Brevet FR3094667A1 — publié le 20201009

Description Titre de l'invention : Méthode d'assemblage de pièces thermo- plastiques par induction électromagnétique [0001] La présente invention concerne une méthode d'assemblage de pièces thermo- plastiques par induction. [0002] Des méthodes (l'assemblage et en particulier des méthodes d'assemblage de pièces en matériau composite thermoplastique sont déjà connues. Le thermoformage par exemple est une méthode permettant de mettre en forme et de solidariser ensemble des pièces composites présentant une matrice thermoplastique dans laquelle sont noyées des fibres de renfort, par exemple des fibres de verre. On fournit ainsi qu'une pluralité de préformes en matériau composite à matrice thermoplastique et on agence ces préformes selon une configuration prédéfinic. Puis on fournit de l'énergie thermique à l'agencement de préformes pour porter le polymère thermoplastique au voisinage de sa température de fusion. Et ensuite, on porte l'agencement de préformes chaud à l'intérieur d'un moule installé dans unc presse pour pouvoir conformer l'agencement de préformes chaud et solidariser entre elles les préformes de manière à obtenir ensuite, après refroidissement, unc seule pièce. [0003] Une telle méthode permet de former des pièces composites rigides avec des zones de renfort là où on le souhaite en superposant des parties de préforme. [0004] En revanche, il est impossible de privilégier des zones de liaison car le matériau polymère de toutes les préformes est porté à la température de fusion et partant, toutes les préformes en contact adhèrent les unes avec les autres. [0005] Aussi, il a été imaginé de fournir de l'énergie thermique localement, sur des préformes en composite thermoplastique en contact de manière à ne souder entre elles, que certaines zones. Pour ce faire, un grillage métallique est noyé dans l'épaisseur du composite et dans les zones que Fon souhaite porter en température pour les solidariser. Et on soumet les zones équipées de grillage métallique à un champ électromagnétique variable. De la sorte, par induction électromagnétique, le grillage métallique s'échauffe et seules les zones de polymère dans lesquelles il est noyé, sont portées en fusion et peuvent adhérer l'une avec l'autre. [0006] Toutefois, la mise en oeuvre d'un grillage métallique dans l'épaisseur du polymère peut nuire ultérieurement à ses caractéristiques mécaniques. Il peut également constituer des amorces de fracture. De surcroît, un grillage métallique est par construction discontinu et partant, l'apport thermique l'est également ce qui crée des gradients thermiques à l'intérieur du polymère. Conséquemment, la température à l'intérieur du polymère n'est pas homogène et en conséquence, la liaison entre deux 2 pièces est imparfaite. [0007] Un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une méthode d'assemblage qui permette de faciliter le soudage par induction de deux pièces thermoplastiques et d'obtenir une soudure résistante. [0008] Dans ce but, il est proposé une méthode d'assemblage de pièces thermoplastiques par induction électromagnétique comprenant les étapes suivantes : on fournit au moins deux pièces en matériau polymère thermoplastique ; on fournit un matériau conducteur apte à conduire le courant électrique ; on applique lesdites au moins deux pièces l'une contre l'autre en interposant ledit matériau conducteur entre lesdites au moins deux pièces ; et, on soumet ledit matériau conducteur à un champ magnétique variable de manière à échauffer ledit matériau conducteur, le matériau conducteur chauffé provoquant la mise en fusion des matériaux polymères desdites au moins deux pièces en applique et la solidarisation desdites au moins deux pièces entre elles. Selon la méthode d'assemblage, on fournit ledit matériau conducteur sous une forme pulvérulente. [0009] Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre d'un matériau conducteur sous forme pulvérulente que l'on interpose dans des zones prédéfinics entre les pièces thermoplastiques de manière à pouvoir souder ces dernières ensemble précisément dans lesdites zones. De surcroît, en dispersant de manière homogène le matériau conducteur pulvérulent dans les zones précitées, on obtient grâce au champ magnétique variable un chauffage homogène des matériaux thermoplastiques et partant, un meilleur soudage. Aussi, avantageusement on applique une pression sur les pièces de manière à accentuer une inter-diffusion du matériau thermoplastique des deux-pièces, et ce, à travers le matériau pulvérulent. De la sorte, on obtient une meilleure solidarisation des deux pièces. [0010] Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit matériau conducteur sous une forme pulvérulente présente des particules dont le diamètre équivalent