Brevet FR3089843A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Procédé de réalisation d'une pièce composite et installation de mise en oeuvre [0001] La présente invention se rapporte à un procédé de réalisation d'une pièce composite comportant une matrice polymère thermoplastique et des fibres de renfort noyées à l'intérieur de la matrice. La présente invention se rapporte également à une installation de mise en oeuvre dudit procédé. [0002] 11 est connu de réaliser des pièces en matériaux composites, notamment dans le but d'en diminuer le poids par rapport à des pièces métalliques. La réduction du poids des pièces dc structure d'un véhicule automobile par exemple, est un atout pour en abaisser la consommation. [0003] On réalise ainsi ces pièces composites à partir de préformes faites d'un polymère thermoplastique formant une matrice et de fibres dc renfort noyées à l'intérieur dc ladite matrice. Les préformes sont confectionnées à plat en fonction de la pièce à réaliser puis elles sont thermoformées à l'intérieur d'un moule selon la conformation tridimensionnelle désirée de la pièce. On utilise également, s'agissant des matériaux composites, le terme thermo-estampé. Préalablement à la mise en forme dans le moule, on fournit de l'énergie thermique aux préformes de manière à ce que la température du polymère thermoplastique de la matrice soit portée au dessus dc la température de fusion du polymère et qu'il soit dans un état essentiellement visqueux. Lorsque le polymère est dans cet état, les préformes se déforment alors aisément dans le moule. Le moule est ensuite refroidi et la température du polymère thermoplastique est abaissée en dessous dc la température de transition vitreuse. Il redevient alors rigide et la pièce composite est ainsi extraite du moule. Les bords de la pièce doivent ensuite être parachevés, par exemple par usinage ou bien encore en surmoulant les bordures de la pièce. Le surmoulage requiert l'injection d'un matériau thermoplastique en fusion sur les bordures de la pièce, après qu'elle a été introduite dans un autre moule prévu à cet effet. [0004] On pourra se référer au document W02017220562 lequel décrit également la mise en oeuvre d'un second moule pour le parachèvement de pièces composites. [0005] La reprise de la pièce composite dans un second moule a un impact important sur le coût de production unitaire de la pièce. [0006] Aussi, il a été imaginé de surmoulé le bord de la pièce directement dans le moule ou elle est thermo-estampée. Ainsi, le polymère non chargé ou chargé de fibres courtes est injecté du dans la cavité du moule encore frimé. Le polymère vient remplir l'espace entre le composite et le bord du moule avant l'ouverture de celui-ci. Le polymère de la 2 préforme et celui du surmoulage se refroidissent ensuite en contact avec le moule dont la température est inférieure à de la température de fusion, ou la température de transition vitreuse. La pièce sortie du moule a ainsi des bords francs, communément dits : «net-shapc», ne nécessitant aucun parachèvement. [0007] Néanmoins, la mise en oeuvre d'une installation d'injection augmente les coûts de production et de surcroît, le surmoulage peut produire des défauts d'ondulation des fibres du composite sous l'effet de la pression d'injection. [0008] Le parachèvement par usinage quant à lui, est moins coûteux. Toutefois, le bord de pièce tend à se délamincr. [0009] Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir un procédé de réalisation de pièce composite et une installation qui le met en oeuvre permettant d'obtenir des pièces parachevées à un coût avantageux. [0010] Dans ce but, et selon un premier objet, il est proposé un procédé de réalisation d'une pièce composite comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une préforme composite comportant une matrice polymère thermoplastique et des fibres de renfort noyées à l'intérieur de ladite matrice polymère, ladite préforme présentant un bord et une bordure contiguë audit bord ; b) on fournit de l'énergie thermique à ladite préforme de manière à porter ladite matrice polymère thermoplastique dans un état