Brevet FR3111585A1 — publié le 20211224

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique intégrant des charges métalliques Un procédé de fabrication d’une pièce apte à être soudée à une autre pièce comprend la formation sur un corps de pièce (105) d’une ou plusieurs portions (106) en matériau thermoplastique (140) chargé avec des particules métalliques (120) correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage (101) de la pièce. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau thermoplastique intégrant des charges métalliques 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 éléments 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 apte à être soudée à une autre pièce, caractérisé en ce qu’il comprend la formation sur un corps de pièce d’une ou plusieurs portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage de la pièce. En formant une ou plusieurs portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques dans une ou plusieurs parties de la pièce, on s’affranchit des problèmes liés à l’utilisation d’un suscepteur rapporté décrit précédemment. L’intégration de particules métalliques 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 une ou plusieurs portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques surmoulés ou noyés dans un matériau thermoplastique, on contrôle la diffusivité thermique au sein d’une pièce dont le corps est réalisé avec un matériau sensible à la chaleur comme un matériau thermoplastique. 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, celui-ci comprend l’introduction d’un matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques dans une ou plusieurs parties d’un moule de manière à former une ou plusieurs portions correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage de la pièce et l’introduction d’un matériau thermoplastique non chargé avec des particules métalliques dans le reste du moule de manière à former le corps de pièce. Le matériau thermoplastique non chargé avec des particules métalliques peut comprendre une résine thermoplastique simple ou une résine thermoplastique chargée avec des fibres courtes. Selon un aspect particulier de ce mode de réalisation, le moule présente une pluralité de cavités formant un réseau de nervures, le matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques étant introduit dans le fond des cavités de manière à être présent à un sommet des nervures de la pièce en matériau thermoplastique, le matériau thermoplastique non chargé étant ensuite introduit dans le reste des cavités. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l’invention, celui-ci comprend la réalisation d’une peau composite formant un corps de pièce et la formation sur au moins une face de la peau composite d’une ou plusieurs portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage de la pièce. La ou les portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques sont réalisées par surmoulage par injection d’un matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques sur le corps de pièce. La ou les portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques peuvent aussi être réalisées par thermocompression d’un matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques sur le corps de pièce. Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, les particules métalliques sont réalisées en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un champ magnétique. Elles peuvent être réalisées notamment avec un des matériaux suivants : cuivre, fer, titane et nickel. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, les particules métalliques présentent une taille comprise entre 1 µm et 100 µm. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, le matériau thermoplastique chargé avec des particules métallique comprend entre 1% et 80% en masse de particules métalliques. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une structure comprenant au moins des première et deuxième pièces, le procédé comprenant la fabrication d’une première pièce en matériau thermoplastique selon le procédé de fabrication d’une pièce de l’invention, l’accostage de la ou les surfaces d’assemblage de la première pièce avec une deuxième pièce et le placement des première et deuxièmes pièces accostées dans un champ magnétique de manière à souder ladite première pièce à la deuxième pièce. La figure 1 est une vue schématique en perspective d’une pièce en matériau thermoplastique selon un mode de réalisation de l’invention, La figure 2A est une vue schématique en perspective montrant l’injection d’un matériau thermoplastique chargé de particules métalliques dans un moule, La figure 2B est une vue schématique en perspective montrant l’injection d’un matériau thermoplastique non chargé de particules métalliques dans le moule de la figure 2A, La figure 3 est une vue schématique en perspective d’une pièce selon un autre mode de réalisation de l’invention, La figure 4 est une vue schématique en coupe montrant un outillage d’injection utilisé pour la réalisation de la pièce de la figure 3, La figure 5 est une vue schématique en coupe montrant l’accostage de la pièce de la figure 1 avec une peau composite, La figure 6 est une vue schématique en coupe montrant la réalisation d’une structure par soudage des deux pièces de la figure 5. La figure 1 représente une pièce en matériau