est essentiellement compris entre 5 pm et 500 pm. Par exemple, le diamètre équivalent des particules est essentiellement compris entre 20 pm et 50 pm. On expliquera plus en détail dans la suite de la description ce que signifie la notion de diamètre équivalent. Les diamètres équivalents précités permettent une diffusion homogène de la chaleur à travers le matériau thermoplastique et conséquemment, une fusion homogène du matériau. [0011] Selon un mode de réalisation de l'invention préféré, ledit matériau conducteur sous une forme pulvérulente comprend un oxyde de fer. Par exemple, on met en oeuvre de la magnétite Ce matériau présente l'avantage de s'échauffer rapidement à des températures élevées sous l'influence d'un champ magnétique variable. De surcroît, il ne se dégrade par au fil du temps puisqu'il est déjà un oxyde. 3 [0012] D'autres matériaux conducteurs de l'électricité sont envisagés, et en particulier, le cuivre ou les aciers alliés, ou encore les nanotubes de carbone ou le noir de carbone. [0013] Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit matériau conducteur sous une forme pulvérulente est dispersé à l'intérieur d'une matrice polymère thermoplastique. De la sorte, ce conditionnement du matériau conducteur permet de l'appliquer aisément dans les zones des pièces en matériau thermoplastique que l'on souhaite souder entre elles. Ainsi, il est aisé préalablement à l'assemblage, de réaliser à chaud le mélange homogène du polymère thermoplastique de la matrice et du matériau conducteur sous forme pulvérulente. Lorsque, ensuite le polymère thermoplastique de la matrice se refroidit, le matériau conducteur pulvérulent demeure dispersé de manière homogène à l'intérieur et y est figé. La matrice polymère thermoplastique ainsi chargée peut être aisément interposée entre les deux pièces thermoplastiques dans la zone souhaitée et ensuite, la mise en oeuvre du champ magnétique variable permet la montée en température du matériau conducteur pulvérulent à l'intérieur du polymère de la matrice. Conséquemment, le matériau conducteur chaud provoque tout d'abord la mise en fusion du polymère de la matrice, et ensuite, celui des deux pièces. Partant, les polymères thermoplastiques des deux pièces et celui de la matrice au centre, diffusent les uns dans les autres sur une profondeur relative de surface des pièces et partant, après refroidissement, forment une soudure mécaniquement homogène. Préférentiellement, ladite matrice polymère thermoplastique comporte une concentration en poids dudit matériau conducteur sous une forme pulvérulente comprise entre 2% et 20%. De la sorte, le polymère thermoplastique de la matrice conserve ses propriétés mécaniques car elles ne sont pas détériorées par un excès de charges, ce qui permet à la matrice polymère thermoplastique de conserver sa flexibilité initiale et d'épouser fidèlement les contours de l'interface des pièces en contact. Cette intimité de contact favorise la fusion locale en surface des polymères des deux-pièces. [0014] Selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, ladite matrice polymère thermoplastique forme une bande mince. On entend ici par bande mince, une bande d'une épaisseur de l'ordre du millimètre ou de la centaine de micromètres. Ainsi, on favorise plus encore le contact intime de la surface des deux pièces et par conséquent, on accélère l'échauffement du polymère des deux-pièces et leur inter-diffusion. Par conséquent, le processus de solidarisation des deux-pièces est finalement plus court. [0015] Préférentiellement, le polymère thermoplastique de ladite matrice et les matériaux polymères thermoplastiques desdites au moins deux pièces sont de la même famille de polymères. Par exemple, ces polymères sont de la famille des polyamides. De la sorte, la température de fusion de ces polymères est voisine et par conséquent, ils deviennent visqueux au même moment lorsque l'on applique le champ magnétique variable et que le matériau conducteur pulvérulent s'échauffe. De surcroît, les polymères diffusent plus aisément les uns dans les autres, car ils sont de même nature chimique. On obtient de la sorte un joint de soudure plus homogène et partant plus rigide lorsque les polymères se refroidissent. [0016] En outre, lesdites au moins deux pièces en matériau polymère thermo- plastique comprennent avantageusement des fibres de renfort noyées à l'intérieur dudit matériau polymère. Ainsi, les deux pièces sont réalisées dans des matériaux composites, ce qui permet d'obtenir des ensembles de pièces complexes relativement rigides. [0017] S'agissant du matériau polymère thermoplastique des deux pièces, il diffère selon les applications et on citera par exemple le polysulfure de phénylène (PPS), résistant à haute température, le polyétheréthercétone (PEEK), présentant un haut module d'élasticité ou encore le polyéthercétonecétone. Cette liste n'est aucunement limitative. De surcroît, le polymère thermoplastique de la matrice incluant le matériau conducteur pulvérulent, est alors préférentiellement celui du matériau des deux pièces. [0018] Par exemple, lesdites au moins deux pièces en matériau polymère thermo- plastique comprennent des fibres de carbone. De telles fibres présentent un avantage en ce qu'elles peuvent également s'échauffer sous l'effet du champ magnétique variable. Ainsi, elles favorisent l'échauffement de la surface des pièces en contact et conséquemment, l'inter-diffusion des polymères favorisant alors l'adhésion. [0019] Selon un autre mode de réalisation, les deux pièces comprennent des fibres de verre, lesquelles fibres sont insensibles à un quelconque champ magnétique. Partant, le seul matériau conducteur concourt à l'échauffement des deux-pièces et à leur soudage. En pareille circonstance, la matrice polymère thermoplastique peut présenter une concentration plus élevée du matériau conducteur pulvérulent. Lorsque les fibres de renfort sont des fibres de carbone, la concentration en matériau conducteur pulvérulent peut être plus basse puisque ces fibres concourent à l'échauffement des deux-pièces. [0020] Selon une autre caractéristique particulière de mise en oeuvre de l'invention, particu- lièrement avantageuse, on soumet ledit matériau conducteur à un champ magnétique variable d'une fréquence comprise entre 10 kHz et 500 kHz. Préférentiellement, le champ magnétique variable est appliqué dans un domaine de fréquence situé vers les hautes fréquences de manière à privilégier un échauffement superficiel du matériau conducteur. [0021] Par ailleurs, et selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, on fournit un matériau conducteur dont la température de Curie est voisine de la température de fusion des polymères thermoplastiques des deux pièces. De la sorte, lorsque le matériau conducteur atteint la température de Curie, ou point de Curie, il cesse de s'échauffer. Partant, l'énergie thermique apportée au polymère est limitée et il ne risque aucune dégradation. Le nickel par exemple présent une température de Curie de 354 °C et partant, lorsqu'il est soumis à un champ magnétique variable sa température demeure voisine de 354 °C. Il est par exemple tout à fait adapté au polymère thermoplastique du type polyétheréthercétone dont la température de fusion est de 343 °C. D'autres matériaux, par exemple des alliages, permettent de la même façon de limiter la température maximale de chauffage ; les alliages de manganèse et de bismuth par exemple. Des alliages d'oxyde de fer et de manganèse, par exemple MnFen04, lequel présent une température de Curie de 300 °C, sont plus adaptés lorsque les polymères thermoplastiques sont des polyamides 6,6 par exemple. [0022] Un tel choix de matériau conducteur pulvérulent en regard des polymères thermo- plastiques mis en oeuvre est pertinent, lorsque le contrôle du champ magnétique variable est malaisé, et partant, que la température atteinte est incertaine. [0023] D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la des- cription faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [fig.1] est une vue schématique en perspective d'un élément permettant la mise en oeuvre de la méthode d'assemblage selon l'invention ; [fig.2] est une vue schématique en perspective de la mise en oeuvre de la méthode d'assemblage selon l'invention ; [fig.3] est un organigramme des étapes de mise en oeuvre de la méthode d'assemblage selon l'invention. [0024] La Figure 1 montre une plaque 10 faite d'une matrice polymère thermoplastique à l'intérieur de laquelle est noyé un matériau conducteur pulvérulent. [0025] Le matériau conducteur pulvérulent est un matériau conducteur de l'électricité apte à s'échauffer sous l'action d'un champ magnétique variable. Aussi, les métaux en général répondent à ces exigences. Dans l'exemple ici présenté, il est mis en oeuvre une espèce minérale comprenant essentiellement des oxydes de fer (II) et des oxydes de fer (III), la magnétite. La magnétite est un matériau ferrimagnétique adapté à fournir une chaleur inductive lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique variable. Sa température de Curie est voisine de 585 °C. [0026] En l'espèce, la magnétite est fournie sous forme pulvérulente et elle est noyée de manière homogène à l'intérieur de la matrice polymère thermoplastique. Pour ce faire, le polymère thermoplastique est mélangé à l'état fondu avec la magnétite sous forme pulvérulente, à raison de 10 % en poids de magnétite par rapport à la masse totale du polymère et de la magnétite. Selon une variante d'exécution, correspondant à certaines applications, la