Brevet FR3111582A1 — publié le 20211224

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique intégrant des éléments chauffants Un procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique apte à être soudée à une autre pièce comprend l’injection ou la compression à chaud d’un matériau thermoplastique (130) dans un moule (50) et le démoulage de la pièce en matériau thermoplastique. Le procédé comprend en outre le placement d’un ou plusieurs éléments chauffants (120) dans le moule (50) avant l’introduction du matériau thermoplastique (130). Le ou les éléments chauffants (120) sont placés dans une ou plusieurs parties du moules correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage (101) de la pièce en matériau thermoplastique. Figures pour l’abrégé : Fig. 4 et 5. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique intégrant des éléments chauffants La présente invention se rapporte au domaine des pièces en matériau thermoplastique et, plus particulièrement à l’assemblage par soudage de telles pièces. Les matériaux thermoplastiques et en particulier les matériaux composites comprenant des fibres de renfort, par exemple des fibres de carbone et/ou des fibres de verre, dispersées dans une matrice polymère thermoplastique ont de nombreux usages possibles, et notamment, dans le domaine de l’aéronautique. Pour la réalisation de certaines structures, il peut être nécessaire d’assembler plusieurs pièces en matériau thermoplastique comme, par exemple, pour un volet d’inverseur de poussée, un panneau raidi, des raidisseurs, des parties de carénage, etc. Ces pièces composites peuvent être assemblées par soudage, notamment par une technologie de type : - soudage par induction, - soudage résistif, - soudage par chauffe et pression - soudage par ultrason, soudage laser. Le document EP 2 907 651 décrit un procédé de soudage par induction dans lequel on soumet à un champ magnétique un ensemble formé de deux pièces à souder en matériau composite à matrice thermoplastique et d’un absorbeur de champ ou suscepteur positionné à l’interface entre les pièces. Le champ magnétique provoque l’élévation en température du suscepteur jusqu’à une température permettant le ramollissement ou la fusion de la résine thermoplastique. L’interposition d’un suscepteur entre les pièces à souder présente néanmoins l’inconvénient de complexifier techniquement l’opération de soudage par la nécessité de positionner avec précision le suscepteur et de le maintenir en position entre les pièces pendant le soudage. En outre, l’utilisation d’un suscepteur entraîne une augmentation du temps et du coût de fabrication. Par ailleurs, la présence d’un suscepteur à l’interface de liaison entre les deux pièces peut nuire à la tenue mécanique de la structure résultante en service. La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution pour le soudage d’une pièce en matériau thermoplastique qui ne présente pas les inconvénients précités. Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique apte à être soudée à une autre pièce, le procédé comprenant l’injection ou la compression à chaud d’un matériau thermoplastique dans un moule et le démoulage de la pièce en matériau thermoplastique, caractérisé en ce qu’il comprend en outre le placement d’un ou plusieurs éléments chauffants dans le moule avant l’introduction du matériau thermoplastique, le ou les éléments chauffants étant placés dans une ou plusieurs parties du moule correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage de la pièce en matériau thermoplastique. En surmoulant ou noyant un ou plusieurs éléments chauffants dans une ou plusieurs parties de la pièce, on s’affranchit des problèmes liés à l’utilisation d’un suscepteur rapporté décrits précédemment. L’intégration d’un ou plusieurs éléments chauffants dans le matériau thermoplastique de la pièce permet de faciliter le positionnement entre les pièces à assembler avec une bonne répétabilité lors d’une production en séries. Le procédé de l’invention permet d’éviter l’utilisation d’un suscepteur qui constitue une opération supplémentaire qui peut être pénalisante techniquement ou économiquement (positionnement manuel pouvant être complexe, coût et pose du composant). La présence du suscepteur peut en outre nuire à la tenue de la pièce en service. Par ailleurs, avec un ou plusieurs éléments chauffants surmoulés ou noyés dans le matériau thermoplastique de la pièce, on contrôle la diffusivité thermique au sein de celle-ci. En effet, il est ainsi possible de chauffer localement le matériau thermoplastique de la pièce au-delà de son point de fusion au niveau de la ou les surfaces d’assemblage de celle-ci tout en conservant dans le reste du matériau de la pièce une température suffisamment basse pour assurer sa stabilité géométrique et un niveau de cristallinité maîtrisé. Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention, le ou les éléments chauffants sont réalisés en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un champ magnétique. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l’invention, le ou les éléments chauffants sont de type résistif et sont réalisés en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un courant électrique. Dans ce cas, le procédé peut comprendre en outre le placement de connecteurs dans le moule avant l’introduction du matériau thermoplastique, lesdits connecteurs étant reliés électriquement à un ou plusieurs éléments chauffants. Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, le ou les éléments chauffants sont réalisés à partir d’un grillage, d’un treillis ou d’un fil en matériau conducteur électriquement et thermiquement. Le matériau conducteur électriquement et thermiquement peut être notamment choisi parmi un des matériaux suivants : cuivre, laiton, bronze, acier, alliage de nickel, titane et fibres de carbone continues. Dans le cas où le ou les éléments chauffants réalisés à partir d’un grillage ou d’un treillis, le grillage ou le treillis présente de préférence une taille de maile supérieure à 1 mm de manière à faciliter le passage du matériau thermoplastique ramolli ou fondu. On favorise ainsi les jonctions entre les chaînes de polymères des pièces assemblées, ce qui renforce la liaison par soudage. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, le matériau thermoplastique comprend une résine seule ou une résine chargée avec des fibres courtes. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l’invention, le moule présente une pluralité de cavités formant un réseau de nervures, le ou les éléments chauffants étant placés dans le fond des cavités de manière à être présents à un sommet des nervures de la pièce en matériau thermoplastique. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une structure comprenant au moins une première pièce en matériau thermoplastique et une deuxième pièce, le procédé comprenant la fabrication d’une première pièce en matériau thermoplastique selon le procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique de l’invention, l’accostage de la ou les surfaces d’assemblage de la première pièce avec une deuxième pièce et l’échauffement du ou des éléments chauffants présents dans la première pièce de manière à souder ladite première pièce à la deuxième pièce. Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication d’une structure selon l’invention, la première pièce en matériau thermoplastique comporte un réseau de nervures, le ou les éléments chauffants étant présents à un sommet des nervures de la pièce en matériau thermoplastique et dans lequel la deuxième pièce correspond à une peau en matériau composite à fibres continues, le sommet des nervures comportant le ou les éléments chauffants étant en contact avec la peau en matériau composite lors de l’échauffement du ou des éléments chauffants de manière à souder la première pièce à ladite peau. La est une vue schématique en perspective d’une pièce en matériau thermoplastique selon un mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique en perspective éclatée montrant le positionnement d’un grillage dans un moule, La est une vue schématique en perspective montrant la fermeture du moule de la , La est une vue schématique en coupe du moule de la une fois fermé montrant l’injection d’un matériau thermoplastique dans le moule, La est une autre vue schématique en coupe du moule de la une fois fermé et après injection d’un matériau thermoplastique, La est une vue schématique en perspective d’une pièce en matériau thermoplastique selon un autre mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique en coupe montrant l’accostage de la pièce de la avec une peau composite, La est une vue schématique en coupe montrant la réalisation d’une structure par soudage des deux pièces de la . La représente une pièce en matériau thermoplastique 100 conformément à un mode de réalisation de l’invention. La pièce en matériau thermoplastique 100 comprend ici un réseau de nervures 110 se croisant perpendiculairement. Conformément à l’invention, la pièce 100 comprend en outre un élément chauffant constitué ici par un grillage ou treillis 120 surmoulé dans le matériau thermoplastique 130 de la pièce. Dans l’exemple décrit ici, le grillage 120 est présent au niveau d’un sommet 111 des nervures 110 qui définit la surface d’assemblage 101 de la pièce 100, c’est-à-dire la partie de la pièce 100 destinée à être soudée avec une autre pièce. Comme illustré sur la , la fabrication de la pièce en matériau thermoplastique 100 comprend tout d’abord le placement du grillage 120 dans le fond 52 de la cavité de moulage 51 d’un moule d’injection 50, le fond 52 correspondant à l’emplacement auquel le sommet 111 des nervures 110 est formé. Le moule 50 peut comprendre si nécessaire des moyens de maintien en position du grillage 120 à l’emplacement déterminé (non représentés sur la ), notamment des moyens permettant d’ajuster la position en hauteur du grillage dans le moule afin de régler la profondeur du grillage par rapport à la surface d’assemblage. Une fois le grillage 120 mis en place, on ferme le moule 50 avec un couvercle 53 qui comporte des blocs 55 permettant de diviser la cavité de moulage 51 en une pluralité de cavité 56 formant un réseau de nervures (figures 3 et 5). Une fois le moule 50 fermé, on injecte sous pression et à chaud un matériau thermoplastique 130 dans le moule via un port d’injection 54 comme représenté sur les figures 4 et 5. Après l’injection et le refroidissement du moule, on démoule la pièce en matériau thermoplastique 100 comprenant le réseau de nervures 110 et le grillage 120 surmoulé dans le matériau thermoplastique 130 au niveau du sommet 111 des nervures ( ). Lorsque la pièce 