visqueux ; c) on conforme ladite préforme selon une conformation tridimensionnelle prédéterminée. Ledit procédé comprend en outre les sous- étapes suivantes : on fournit une bande d'un matériau polymère thermoplastique à l'étape a) et on applique ladite bande sur ladite bordure avant l'étape b) de façon que l'énergie thermique porte ladite bande dans un état visqueux à l'étape b) ; et, on moule ladite bande à l'état visqueux sur ledit bord et ladite bordure à l'étape c). [0011] Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre d'une bande d'un matériau polymère thermoplastique sur la bordure de la préforme, lorsque celle-ci est confectionnée à plat, puis dans le moulage local de la bande sur le bord et sur la bordure de la préforme, après que ladite bande a été portée dans son état visqueux. On observera que les polymères thermoplastiques mis en oeuvre pour la matrice du composite sont essentiellement des polymères semi-cristallins, et que par conséquent, la température de fusion de ces polymères est celle à laquelle ils passent d'un état caoutchouteux à un état liquide, et en pratique à un état visqueux. [0012] On observera que la préforme confectionnée à plat, peut résulter de l'empilement ou de la superposition d'une pluralité de plaques de matériau composite liées entre elles. [0013] Le polymère thermoplastique de la matrice présente une température de fusion au- delà de laquelle il doit être porté grâce à l'énergie thermique apportée pour pouvoir être moulé aisément. [0014] Comme on l'expliquera ci-après, la quantité d'énergie thermique à fournir au 3 polymère pour qu'il atteigne cet état visqueux dépend de sa nature. Les polymères thermoplastiques mis en oeuvre sont par exemple le polypropylène, le polyéthylène, le polyamide, le polysulfure de phénylène, le polyétheréthercétone ou encore le polyéthercétonecétone. [0015] S'agissant de la bande appliquée sur la bordure de la préforme, une possibilité envisagée, est de fournir une bande d'un matériau polymère thermoplastique dont l'état visqueux est atteint à une température plus basse que celle du matériau thermoplastique de la matrice. [0016] De la sorte, on obtient une pièce composite dont les contours sont parfaitement définis et ne nécessitent aucune opération de parachèvement complémentaire. Grâce à la mise en oeuvre de la bande faite d'un matériau polymère thermoplastique, en temps masqué par rapport au procédé de therrno-estampage global, et sans modification importante des outils comme on l'expliquera ci-après, on obtient des pièces composites parachevées à des coûts plus avantageux. [0017] Avantageusement, on évacue l'énergie thermique fournit à ladite préforme et à ladite bande après l'étape c) de conformation de la préforme. Ainsi, la température des polymères thermoplastiques de la préforme et de la bande baisse en dessous de la température de fusion et redeviennent rigides. [0018] Aussi, selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on fournit à l'étape a) une bande d'un matériau polymère thermoplastique comprenant des charges. Grâce aux charges, le matériau polymère est plus résistant à la déformation en compression. Avantageusement, lesdites charges comprennent des fibres courtes. Et ainsi, le polymère est également plus résistant à la déformation en traction. On observera que le polymère thermoplastique peut également inclure les adjuvants habituels de résistance à l'oxydation et aux ultraviolets ainsi que d'éventuels plastifiants afin de rendre plus aisé le moulage. [0019] En outre, selon un mode de préférer de réalisation, avant l'étape b), on applique ladite bande sur ladite bordure de ladite préforme de manière à laisser une bordure de bande libre en saillie dudit bord. De la sorte, lorsque l'énergie thermique est apportée à la bande et à la préforme, la bordure de bande libre en saillie tend à venir s'appliquer naturellement contre le bord de la préforme à mesure que le polymère tend vers son état visqueux. Ainsi, lors du moulage le polymère de la bande est parfaitement moulé contre le bord de la préforme. [0020] Aussi, ladite matrice polymère thermoplastique et ledit