thermoplastique 100 conformément à un mode de réalisation de l’invention. La pièce 100 comprend un corps de pièce 105 réalisé avec un premier matériau thermoplastique non chargé de particules métalliques ou similaires 130, le corps de pièce 105 formant ici un réseau de nervures 110 se croisant perpendiculairement. Conformément à l’invention, la pièce 100 comprend en outre une portion 106 réalisée avec un matériau thermoplastique 140 chargé de particules métalliques 120. Dans l’exemple décrit ici, la portion 106 est présente 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 figure 2A, la fabrication de la pièce 100 comprend tout d’abord l’introduction, ici par injection, d’un matériau thermoplastique 140 chargé avec des particules métalliques 120 dans une ou plusieurs parties d’un moule 50 correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage 101 de la pièce 100. Dans l’exemple décrit ici, le moule 50 présente une pluralité de cavités 56 formant un réseau de nervures. Le matériau thermoplastique 140 chargé avec des particules métalliques 120 est introduit dans le fond des cavités 56 de manière à être présent à un sommet 111 des nervures 110 de la pièce après démoulage. Comme représenté sur la figure 2B, un matériau thermoplastique non chargé de particules métalliques ou similaires 130 est ensuite introduit, ici par injection, dans le reste des cavités 56 de manière à former le corps de pièce 105 après démoulage. L’injection des deux matériaux est représentée sur les figures 2A et 2B de manière très schématique. En pratique, un matériau thermoplastique chargé de particules métalliques est injecté dans le moule via un ou des premiers ports d’injection tandis que le matériau thermoplastique non chargé de particules métalliques ou similaires est injecté dans le moule via un ou des deuxièmes ports d’injection présents sur le moule à des positions différentes du ou des premiers ports d’injection. Par ailleurs, il est possible de réaliser la première injection de matériau thermoplastique chargé de particules métalliques dans un moule dont la cavité de moulage présente une hauteur correspondante à celle de la portion 106 de la pièce 100. Le moule est ensuite ouvert et rallongé en hauteur pour permettre la deuxième injection matériau thermoplastique non chargé de particules métalliques ou similaires 130 de manière à former le corps de pièce 105. Selon une variante de mise en œuvre, la portion 106 une fois formée est déplacée dans un autre moule adapté pour la formation par injection du corps de pièce. L’injection du matériau thermoplastique non chargé de particules métalliques ou similaires destiné à former le corps de pièce 105 peut être réalisée avant l’injection du matériau thermoplastique chargé de particules métalliques destiné à former la portion 106 de la pièce 100. Après injections successives des deux matériaux thermoplastiques 140 et 130 et le refroidissement du moule, on démoule la pièce 100 comprenant le corps de pièces 105 et la portion 106 formant ensemble le réseau de nervures 110 (figure 1). Lorsque la pièce 100 est soumise à un champ magnétique, les particules métalliques 120 s’échauffent de manière à faire fondre localement le matériau thermoplastique 140. 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 thermoplastiques 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. Les particules métalliques servant de charge dans le matériau thermoplastique sont réalisées en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un champ magnétique. A titre d’exemples non limitatifs, les particules métalliques peuvent être réalisées avec un des matériaux suivants : cuivre, fer, titane et nickel. Les particules métalliques présentent une taille de préférence comprise entre 1 µm et 100 µm. Le matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques comprend entre 1% et 80% en masse de particules métalliques. La figure 3 représente une pièce 200 conformément à un autre mode de réalisation de l’invention. La pièce 200 comprend un corps de pièce 205 constituée d’une peau réalisée en matériau composite comprenant un renfort fibreux à fibres continues densifié par une matrice thermoplastique. Le corps de pièce 205 peut notamment être réalisé par estampage, thermocompression, placement automatique de fibres AFP, etc. Conformément à l’invention, la pièce 200 comprend en outre sur une face 205a du corps de pièce 205 une portion 206 réalisée avec un matériau thermoplastique 240 chargé de particules métalliques 220 similaires aux particules métalliques 120 déjà décrites. Dans l’exemple décrit ici, la portion 206 présente une forme correspondant à un réseau de nervures comme le réseau de nervures 110 de la pièce 100, la portion 206 définissant une surface d’assemblage sur la pièce 200. La pièce 200 est apte à être soudée avec une pièce en forme de réseau de nervures similaire à la pièce 100 qui, dans ce cas, n’a pas besoin d’être munie d’une portion en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques. La portion 220 peut être réalisée par surmoulage sur le corps de pièce 205 qui a été préalablement réalisé par estampage. Plus précisément comme illustré sur la figure 4, on utilise un outillage 70 comprenant une première demi-coquille 71 avec un logement 72 dans lequel est placé le corps de pièce 205 et une deuxième demi-coquille 73 avec des empreintes