100 est soumise à un champ magnétique, le grillage 120 s’échauffe de manière à faire fondre localement le matériau thermoplastique. La pièce 100 est ainsi apte à être assemblée par soudage inductif à une autre pièce. Le matériau thermoplastique utilisé pour former la pièce peut être de différents types. A titre d’exemples non limitatifs, la pièce selon l’invention peut être réalisée avec un des matériaux thermoplastique suivants : PAEK (PolyArylEtherCetone), PEEK (PolyEtherEtherCetone), PEKK (PolyEtherCetoneCetone), PEI (polyétherimide), TPU ou PU (Polyuréthane Thermoplastique), PESU ou PPS (polysulfure de phénylène).Le matériau thermoplastique peut être sous forme d’une résine seule ou d’une résine chargée en particulier avec des fibres courtes qui peuvent être des fibres de carbone, de verre, d’aramide, etc. La pièce peut également être réalisée par moulage par compression d’un matériau composite à renfort de fibres longues discontinues du type BMC (Bulk Molding Compound), SMC (Sheet Molding Compound) ou DLF (Discontinuous Long Fibers). La taille des fibres est comprise typiquement entre 0,1 mm et 1 mm pour les fibres courtes et entre 1 mm et 50 mm pour les fibres longues. Le ou les éléments chauffants surmoulés dans le matériau thermoplastique de la pièce peuvent être réalisés en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un champ magnétique et/ou d’un courant électrique. A titre d’exemples non limitatifs, le ou les éléments chauffants peuvent être réalisés avec un des matériaux suivants : cuivre, laiton, bronze, acier, alliage de nickel, titane et fibres de carbone continues. Le ou les éléments chauffants peuvent être réalisés à partir d’un grillage ou treillis comme décrit précédemment ou d’un fil en matériau conducteur électriquement et thermiquement. La représente une pièce en matériau thermoplastique 200 conformément à un autre mode de réalisation de l’invention. La pièce 200 qui comprend également un réseau de nervures 210 se croisant perpendiculairement diffère de la pièce 100 décrite précédemment en ce que l’élément chauffant est ici constitué d’un fil conducteur 220 surmoulé dans le matériau thermoplastique 230 de la pièce. Le fil conducteur 220 s’étend sur l’ensemble du sommet 211 des nervures 210 qui correspond à la surface d’assemblage 201 de la pièce 200, c’est-à-dire la partie de la pièce 200 destinée à être soudée avec une autre pièce. Le fil conducteur 220 est un élément résistif qui s’échauffe lorsqu’un courant électrique le parcourt. A cet effet, la pièce 200 comprend en outre deux connecteurs électriques 240 et 250 reliés électriquement au fil conducteur 220. Les connecteurs 240 et 250 sont partiellement surmoulés dans le matériau thermoplastique avec le fil conducteur 220. Les connecteurs 240 et 250 sont destinés à être reliés à un générateur de courant (non représenté sur la ) afin de faire circuler un courant dans le fil conducteur 220. Le fil conducteur 220 s’échauffe sous l’effet du courant qui circule de manière à faire fondre localement le matériau thermoplastique. La pièce 200 est ainsi apte à être assemblée par soudage résistif à une autre pièce. Dans le cas d’un soudage de type résistif, le ou les fils surmoulés dans une pièce en thermoplastique présentent de préférence un diamètre ou section compris entre 10 µm et 2 mm. Ils sont de préférence mais non exclusivement réalisés avec un des matériaux suivants : cuivre, bronze, laiton et acier. Dans le cas où le ou les éléments chauffants sont réalisés à partir d’un grillage ou treillis, celui-ci présente de préférence une taille de maille supérieure à 1 mm. En effet, si le grillage ou le treillis est présent en sommet de pièce, comme par exemple en sommet de nervures, et que les mailles sont trop serrées, le matériau thermoplastique fondu ou ramolli peut avoir des difficultés à migrer à l’interface avec l’autre pièce. Cela peut empêcher que les chaines de polymère des deux pièces se mêlent entre elles, ce qui permet d’obtenir un bon soudage. On décrit maintenant un procédé de fabrication d’une structure conformément à un mode de réalisation de l’invention entre la pièce en matériau thermoplastique 100 décrite précédemment et une peau 300. Le procédé débute, comme illustré sur la , par l’accostage de la surface d’assemblage 101 de la pièce 100 comprenant le grillage 120 avec une surface 301 de la peau 300 suivant une position déterminée. Dans l’exemple décrit ici, la peau 300 est réalisée en matériau composite comprenant un renfort fibreux à fibres continues densifié par une matrice thermoplastique. La peau 300 peut notamment être réalisée par estampage, thermocompression, placement automatique de fibres AFP, etc. Une fois les pièces 100 et 300 positionnées l’une par rapport à l’autre en maintenant la surface d’assemblage 101 de la pièce 100 en contact avec la surface d’assemblage 301 de la pièce 300, on procède à l’opération de soudage comme illustré sur la . L’ensemble ainsi constitué est soumis à un champ magnétique C60 créé par un inducteur 60. Sous l’effet du champ magnétique, le grillage 120 présent au niveau de la surface d’assemblage 101 s’échauffe de manière à faire fondre localement le matériau thermoplastique de la pièce 100 au plus près de l’interface d’assemblage entre les deux pièces et souder ces dernières entre elles. On applique de préférence une pression