matériau polymère thermo- plastique de ladite bande présentent des températures de fusion voisines l'une de l'autre. Dans certaines situations visées ci-dessus, il est avantageux que la température de fusion du polymère de la bande, bien que voisine, soit inférieure à celle de la matrice, de manière à ce que le polymère de la bande atteigne un état visqueux avant celui de la préforme. [0021] De plus, selon un mode préféré de mise en oeuvre, ladite matrice polymère thermo- plastique et ledit matériau polymère thermoplastique de ladite bande appartiennent à la même famille de polymère. De la sorte, on obtient un meilleur ancrage du polymère de la bande dans celui de la préforme. En effet, les chaînes de polymères ayant une plus grande affinité mutuelle, on obtient une meilleure inter-diffusion des deux polymères l'un dans l'autre et par conséquent, une liaison plus résistante. [0022] De surcroît, lesdites fibres de renfort, de la préforme composite, sont des fibres continues. Autrement dit, ces fibres de renfort, sous forme de mono-filaments ou bien de fils, s'étendent longitudinalement et parallèlement entre elles dans l'épaisseur de la préforme. Les préformes sont par exemple découpées dans les plaques ou plis composites obtenues par pultrusion. [0023] Selon un second objet, il est proposé une installation pour mettre en oeuvre le procédé de réalisation d'une pièce composite telle que décrit ci-dessus. L'installation selon l'invention comprend : un dispositif de confection pour fournir une préforme composite comportant une matrice polymère thermoplastique et des fibres de renfort noyées à l'intérieur de ladite matrice polymère, ladite préforme présentant un bord et une bordure contiguë audit bord ; un four pour fournir de l'énergie thermique à ladite préforme de manière à porter ladite matrice polymère thermoplastique dans un état visqueux ; un moule pour conformer ladite préforme selon une conformation tridimensionnelle prédéterminée. Ledit dispositif de confection comprend en outre un organe de distribution pour fournir une bande d'un matériau polymère thermoplastique et un organe d'application pour appliquer ladite bande sur ladite bordure, ledit four étant apte à fournir de l'énergie thermique pour porter ladite bande dans un état essentiellement visqueux ; et ledit moule comprend une zone périphérique de moulage pour mouler ladite bande visqueuse sur ledit bord. [0024] Ainsi, l'installation, outre les éléments usuellement rencontrer pour réaliser des pièces composites, comporte des moyens pour fournir et appliquer la bande en matériau polymère sur la préforme et un aménagement du moule dans sa zone périphérique de moulage pour mouler la bande sur le bord de la préforme. Ces moyens sont relativement peu onéreux comparativement à la mise en oeuvre d'une unité d'injection et éventuellement d'un second moule par exemple pour parachever la pièce composite. De surcroît, ces moyens fonctionnent en temps masqué, ce qui ne nuit pas à la productivité de l'installation. [0025] Selon un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux, ledit moule comprend des canaux de circulation de fluide caloporteur pour évacuer l'énergie thermique fournit à ladite préforme et à ladite bande. Ces canaux de circulation sont alimentés durant le moulage de manière à ce que les polymères thermoplastiques de la préforme et de la bande retrouvent une température inférieure à celle de leur température de fusion et redeviennent rigides. [0026] Aussi, ledit moule comprend, selon une variante de réalisation, deux parties mobiles en translation l'une par rapport à l'autre selon une direction donnée, et lesdites parties mobiles comprennent respectivement dans ladite zone périphérique des surfaces d'appui sensiblement parallèles à ladite direction donnée, et aptes à coopérer respectivement l'une avec l'autre. De la sorte, lorsque les deux parties mobiles du moule s'engagent l'une dans l'autre, tandis que la préforme est insérée entre les deux, les surfaces d'appui sont entraînées en glissement l'une contre l'autre et viennent refermer le moule de manière relativement étanche pour