de moulage 74 dans lesquelles on injecte un matériau thermoplastique 240 chargé avec des particules métalliques 220. Après refroidissement et démoulage, on obtient la pièce 200 de la figure 3. Selon une variante de mise en œuvre, la portion 220 peut être réalisée par thermocompression en utilisant, un outillage comprenant une première demi-coquille avec des premières empreintes de moulage en dessous desquelles est placé le corps de pièce et une deuxième demi-coquille avec des deuxièmes empreintes de moulage destinées à coopérer avec les premières empreintes de moulage. Du matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques est placé dans chacune des premières empreintes. L’outillage est alors fermé en appliquant une pression sur la deuxième demi-coquille tout en chauffant le moule afin de mettre en œuvre la thermocompression. Après refroidissement et démoulage, on obtient la pièce 200 de la figure 3. 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 figure 5, par l’accostage de la surface d’assemblage 101 de la pièce 100 comprenant les particules métalliques 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 figure 6. L’ensemble ainsi constitué est soumis à un champ magnétique C 60 créé par un inducteur 60. Sous l’effet du champ magnétique, les particules métalliques 120 présentes au niveau de la surface d’assemblage 101 s’échauffent 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 sur les 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. Selon une variante de réalisation, la ou les portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques, comme les portions 106 ou 206 décrites précédemment, peuvent être remplacées par un dépôt métallique réalisé par exemple par dépôt chimique en phase vapeur CVD, par impression 3D, métallisation à froid (« cold spray »), ou tout autre méthode de dépôt ou d’accrétion par projection. Procédé de fabrication d’une pièce (100) apte à être soudée à une autre pièce, caractérisé en ce qu’il comprend la formation sur un corps de pièce (105) d’une ou plusieurs portions (106) en matériau thermoplastique (140) chargé avec des particules métalliques (120) correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage (101) de la pièce. Procédé selon la revendication 1, comprenant l’introduction d’un matériau thermoplastique (140) chargé avec des particules métalliques (120) dans une ou plusieurs parties d’un moule de manière à former une ou plusieurs portions (106) correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage (101) de la pièce (100) et l’introduction d’un matériau thermoplastique non chargé avec des particules métalliques (130) dans le reste du moule de manière à former le corps de pièce (105). Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau thermoplastique non chargé avec des particules métalliques (130) comprend une résine thermoplastique ou une résine thermoplastique chargée avec des fibres courtes. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le moule (50) présente une pluralité de cavités (56) formant un réseau de nervures, le matériau thermoplastique (140) chargé avec des particules métalliques (120) étant introduit dans le fond des cavités de manière à être présent à un sommet (111) des nervures (110) de la pièce en matériau thermoplastique (100), le matériau thermoplastique non chargé (130) étant ensuite introduit dans le reste des cavités. Procédé selon la revendication 1, comprenant la réalisation d’une peau composite formant un corps de pièce (205) et la formation sur au moins une face (205a) de la peau composite d’une ou plusieurs portions (206) en matériau thermoplastique (240) chargé avec des particules métalliques (220) correspondant à une ou plusieurs surfaces d’assemblage (101) de la pièce. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la ou les portions (206) en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques sont réalisées par surmoulage par injection d’un matériau thermoplastique (240) chargé avec des particules métalliques (220) sur le corps de pièce (205). Procédé selon la revendication 5, dans lequel la ou les portions en matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques sont réalisées par thermocompression d’un matériau thermoplastique chargé avec des particules métalliques sur le corps de pièce. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les particules métalliques (120, 220) sont réalisées en un matériau apte à s’échauffer sous l’effet d’un champ magnétique (C 60 ). Procédé selon la revendication 8, dans lequel le matériau des particules métalliques (120, 220) est choisi parmi un des matériaux suivants : cuivre, fer, titane et nickel. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les particules métalliques (120, 220) présentent une taille comprise entre 1 µm et 100 µm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le matériau thermoplastique (140) chargé avec des particules métalliques (120) comprend entre 1% et 80% en masse de particules métalliques. Procédé de fabrication d’une structure (500) comprenant au moins des première et deuxième pièces (100, 300), le procédé comprenant la fabrication d’une première pièce (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 le placement des première et deuxièmes pièces accostées dans un champ magnétique de manière à souder ladite première pièce à la deuxième pièce.