Brevet FR3125456A1 — publié le 20230127

La présente invention concerne un procédé de surmoulage de matériau composite comprenant les étapes suivantes : on fournit une pièce en matériau composite (12) comportant une matrice faite d’un premier matériau polymère et des fibres de renfort ; on fournit un second matériau polymère thermoplastique ; on fournit une source laser adaptée à produire un faisceau laser (14) et on oriente ledit faisceau laser (14) contre la surface (11) de ladite pièce en matériau composite (12) de manière à ablater ledit premier matériau polymère de ladite matrice à ladite surface, tandis que des fibres de renfort (20) sont mises à nu à ladite surface ; et,- on surmoule, dans ledit second matériau polymère, un élément (44) sur ladite surface ablatée de manière à pouvoir relier ensemble ledit élément (44) et ladite pièce en matériau composite (12), tandis que ledit second polymère noie lesdites fibres de renfort mises à nu (20). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Procédé de surmoulage de matériau composite La présente invention se rapporte à un procédé de surmoulage de matériau composite. En particulier, l'invention vise à améliorer les caractéristiques mécaniques d'un ensemble obtenu en surmoulant un élément en polymère thermoplastique sur une pièce en matériau composite. Le surmoulage consiste à venir mouler un élément sur une pièce déjà ébauchée. Ainsi, en plasturgie, il est bien connu d'insérer des pièces métalliques à l'intérieur d'un moule d'injection et de venir ensuite injecter un matériau polymère thermoplastique au moins partiellement autour de l'insert métallique. Ainsi par exemple, on surmoule les poignées d'un outil pour améliorer le confort de saisie, on surmoule des pièces métalliques pour pouvoir les isoler du courant électrique, et bien d'autres pièces encore pour différentes raisons techniques. Usuellement, lorsque l'on surmoule des pièces métalliques, on les enrobe au moins partiellement du matériau polymère. De la sorte, le matériau polymère adhère suffisamment à la pièce métallique après refroidissement pour en être solidaire, sans risque de séparation ultérieure. Aussi, selon d'autres applications, on surmoule des pièces en matériau polymère elles-mêmes, ou encore en matériau composite. Il s'agit par exemple de réaliser des zones de fixation sur des pièces en matériau composite. On pourra se référer notamment au document FR 3 083 160, lequel divulgue un tel exemple de mise en œuvre. Là également, l'élément surmoulé vient enrober des parties de la pièce et en l'espèce, à travers un orifice ménagé à cet effet. Aussi, l'élément surmoulé, est parfaitement solidaire de la paroi en matériau composite sans que le problème de l'adhérence ne se pose. En revanche, dans certaines applications où l'on vient surmouler un élément à la surface d’une pièce en matériau composite, un problème d'adhérence se pose. Aussi, il a été imaginé de préchauffer significativement le composite pour obtenir un mélange intime entre le polymère surmoulé et le polymère du composite. Toutefois, cette possibilité n'est offerte que dans le cas de pièces composites mises en œuvre avec une matrice en polymère thermoplastique. Dans le cas des polymères thermodurcissable, le polymère ne se ramollit plus lorsqu'on le chauffe. Partant, il existe un besoin pour améliorer la liaison entre un élément surmoulé et une pièce en matériau composite sur laquelle on le surmoule. Dans le but de résoudre ce problème, il est proposé un procédé de surmoulage de matériau composite caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : on fournit une pièce en matériau composite comportant une matrice faite d’un premier matériau polymère et des fibres de renfort noyées à l’intérieur de ladite matrice ; on fournit un second matériau polymère, ledit second matériau polymère étant thermoplastique ; on fournit une source laser adaptée à produire un faisceau laser et on oriente ledit faisceau laser contre la surface de ladite pièce en matériau composite de manière à ablater ledit premier matériau polymère de ladite matrice à ladite surface, tandis que des fibres de renfort sont mises à nu à ladite surface. Et, on surmoule, dans ledit second matériau polymère, un élément sur ladite surface ablatée de manière à pouvoir relier ensemble ledit élément et ladite pièce en matériau composite, tandis que ledit second polymère noie lesdites fibres de renfort mises à nu. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans le traitement de la surface du matériau composite au moyen d'un faisceau laser. Grâce au laser, on procède à la décomposition du matériau polymère en surface de la pièce et non pas seulement à un ramollissement du matériau. De la sorte, on met à nu les fibres de renfort du matériau composite et le second matériau polymère thermoplastique vient alors ultérieurement, enrober ces fibres. En conséquence, lorsque le matériau polymère thermoplastique se refroidit, et par conséquent se rigidifie, l'élément surmoulé est mieux ancré sur la pièce en matériau composite. En outre, grâce au laser on peut venir décomposer un matériau polymère thermodurcissable thermodurci et mettre également à nu les fibres de renfort. Aucun autre moyen ne permet d’ablater un tel matériau polymère thermodurci. Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, on oriente ledit faisceau laser contre une portion de surface de ladite pièce en matériau composite, tandis qu’une portion desdites fibres de renfort est mise à nu. Et on surmoule localement ledit élément sur ladite portion de surface, tandis que ledit second polymère noie ladite portion de fibres de renfort mises à nu. Grâce au faisceau laser, il est possible d'agir très localement à la surface de la pièce composite et très précisément sur la zone que l'on souhaite surmouler. Et partant, on met à nu localement les fibres du composite. En effet, le faisceau laser est aisément orientable et focalisable sur une zone réduite, comparativement aux autres techniques de traitement de surface, et notamment aux techniques mettant en œuvre des plasmas. Selon un mode de réalisation particulier, ledit premier matériau polymère est thermoplastique. Autrement dit, la matrice polymère du matériau composite est thermoplastique. De la sorte, on réalise un ensemble mécanique, un élément surmoulé plus une pièce composite, lequel ensemble est alors aisément recyclable. Par ailleurs, le premier matériau polymère se ramollit dans la zone d'interaction entre le faisceau laser et le composite, et partant, les deux polymères thermoplastiques de l'élément et de la pièce diffusent au moins partiellement l'un dans l'autre et provoque un meilleur accrochage après refroidissement. Selon une caractéristique de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageuse, ladite source laser émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine de l’ultraviolet. Grâce à une telle source laser, le polymère peut être ablaté relativement sélectivement par rapport aux fibres de renfort qu'il imprègne. Autrement dit, le rayonnement laser interagit essentiellement avec le polymère et n’affecte pas les fibres. Aussi, le rayonnement ultraviolet interagit avec le polymère et conduit à sa décomposition photochimique. Pour ce faire, on utilise par exemple un laser à excimère. D’autres types de laser peuvent être mis en œuvre en fonction des types de matériaux polymères du composite et des fibres qu’il inclut. Préférentiellement, on fournit un moule d’injection présentant un logement pour insérer ladite pièce en matériau composite et pour surmouler ledit élément sur ladite surface ablatée. Le moule d’injection, ou outillage, comprend deux parties adaptées à venir en appliquent l’une contre l’autre. Et l’une des parties présente le logement dans lequel on vient insérer la pièce en matériau composite lorsque les deux parties sont écartées l’une de l’autre. Ensuite, on applique les deux parties l’une contre l’autre pour former une chambre étanche incluant la pièce en matériau composite. Puis on peut injecter le polymère thermoplastique à l’état visqueux dans ladite chambre pour former l’élément surmoulé. Avantageusement, ledit moule d’injection présente des organes de chauffage pour fournir de l’énergie thermique à ladite pièce en matériau composite. Le réchauffement de la pièce en matériau composite permet, dans certaines circonstances, de ramollir au surplus le matériau polymère de la matrice et ainsi, favoriser l’adhésion du second matériau polymère visqueux et chaud. De surcroît, grâce au réchauffement du matériau composite, et par conséquent des fibres à nu, le second matériau polymère vient d’autant mieux les noyer. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, mais non limitatif, ledit moule d’injection présente des organes de déformation pour pouvoir déformer au moins partiellement ladite pièce en matériau composite. De tels organes permettent de façonner plus précisément la pièce en matériau composite durant le surmoulage lorsque cela est nécessaire. Une telle possibilité n’est bien évidemment possible que lorsque le matériau polymère de la matrice du matériau composite est thermoplastique. D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description 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 : est une vue schématique partielle en perspective d’une pièce en matériau composite traité selon le procédé conforme à l’invention dans une première phase ; est une vue schématique partielle en perspective de la pièce illustrée sur la au terme de la première phase ; est une vue schématique partielle en coupe droite de la pièce illustrée sur la en prise à l’intérieur d’un dispositif permettant de mettre en œuvre le procédé selon l’invention à travers une seconde phase ; est une vue schématique partielle du produit obtenu au terme de la seconde phase ; et, est une vue d’un logigramme du procédé conforme à l’invention. La montre partiellement une extrémité 10 d’une pièce méplate en matériau composite 12. La pièce méplate 12 présente une surface supérieure 11 opposée à une surface inférieure 13. Ainsi, selon une première étape 15, conforme au procédé selon l’invention, on fournit ladite pièce méplate 12. Le matériau composite est ici fait d’une matrice en