P entre sur deux pièces pendant le soudage. On obtient alors une structure 500 comprenant une peau 300 solidaire d’un réseau de nervures correspondant à la pièce 100. Les portions de jonction entre les nervures 110 de la pièce 100 et la peau 300 présentent des bourrelets 112 résultant du ramollissement ou de la fusion du matériau thermoplastique au niveau de l’interface d’assemblage. Les bourrelets 112 permettent de renforcer la liaison soudée entre la pièce 100 et la peau 300. La structure 500 peut notamment constituer tout ou partie d’un volet d’inverseur de poussée, d’un panneau raidi, d’une pièce de fuselage ou de carénage, d’une structure de type sandwich notamment pour des traitements acoustiques, etc. La pièce en matériau plastique selon l’invention peut comprendre plusieurs éléments chauffants. Plusieurs éléments chauffants identiques ou différents peuvent être placés au même endroit de la pièce afin d’augmenter la température de chauffage locale si nécessaire. Plusieurs éléments chauffants identiques ou différents peuvent également être placés à des endroits différents de la pièce afin de former plusieurs surfaces d’assemblage dans la pièce et permettre par exemple le soudage de la pièce avec plusieurs autres pièces. En surmoulant ou noyant un ou plusieurs éléments chauffants dans une ou plusieurs parties de la pièce, on contrôle la diffusivité thermique dans celle-ci. Il est ainsi possible de chauffer localement le matériau thermoplastique de la pièce au-delà de son point de fusion au niveau de la ou les surfaces d’assemblage de celle-ci tout en conservant dans le reste du matériau de la pièce une température suffisamment basse pour assurer sa stabilité géométrique et un niveau de cristallinité maîtrisé. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique (100) apte à être soudée à une autre pièce, le procédé comprenant l’injection ou la compression à chaud d’un matériau thermoplastique (130) dans un moule (50) et le démoulage de la pièce en matériau thermoplastique (100), caractérisé en ce qu’il comprend en outre le placement d’un ou plusieurs éléments chauffants (120) dans le moule (50) avant l’introduction du matériau thermoplastique (130), le ou les éléments chauffants (120) étant placés dans une ou plusieurs parties du moule correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage (101) de la pièce en matériau thermoplastique (100). Procédé selon la revendication 1, dans lequel le ou les éléments chauffants (120) sont réalisés en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un champ magnétique (C 60 ). Procédé selon la revendication 1, dans lequel le ou les éléments chauffants de type résistif, le ou lesdits éléments chauffants (220) étant réalisés en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un courant électrique. Procédé selon la revendication 3, comprenant le placement de connecteurs (240, 250) dans le moule avant l’introduction du matériau thermoplastique (230), lesdits connecteurs étant reliés électriquement à un ou plusieurs éléments chauffants (220). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le ou les éléments chauffants (120) sont réalisés à partir d’un treillis ou grillage. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le treillis ou le grillage présente une taille de maille supérieure à 1 mm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le ou les éléments chauffants (220) sont réalisés à partir d’un fil en matériau conducteur électriquement et thermiquement. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le matériau conducteur électriquement et thermiquement est choisi parmi un des matériaux suivants : cuivre, laiton, bronze, acier, alliage de nickel, titane et fibres de carbone continues. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau thermoplastique (130, 230) comprend une résine ou une résine chargée avec des fibres courtes. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le moule présente une pluralité de cavités (56) formant un réseau de nervures, le ou les éléments chauffants (120) étant placés dans le fond des cavités de manière à être présents à un sommet (111) des nervures (110) de la pièce en matériau thermoplastique (100). Procédé de fabrication d’une structure (500) comprenant au moins une première pièce en matériau thermoplastique et une deuxième pièce, le procédé comprenant la fabrication d’une première pièce en matériau thermoplastique (100) selon le procédé tel que défini dans les revendications 1 à 9, l’accostage de la ou les surfaces d’assemblage (101) de la première pièce avec une deuxième pièce (300) et l’échauffement du ou des éléments chauffant (120) présents dans la première pièce de manière à souder ladite première pièce à la deuxième pièce. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la première pièce en matériau thermoplastique (100) comporte un réseau de nervures (110), le ou les éléments chauffants (120) étant présents à un sommet (111) des nervures (110) de la pièce en matériau thermoplastique et dans lequel la deuxième pièce (300) correspond à une peau en matériau composite à fibres continues, les sommet des nervures (111) comportant le ou les éléments chauffants (120) étant en contact avec la peau en matériau composite lors de l’échauffement du ou des éléments chauffants de manière à souder la première pièce (100) à ladite peau.