assurer un parfait moulage de la bande sur le bord de la préforme. [0027] D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la des- cription faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0028] [fig.1] est un synoptique de l'installation de mise en oeuvre du procédé conforme à l' invention ; [0029] [fig.2] est une vue de dessus d'éléments mis en oeuvre dans l'installation illustrée sur la Fig. 1; [0030] [fig.3] est une vue schématique partielle de l'un des dispositifs de l'installation illustré sur la Fig. 1 dans une première position ; [0031] [fig.4] est une vue schématique de l'objet de la Fig. 3 dans une seconde position ; et, [0032] [fig.5] est un organigramme du procédé selon l'invention. [0033] La Figure 1 montre schématiquement une installation 10 comportant un ensemble de confection 12 suivi d'un four 14, lequel est lui-même suivi d'un moule 16 installé dans une presse. Ainsi, l'ensemble de confection 12 est le lieu où sont confectionnées les préformes. Celles-ci peuvent être issues d'une seule pièce découpée dans une plaque d'un matériau composite, ou bien plus fréquemment, résulter de la superposition d'une pluralité de plaques ou de plis, prédécoupées dans un matériau composite. [0034] Ainsi, l'ensemble de confection 12 présente avantageusement un tapis central d'assemblage et des magasins adjacents contenant des pièces de différentes géométries prédécoupées dans des plaques de matériaux composites. Ces plaques composites comportent une matrice polymère thermoplastique et des fibres de renfort continues noyées à l'intérieur de la matrice. Elles sont par exemple obtenues par pultrusion, 6 c'est-à-dire en entraînant une pluralité de fils de fibres parallèles à travers une filière. Aussi, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on entraîne une pluralité de fils de fibres de carbone à travers une filière alimentée par du polypropylène en fusion. On obtient ainsi après refroidissement, des plaques ou des plis selon leur épaisseur, renforcées par des fils de fibres de carbone. On peut également mettre en oeuvre, pour certaines applications, des fibres de verre. [0035] Selon un autre mode de mise en oeuvre, les plaques composites sont obtenues par thermo-compression. [0036] Ces plaques en matériau composite, sont alors prédécoupées selon une ou plusieurs géométries différentes en fonction de la pièce composite à réaliser et ces éléments prédécoupés sont stockés dans les magasins adjacents précités de l'ensemble de confection 12. [0037] L'ensemble de confection 12 comporte en outre des bras robotisés non représentés permettant de venir saisir successivement les éléments prédécoupés afin de les assembler et de les superposer à tout le moins partiellement, pour former la préforme. Préférentiellement, les éléments prédécoupés sont reliés entre eux par fusion locale au moyen d'une sonotrodc venant s'appliquer à force contre les plis superposés. La préforme est ainsi réalisée à plat sur le tapis central d'assemblage de l'ensemble de confection 12 selon une première étape 15 du procédé selon l'invention, telle qu'illustrée dans l'organigramme de la Figure 5. La préforme est alors délimitée par un bord et une bordure adjacente. [0038] Bien entendu, la préforme peut également être issue d'une seule pièce découpée dans une plaque composite. [0039] On se reportera sur la Figure 2 montrant en vue de dessus une préforme 18 de forme rectangulaire et comportant une pluralité de plis superposés. La préforme 18 présente ainsi un bord 20 qui s'étend dans les quatre côtés de la préforme 18 et une bordure adjacente 22 longeant le bord 20. La bordure 22 est alors recouverte d'une bande d'un matériau thermoplastique 24 de manière à ce qu'une partie libre 26 de la bande 24 s'étende au-delà de la bordure 22 et en saillie du bord 20. La bande de matériau thermoplastique 24 est par exemple réalisée dans un matériau de même nature que celui de la matrice du composite, ou d'un polymère chimiquement compatible avec lui. Et en l'espèce, elle est avantageusement chargée de fibres courtes de manière à améliorer sa résistance à la déformation en