polyester thermodurcissable à l’intérieur de laquelle est noyé un textile en trois dimensions fait de fibres d’aramide. Le polyester ici mis en œuvre est ainsi un polyester insaturé. D’autres types de composites peuvent être mis en œuvre, avec une matrice polymère en époxyde ou en vinylester, tandis que les fibres sont des fibres de verre ou de carbone. Le composite est usuellement formé à chaud, puis refroidit pour devenir rigide tandis que le polymère de la matrice réticule. Aussi, la illustre, au-dessus de l’extrémité 10 de la pièce méplate 12, un faisceau laser 14 focalisé par une lentille 16 à l’intérieur d’une zone rectangulaire 18 de l’extrémité 10 de la pièce 12. Le faisceau laser 14 est obtenu par une source laser associant un amplificateur optique avec une cavité optique. Le laser est ici un laser utilisant un milieu solide, un grenat d’aluminium et d’yttrium : YAG. Ce laser émet un rayonnement électromagnétique dans l’ultraviolet. D’autres types de laser, à gaz, les lasers excimère émettent dans l’ultraviolet et peuvent être mis en œuvre. Ainsi, le faisceau laser 14 est orienté selon une direction sensiblement normale à la surface supérieure 11 de la pièce méplate 12 et, conformément à une deuxième étape 17 de mise en œuvre du procédé selon invention, il est entraîné en translation pas à pas, selon les composantes perpendiculaires entre elles X, Y, de manière à couvrir l’entière surface supérieure 11 définie par la zone rectangulaire 18. L’interaction entre le faisceau laser 14 et le matériau polymère du composite 12 conduit à une décomposition photochimique du matériau et à son ablation. Autrement dit, le faisceau laser 14 vient briser les liaisons moléculaires du matériau polymère. Le matériau est alors dénaturé et éjecté sous forme de gaz et de fragments moléculaires. Cette ablation du polymère s’opère sur une épaisseur variable en fonction du temps d’exposition du matériau au faisceau 14. Ainsi, comme illustré sur la , après que le faisceau laser 14 a balayé toute la surface supérieure 11 correspondant à la zone rectangulaire 18 de l’extrémité 10 de la pièce méplate 12, le polyester thermodurcissable a été ablaté et des fibres entrecroisées 20 sont mises à nu. Grâce au laser ici utilisé, le matériau polymère a été dénaturé et éjecté localement sans affecter les fibres de la zone rectangulaire 18, sur une faible épaisseur. Partant, la pièce méplate 12 présente un creusement 23 dans la zone rectangulaire 18, à l’intérieur duquel viennent s’étendre les fibres entrecroisées 20. On se rapportera à présent sur la montrant en coupe droite, un moule d'injection 22 comprenant une partie inférieure 25 présentant un logement 24, et au-dessus une partie supérieure 26. Le logement 24 est de forme parallélépipédique rectangle et il présente un fond 27 et des dimensions identiques à celles de la pièce méplate 12, et ce, au jeu fonctionnel près, de manière à pouvoir l’accueillir à l'intérieur. Aussi, la pièce méplate 12 est ajustée à l’intérieur du logement 24, la surface inférieure 13 en appui contre le fond 27 de manière à ce que la zone rectangulaire 18 de la surface supérieure 11, apparaisse en regard de la partie supérieure 26 du moule d’injection 22. La partie supérieure 26 est mobile en translation verticale suivant une suffisamment grande amplitude pour pouvoir porter la pièce méplate 12 à l’intérieur du logement 24. Selon une variante de réalisation, la partie inférieure 25 est équipée d’organes de chauffage étendus autour du logement 24 de manière à pouvoir fournir de l’énergie thermique à la pièce méplate 12. Aussi, on observera que la surface supérieure 11 de la pièce méplate 12 vient à l’affleurement du logement 24 et dans le plan de joint 28 défini par la face supérieure 30 de la partie inférieure 25 du moule 22. A l’opposé, la partie supérieure 26 du moule injection 22 présente une face inférieure 32 dans laquelle est ménagée une empreinte de moulage 34. Aussi, un canal d’injection 36 débouche dans cette empreinte de moulage 34. Ici, sur la , l’empreinte de moulage 34 présente une forme parallélépipédique rectangle et elle est centrée sur le logement 24. Plus précisément, elle vient ici en regard de la zone rectangulaire 18 de la pièce méplate 12. Selon une troisième étape 38 conforme à l’invention, on fournit un polymère thermoplastique, et en l’espèce un polyester thermoplastique. De la sorte, ce polyester thermoplastique aura une plus grande affinité avec le polyester thermodurcissable de la pièce méplate 12. Et par conséquent, il y adhèrera beaucoup mieux. Ainsi, selon une quatrième étape 40, ce polyester thermoplastique est acheminé à l’état chaud et visqueux à travers le canal d’injection 36 de la partie supérieure 26 du moule d’injection 22, après que le moule d’injection 22 a été abaissé selon la flèche F, sa face inférieure 32 en applique contre la face supérieure 30 de la partie inférieure 25. Ainsi, la face inférieure 32 vient s’appliquer également contre la surface supérieure 11, partiellement, autour de la zone rectangulaire 18 de la pièce méplate 12. De la sorte, l’empreinte de moulage 34 forme une chambre