magnétite est mélangée au polymère thermoplastique à raison de 3 % 6 en poids. Selon une autre variante d'exécution, correspondant à certaines autres applications, la magnétite est mélangée au polymère thermoplastique à raison de 20 % en poids. [0027] Aussi, les particules de magnétite ici mise en oeuvre, présentent un diamètre équivalent mesuré par tamisage essentiellement compris entre 5 pm et 500 pm. Plus précisément, le diamètre équivalent des particules de magnétite est ici centré sur 30 pm. [0028] S'agissant du polymère thermoplastique choisi, et comme on l'expliquera ci-après, il présente un point de fusion relativement bas. [0029] Ainsi, le polymère thermoplastique chargé de la magnétite est conditionné sous forme de bandes d'épaisseur c, de l'ordre de 100 pm, et elles sont alors refroidies de manière à figer la distribution des particules de magnétite dans l'épaisseur des bandes. On observera qu'à l'état fondu, le polymère thermoplastique est suffisamment visqueux pour que les particules ne s'agrègent pas par gravité durant la phase de refroidissement. Ces bandes, plus ou moins larges, peuvent être débitées à la longueur voulue, et par exemple, pour former la plaque 10 représentée sur la figure 1. [0030] En l'espèce, et comme l'illustre la figure [fig.2], la plaque 10 est insérée entre deux pièces d'un matériau polymère thermoplastique, une pièce inférieure 12 et une pièce supérieure 14. La plaque 10 forme ainsi un insert ajusté précisément dans la zone de recouvrement des deux pièces 12, 14 en matériau polymère thermoplastique. Il s'agit bien évidemment d'un exemple d'ajustement à dessein explicatif. La plaque 10 est appliquée sur une première bordure 13 de la pièce inférieure 12, tandis qu'une seconde bordure 15 de la pièce supérieure 14 est appliquée sur la plaque 10. [0031] Les deux pièces 12, 14, sont réalisées ici dans un même matériau polymère thermo- plastique, le polyamide, et elles sont renforcées par des fibres de verre. Le matériau composite ainsi obtenu est particulièrement résistant. D'autres matériaux peuvent bien évidemment être envisagés tout comme d'autres éléments de renfort, par exemple des fibres de carbone. [0032] Aussi, compte tenu de la nature du polymère des deux pièces 12, 14, le polymère thermoplastique de la plaque 10 sera choisi parmi les polyamides, pour des raisons que l'on développera ci-après. [0033] On se référera à présent à l'organigramme de la figure [fig.3] des différentes étapes de la méthode d'assemblage conforme à l'invention. [0034] Ainsi, selon une première étape 18 on fournit les 2 pièces 12, 14 en matériau polymère thermoplastique telles que définies ci-dessus et que l'on souhaite assembler l'une avec l'autre. [0035] Selon une deuxième étape 20, on fournit la plaque 10 faite de magnétite noyée à l'intérieur de la matrice en polyamide selon le procédé décrit ci-dessus. 7 [0036] Et selon une troisième étape 22, on applique précisément la plaque 10 sur la première bordure de la pièce inférieure 12 puis, on porte la pièce supérieure 14 de manière à appliquer sa seconde bordure 15 précisément contre la plaque 10. La plaque 10 est ainsi prise en sandwich entre les deux bordures 13, 15 des deux pièces 12, 14. [0037] Puis, selon une quatrième étape 24, on soumet la zone de recouvrement des deux bordures 13, 15 des deux-pièces 12, 14 et par conséquent, la plaque 10, à un champ magnétique variable H de 100 kHz, tel qu'illustré sur la figure [fig.2]. Le champ magnétique variable H est appliqué pendant une durée prédéterminée de manière à ne pas dégrader les polymères. Conséquemment, le champ magnétique variable induit des courants de Foucault dans les particules de magnétite, lesquels provoquent par effet Joule un échauffement de ces particules. L'énergie thermique ainsi produite, provoque tout d'abord l'échauffement de la plaque 10 et par conséquent, la fusion de sa matrice thermoplastique, et ensuite, la fusion des polymères thermoplastiques des deux bordures 13, 15 de pièces 12, 14. [0038] Le polymère de la matrice thermoplastique est ici un polymère de la famille des po- lyamides tout comme les polymères des deux-pièces 12, 14. On choisira néanmoins une matrice thermoplastique dont le point de fusion est inférieur à celui des polymères des deux-pièces 12, 14. De la sorte, le polymère de la matrice thermoplastique présentera une viscosité plus faible que celle des polymères thermoplastiques des deux-pièces 12, 14 pour un même échauffement. Partant, la matrice ne constituera pas une barrière qui s'opposerait à l'inter-diffusion des polymères des deux-pièces 12, 14 l'un dans l'autre. De surcroît, les polymères appartenant à la même famille de polymère, l'inter-diffusion sera favorisée. [0039] Durant cette quatrième étape 24, on procède avantageusement à la