traction. [0040] Préférentiellement, l'un des bras du robot de l'ensemble de confection 12 est équipé d'une bobine de ladite bande en matériau thermoplastique et d'un applicateur permettant de venir appliquer et sceller localement par point la bande 24 sur la bordure 22 de la préforme 18, et ce, selon une première sous-étape 25 telle qu'illustrée sur la Figure 5. L'applicateur intègre des moyens de découpe pour appliquer des morceaux de 7 bande sur chacun des côtés de la préforme 18. La bande en matériau thermoplastique est par exemple, selon une première variante de réalisation, scellée localement par point sur la bordure 22, au moyen d'ultrasons produits par une sonotrode. Selon une deuxième variante de réalisation, la bande est chauffée localement au moyen d'un laser mobile pour être scellée sur la bordure du 22. [0041] La préforme 18 ainsi équipée de la bande en matériau thermoplastique 24 est alors transférée au moyen d'un second robot non représenté, de l'ensemble de confection 12 jusqu'au four 14. Une fois installée dans le four 14, on fournit de l'énergie thermique à la préforme 18 équipée de la bande 24, selon une deuxième étape 28. L'énergie thermique est fournie par conduction et/ou convection et/ou rayonnement, de manière à atteindre la fusion de la préforme 18 à coeur et de la bande 24. Autrement dit, on fournit une quantité d'énergie thermique permettant à tout le moins de porter le polymère de tous les plis de la préforme 28 et de la bande 24 dans un état visqueux. On observera que le polymère des plis de la préforme 28 doit nécessairement être visqueux à la surface des plis, de manière à ce que les plis puissent adhérer les uns avec les autres dans le moule 16 comme on l'expliquera ci-après. [0042] Avantageusement, le four 14 est équipé d'éléments de puissance adaptés à venir s'appliquer au niveau de la bordure 22 de la préforme 18 et de la bande 24 de manière à apporter un surplus d'énergie thermique localement. Partant, la bande 24 peut atteindre son état essentiellement visqueux, tandis que l'essentiel de la préforme 18 demeure à l'état caoutchouteux excepté à la surface des plis qui les constituent. [0043] Ensuite, lorsque la préforme 18 et la bande 24 ont atteint leurs températures res- pectives désirées et conséquemment, leurs états visqueux, ils sont transférés à l'intérieur du moule 16 au moyen d'un bras robotisé non représenté. [0044] Comme on va l'expliquer ci-après, en référence aux Figures 3 et 4, la mise en oeuvre de la préforme 18 dans le moule 16 vise à conformer la préforme 18, selon une troisième étape 30 illustrée sur la Figure 5, et à mouler la bande 24 en fusion sur le bord 20 de la préforme 18 selon une deuxième sous étape 32. [0045] La Figure 3 illustre partiellement en coupe droite le bord du moule 16. La préforme 18 de géométrie rectangulaire est bien évidemment donnée à titre d'exemple et la forme du moule 16 permettant de conformer en creux le centre de la préforme 18, l'est également. Le moule 16 comprend deux parties, une partie inférieure 34 formant embase et une partie supérieure 36 mobile en translation verticale selon la direction D par rapport à la partie inférieure 34. La partie inférieure 34 comporte une paroi de conformation inférieure 38 convexe, tandis que la partie supérieure 36 comporte une paroi de conformation supérieure 40 concave. La partie supérieure 36 du moule 16 est sur la Figure 3, écartée de la partie inférieure 34. En outre, le moule 16 présente dans sa partie inférieure 34 et dans sa partie supérieure 36 des canaux de refroidissement 35 8 permettant la circulation d'un fluide caloporteur. La mise en oeuvre de ces canaux de refroidissement n'est pas indispensable. Elle est utile lorsque la température de fusion des polymères est relativement élevée. [0046] La paroi de conformation inférieure 38 présente une bordure de paroi inférieure 42 sensiblement perpendiculaire à la direction D du mouvement des deux parties 34, 36 et elle est suivie, vers l'extérieur du moule 16, par un décrochement 44, formant alors une surface d'appui inférieure axiale 46 sensiblement cylindrique. Quant à la paroi de conformation