étanche en regard du creusement 23. Le polyester thermoplastique est alors injecté à l’intérieur de l’empreinte de moulage 34 et il se répand ainsi dans la chambre étanche pour venir s’étendre dans le creusement 23 et imprégner les fibres mises à nu 20. Selon la variante de réalisation précitée visant à fournir de l’énergie thermique à la pièce méplate 12, le polyester thermoplastique visqueux et chaud présente alors une meilleure adhésion au polymère de la pièce 12. On observera que cette adhésion est encore accentuée lorsque le polymère de la pièce composite est un polymère thermoplastique. Dans ce cas en effet, les deux polymères peuvent diffuser l’un dans l’autre à leur interface. La partie supérieure 26 du moule d’injection 22 est alors maintenue contre la partie inférieure 25, durant une phase de refroidissement du polyester thermoplastique. À l’issue de cette phase, le polymère est alors rigide. Préférentiellement, la partie supérieure 26 du moule d’injection 22 est équipée d’un circuit de refroidissement pour pouvoir accélérer le refroidissement du matériau polymère et ainsi, sa rigidification. Ainsi, dans une ultime étape 42, la partie supérieure 26 du moule d’injection 22 est relevée, tandis que la pièce méplate 12, surmontée d’un élément supplémentaire 44 est retirée de la partie inférieure 25 du moule 22 Elle est ainsi représentée sur la . L’élément supplémentaire 44 est alors parfaitement solidaire de la pièce méplate 12 grâce à l’extension des fibres mises à nu 20 dans l’élément supplémentaire 44. Autrement dit, l’élément supplémentaire 44 et la pièce méplate 12 sont fermement liés ensemble et plus résistants à la séparation que ne le seraient un élément surmoulé sur une pièce composite selon une méthode traditionnelle sans traitement de surface avec un laser. L’élément supplémentaire 44, surmoulé ici sur la pièce méplate 12, est un exemple de mise en œuvre à titre illustratif. Bien évidemment, le procédé selon l’invention peut être adapté pour relier ensemble tout élément en matériau thermoplastique à une pièce en matériau composite quelque soit sa forme. De surcroît, d’autres matériaux polymères peuvent êtres mis en œuvre, y compris des matériaux thermoplastiques pour le matériau composite. Aussi, lorsque la pièce composite présente une matrice thermoplastique, le moule d’injection peut être équipé d’organes de déformation pour pouvoir déformer au moins partiellement la pièce en matériau composite durant le surmoulage. Cette possibilité est également offerte par les organes de chauffage précités de la partie inférieure 25. Procédé de surmoulage de matériau composite caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - on fournit une pièce en matériau composite (12) comportant une matrice faite d’un premier matériau polymère et des fibres de renfort noyées à l’intérieur de ladite matrice ; - on fournit un second matériau polymère, ledit second matériau polymère étant thermoplastique ; - on fournit une source laser adaptée à produire un faisceau laser (14) et on oriente ledit faisceau laser (14) contre la surface (11) de ladite pièce en matériau composite (12) de manière à ablater ledit premier matériau polymère de ladite matrice à ladite surface, tandis que des fibres de renfort (20) sont mises à nu à ladite surface ; et, - on surmoule, dans ledit second matériau polymère, un élément (44) sur ladite surface ablatée de manière à pouvoir relier ensemble ledit élément (44) et ladite pièce en matériau composite (12), tandis que ledit second polymère noie lesdites fibres de renfort mises à nu (20). Procédé de surmoulage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on oriente ledit faisceau laser (14) contre une portion (18) de surface (11) de ladite pièce en matériau composite (12), tandis qu’une portion desdites fibres de renfort est mise à nu, et en ce qu’on surmoule localement ledit élément (44) sur ladite portion de surface, tandis que ledit second polymère noie ladite portion de fibres de renfort mises à nu. Procédé de surmoulage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit premier matériau polymère est thermoplastique. Procédé de surmoulage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit premier matériau polymère est thermodurci. Procédé de surmoulage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite source laser émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine de l’ultra-violet. Procédé de surmoulage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’on fournit un moule d’injection (22) présentant un logement (24) pour insérer ladite pièce en matériau composite (12) et pour surmouler ledit élément (44) sur ladite surface ablatée. Procédé de surmoulage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moule d’injection (22) présente des organes de chauffage pour fournir de l’énergie thermique à ladite pièce en matériau composite (12). Procédé de surmoulage selon les revendications 3 et 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit moule d’injection présente des organes de déformation pour pouvoir déformer au moins partiellement ladite pièce en matériau composite.