mise en pression des deux bordures 13, 15 l'une contre l'autre de manière à favoriser la diffusion du polymère de la première bordure 13 de la pièce inférieure 12 vers la seconde bordure 15 de la pièce supérieure 14 et réciproquement, la diffusion du polymère de la seconde bordure 15 de la pièce supérieure 14 vers la première bordure 13 de la pièce inférieure 12. Compte tenu de la quantité d'énergie thermique induite par la magnétite, l'inter-diffusion des polymères peut s'opérer à la surface des deux-pièces 12, 14 sur des épaisseurs de l'ordre du millimètre. Le polymère thermoplastique de la plaque 10, grâce à sa nature chimique diffuse lui-même également dans les bordures 13, 15 des deux-pièces 12, 14. Par conséquent, après une cinquième étape 26 visant au refroidissement des deux-pièces 12, 14 et plus précisément de la jonction des deux bordures 13, 15, on obtient une parfaite solidarisation. En effet, la fusion locale des deux bordures 13, 15 permet d'obtenir une continuité du joint entre les deux pièces 12, 14, et par conséquent une certaine continuité de la résistance mécanique. De plus, grâce a la faible concentration en matériau conducteur de la plaque 10, la résistance mécanique 8 du joint entre les deux pièces 12, 14 est très peu affectée. [0040] L'intérêt de la mise en oeuvre d'une telle méthode d'assemblage, réside notamment dans les possibilités de localiser les zones d'assemblage puisque seul les zones en contact avec l'insert, ou la plaque 10, sont portées en fusion et peuvent se souder l'une à l'autre. [0041] Une telle méthode est applicable dans de nombreux secteurs industriels, de l'automobile, du loisir ou de l'aéronautique. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Méthode d'assemblage de pièces thermoplastiques par induction élec- tromagnétique comprenant les étapes suivantes : - on fournit au moins deux pièces (12, 14) en matériau polymère thermoplastique ; - on fournit un matériau conducteur (10) apte à conduire le courant électrique ; - on applique lesdites au moins deux pièces (12, 14) l'une contre l'autre en interposant ledit matériau conducteur (10) entre lesdites au moins deux pièces ; et, - on soumet ledit matériau conducteur (10) à un champ magnétique variable de manière à échauffer ledit matériau conducteur (10), le matériau conducteur chauffé provoquant la mise en fusion des matériaux polymères desdites au moins deux pièces (12, 14) en applique et la solidarisation desdites au moins deux pièces entre elles ; caractérisée en ce qu'on fournit ledit matériau conducteur sous une forme pulvérulente. [Revendication 2] Méthode d'assemblage selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau conducteur (10) sous une forme pulvérulente présente des particules dont le diamètre équivalent est essentiellement compris entre 5 pm et 500 pm. [Revendication 3] Méthode d'assemblage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit matériau conducteur (10) sous une forme pulvérulente comprend un oxyde de fer. [Revendication 4] Méthode d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit matériau conducteur (10) sous une forme pulvérulente est dispersé à l'intérieur d'une matrice polymère thermoplastique. [Revendication 5] Méthode d'assemblage selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite matrice polymère thermoplastique comporte une concentration en poids dudit matériau conducteur (10) sous une forme pulvérulente comprise entre 2% et 20%. [Revendication 6] Méthode d'assemblage selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que ladite matrice polymère thermoplastique forme une bande mince (10). [Revendication 7] Méthode d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le polymère thermoplastique de ladite matrice et 10 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] les matériaux polymères thermoplastiques desdites au moins deux pièces (12, 14) sont de la même famille de polymères. Méthode d'assemblage selon rune quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites au moins deux pièces (12, 14) en matériau polymère thermoplastique comprennent des fibres de renfort noyées à l'intérieur dudit matériau polymère. Méthode d'assemblage selon la revendication 8, caractérisée en cc que lesdites au moins deux pièces (12, 14) en matériau polymère thermoplastique comprennent des fibres de carbone. Méthode d'assemblage selon rune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'on soumet ledit matériau conducteur (10) à un champ magnétique variable d'une fréquence comprise entre 10 kHz et 500 kHz. Méthode d'assemblage selon rune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'on fournit un matériau conducteur dont la température de Curie est voisine de la température de fusion des polymères thermoplastiques des deux pièces.