supérieure 40, en correspondance, elle présente une bordure de paroi supérieure 48 sensiblement perpendiculaire à la direction D de mouvement des deux parties 34, 36, et elle est bordée par un retour 50. Le retour 50 présente une bordure d'extrémité 51 définissant une surface d'appui supérieure sensiblement cylindrique contre laquelle la surface d'appui inférieur 46 est apte à venir s'engager en glissement. Préférentiellement, la bordure d'extrémité 51 et la surface d'appui inférieure 46 sont coniques afin faciliter l'engagement de la surface d'appui inférieur 46 à l'intérieur de la bordure d'extrémité 51. [0047] Aussi, le retour 50 se prolonge vers l'extérieur du moule 16 par une surface d'appui supérieure axial 52, sensiblement perpendiculaire au retour 50. La surface d'appui supérieure axial 52 est apte à venir en appui sur le décrochement 44 de la partie inférieure 34 de moule 16. Préférentiellement, la surface d'appui supérieur axial 52 est plus courte de manière à ne pas pouvoir venir en appui sur le décrochement 44 et ainsi venir imprimer une pression plus importante au composite. [0048] Ainsi, le retour 50 qui s'étend autour de la paroi de conformation supérieure 40 est apte à former avec la bordure de paroi supérieure 48 et la bordure de paroi inférieure 42 une zone périphérique de moulage 54 comme on va l'expliquer ci-après. [0049] En effet, la préforme 18 munie de la bande 24 est transférée au moyen d'un bras robotisé non représenté à l'intérieur du moule 16 et plus précisément, est déposée sur la paroi de conformation inférieure 38 comme illustré sur la Figure 3. On retrouve ainsi sur la Figure 3 la préforme 18, dans son état visqueux, qui vient épouser la forme de la paroi de conformation inférieure 38. On y retrouve également la bande 24 appliquée sur la bordure 22 de la préforme 18. On observera que la préforme 18 est précisément ajustée de manière à ce que son bord 20 vienne s'étendre à une distance d de la surface d'appui inférieur 46 prédéfinie. [0050] Par ailleurs, la bande 24 est représentée sur la Figure 3 dans un état originel à des fins de simplification de la Figure. Car, lorsque la préforme 18 munie de la bande 24 est extraite du four 14, la bande 24 est à l'état visqueux et elle vient s'appliquer ainsi à tout le moins partiellement contre le bord 20 par gravité. [0051] Le moule 16 est ensuite refermé comme l'illustre la Figure 4, et la partie supérieure 36 est abaissée, et la bordure d'extrémité 51 reçoit en appui glissant la surface d'appui 9 46. De la sorte, on opère un centrage de la partie supérieure 36 par rapport à la partie inférieure 34. En outre, la troisième étape 30 et la deuxième sous-étape 32 illustrées sur la Figure 5, sont opérées simultanément, de sorte que, on procède à la fois à la conformation de la préforme 18 et au moulage de la bande 24 visqueuse sur le bord 20 de la préforme 18. En effet, la paroi de conformation supérieure 40 vient presser la préforme 18 contre la paroi de conformation inférieure 38, de sorte que les plis de la préforme 18 dont le polymère thermoplastique des surfaces de chacun d'eux est à l'état visqueux, se soudent les uns aux autres, de manière à ce que les matrices de matériau polymère de la pluralité de plis ne forment plus qu'une. Au surplus, la zone périphérique de moulage 54 est confinée et la bande 24 à l'état visqueux est moulée sur le bord 20 et sur la bordure 22. [0052] Ainsi, selon une quatrième étape 58, la partie supérieure 36 pressée contre la partie inférieure 34, on procède à l'évacuation de l'énergie thermique fournie à la préforme 18 et à la bande 24, en faisant circuler un fluide froid à travers les canaux de refroidissement 35. La température des polymères de la bande 24 et de la préforme 18, est alors portée en dessous de leur température de fusion et ils retrouvent par là-même leur rigidité. [0053] Dans une ultime étape 60, le moule 16 est ouvert, la partie supérieure 36 étant écartée de la partie inférieure 34, et on libère la pièce composite ainsi formée. On obtient de la sorte une pièce composite homogène dont le bord ne nécessite aucun parachèvement particulier. 10