine 5 est par exemple de la résine Elium® de la société ARKEMA. Comme illustré à la figure 2, les renforts 10 fibreux 2.1 forment ici un quadrillage et ne recouvrent, avec la résine 5, que partiellement la surface supérieure de la feuille métallique 1.1. Le composite forme ainsi une bande s'étendant sensiblement au centre et dans le sens de la longueur de la dite feuille 1.1. Comme nous le 15 verrons plus tard, un recouvrement total de la surface supérieure de la feuille métallique 1.1 par le composite est aussi envisageable, tout comme un recouvrement partiel dans le sens de la largueur. A la suite du distributeur 4 de résine 5 sont 20 agencés des moyens de chauffe 6 pour chauffer le composite jusqu'à une température prédéterminée pour polymériser la résine 5 sous l'effet d'un catalyseur. La température prédéterminée pour la polymérisation de la résine 5 est de préférence comprise entre 50 et 180 25 degrés Celsius (°C). Les moyens de chauffe 6 peuvent par exemple être de type infrarouge, à air pulsé, voire par induction de la feuille métallique 1.1. La tenue horizontale de la feuille métallique 1.1 et du composite est assurée par des cylindres 7 de convoyage disposés 30 notamment en dessous des moyens de chauffe 6. Avant la fin de la polymérisation de la résine 5, l'ensemble feuille métallique/composite passent ensuite entre des cylindres 8 de compactage et d'imprégnation. Les cylindres 8 exercent notamment une pression sur le 35 composite en direction de la feuille métallique 1.1 pour 7 lier ledit composite à ladite feuille métallique et ainsi former un matériau métallique renforcé par un composite à matrice organique. Le matériau se présente alors sous forme d'une bande de largeur sensiblement égale à celle 5 de la feuille métallique 1.1. Avantageusement, la surface supérieure de la feuille métallique 1.1 a préalablement subi une opération de préparation de surface P permettant d'améliorer l'adhérence entre la résine 5 en phase de polymérisation 10 et la surface supérieure de la feuille métallique 1.1. L'opération de préparation de surface P peut par exemple être réalisée par laser, par abrasion mécanique ou par traitement chimique. Un outil de découpe 9 permet de découper une 15 portion 10 dudit matériau à des dimensions prédéfinies correspondant sensiblement à celles d'une pièce structurelle 11. Comme illustré à la figure 3, l'outil de coupe 9 permet par exemple de définir une longueur L de la portion 10 de matériau et de créer des évidements 10.1 20 latéraux dans des zones non recouvertes par le composite. La largeur 1 de la portion 10 est ici sensiblement égale à celle de la feuille métallique 1.1. Par la suite, la portion 10 découpée est chauffée jusqu'à une température prédéfinie par l'intermédiaire 25 d'un système de chauffage 12 (figure 3). Le réchauffement de la portion 10 découpée permet d'en préparer son estampage sans risquer l'apparition de zones de fatigue voire de rupture du matériau. La température prédéfinie de chauffage dépend des qualités intrinsèques du 30 composite et est de préférence comprise entre 150°C et 350°C. La portion 10 chauffée est ainsi insérée entre une matrice 13.1 et un poinçon 13.2 permettant de donner à ladite portion 10 la forme de la pièce structurelle 11. 35 A titre d'exemple, la pièce structurelle 11 a ici une 8 forme de tunnel dont des extrémités latérales 11.1 ne sont pas recouvertes de composite. Les extrémités latérales 11.1 peuvent avantageusement servir de zones de fixation par soudure de la pièce structurelle 11 sur un 5 ou des éléments métalliques que ladite pièce structurelle 11 viendra chevaucher. La figure 5 illustre une pièce structurelle 11' de forme similaire à la pièce structurelle 11 précédemment décrite. La différence réside notamment dans 10 le fait que la pièce structurelle 11' est issu d'un matériau dans lequel le composite recouvre la totalité de la feuille métallique 1.1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante 15 entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. Bien qu'ici les renforts fibreux comportent des fibres de carbone et/ou de verre, ils peuvent aussi comporter d'autres types de fibres comme par exemple des 20 fibres végétales, des fibres d'aramide ou de polypropylène_ REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un matériau métallique renforcé par un composite à matrice organique, le procédé comportant les étapes de : - recouvrir de renforts fibreux (2.1) la surface supérieure d'une feuille métallique (1.1), - déposer une résine (5) thermoplastique liquide sur la surface supérieure de la feuille métallique de façon à noyer les renforts fibreux (2.1) dans ladite résine (5) pour former un composite à matrice organique, et - chauffer le composite jusqu'à une température prédéterminée pour polymériser la résine (5) sous l'effet d'un catalyseur avant d'exercer une pression sur le composite en direction de la feuille métallique (1.1) pour adhérer ledit composite à ladite feuille métallique (1.1). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la surface supérieure de la feuille métallique (1.1) a préalablement subi une opération de préparation de surface (P) permettant d'améliorer l'adhérence entre la résine (5) et la surface supérieure de la feuille métallique (1.1). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la résine (5) recouvre totalement la surface supérieure de la feuille métallique (1.1). 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la résine (5) recouvre partiellement la surface supérieure de la feuille métallique (1.1). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la résine (5) recouvre partiellement la surface supérieure de la feuille métallique 10 (1.1) dans le sens de la longueur de ladite feuille. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la feuille métallique (1.1) est issue 5 d'une bande déroulée depuis une bobine (1). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les renforts fibreux (2.1) comportent des fibres de carbone et/ou des fibres de verre. 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les renforts fibreux (2.1) sont issus d'un rouleau de distribution (2) de fibres de verre et/ou de fibres de carbone ou d'aramide. 15 9. Procédé d'obtention d'une pièce structurelle dans un matériau métallique renforcé issu du procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant les étapes supplémentaires de : 20 - découper une portion (10) de matériau métallique renforcé à des dimensions prédéfinies correspondant sensiblement à celles de la pièce structurelle (11), - chauffer la portion (10) découpée jusqu'à 25 une température prédéterminée, puis - estamper la portion chauffée pour obtenir la forme de la pièce structurelle (11).