Brevet FR3131865A1 — publié le 20230721

Selon un procédé de fabrication de profilés composites à matrice de matière thermoplastique : - on utilise une pluralité de cordons (30) comportant une âme avec des fibres de renfort prises dans une première matrice en une première matière thermoplastique ; - dans une étape d'agglomération on chauffe la pluralité de cordons (30) pour fondre la première matière thermoplastique, puis on agglomère les cordons (30) en les passant ensembles dans des moyens de conformation (22) par traction pour former le profilé (3), les cordons (30) ayant une section dont le rapport périmètre sur aire est inférieur à 4 mm -1 . Profilé ainsi fabriqué. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 profilé composite à matrice en matière thermoplastique et son procédé de fabrication L’invention concerne un profilé composite comportant des fibres continues et une matrice en matière thermoplastique. Il concerne également son procédé de fabrication. Il est connu de réaliser des profilés en matière composite comprenant des fibres continues enrobées dans une matrice de matière synthétique. Les fibres sont par exemple des fibres de verre, des fibres de carbone, en matière synthétique ou des fibres végétales. De tels profilés sont réputés pour être légers et de bonne résistance. L’utilisation d’une matrice en matière thermoplastique permet de bénéficier de propriétés physiques ou chimiques spécifiques des matières thermoplastiques, par exemple pour transformer ensuite les profilés en ramollissant ou faisant fondre la matière et en conférant une nouvelle forme. Elle permet également de faciliter le recyclage des objets construits avec ces profilés. L’un des procédés connus de fabrication de tels profilés est la pultrusion qui consiste à tirer un faisceau de fibres unidirectionnelles au travers d'une filière permettant d’imprégner lesdites fibres d’une résine polymérisable et de polymériser la résine dans la filière pour former un profilé composite en sortie de ladite filière, constitué des fibres de renfort et d'une matrice incorporant les fibres. Les résines utilisées sont majoritairement de type thermodurcissable mais peuvent également être de type thermoplastique. Le faisceau de fibres est typiquement un regroupement de mèches, chaque mèche étant composée d'une multitude de fibres, par exemple de fibres de verre, placées côte-à-côte sans entrecroisement. Une mèche est aussi appelée « stratifil » dans le cas du verre ou désigné par le terme anglais « roving ». Dans un cas particulier, la polymérisation de précurseurs (monomères et oligomères) pour l’obtention des polymères thermoplastiques peut avoir lieu in situ dans l’outillage de pultrusion. Les précurseurs utilisés sont alors en général de faible viscosité, ce qui a l’avantage de permettre l’utilisation des taux de renfort très importants tout en ayant une excellente et très homogène imprégnation des fibres. Les systèmes réactifs existant pour la pultrusion sont principalement basés sur des mécanismes de polymérisation par ouverture de cycle de monomères/oligomères comme l’ε-caprolactame pour le polyamide 6 (PA6), le lauryl-lactame pour le polyamide 12 (PA12), les oligomères cycliques de butylène téréphtalate pour le poly(butylène téréphtalate) (PBT) ou de polymérisation radicalaire comme pour le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), à partir de méthacrylate de méthyle. Dans la suite du document, on appellera formellement résine le mélange des précurseurs qui formera le polymère et la matrice après la réaction. Le profilé est formé dans la filière de pultrusion qui intègre une zone d’imprégnation suivi de la zone de polymérisation faisant également office de zone de calibrage puisque qu’elle confère la forme souhaitée au profilé, de sorte que le profilé sort dans sa forme finale, généralement à l’état solide c’est-à-dire à une température en dessous du point de fusion de la matière thermoplastique qui le compose. Ces outillages sont extrêmement onéreux du fait de leurs dimensions. En effet, la taille de l’outillage est déterminée par le temps nécessaire de polymérisation et par le compromis entre la longueur de la filière et les efforts de traction générés sur le profilé. À noter que, même si la vitesse de polymérisation peut être accélérée par l’ajout de composants dédiés, celle-ci reste limitée par la nécessité de maintenir une faible viscosité, le temps de transférer le mélange de résine dans l’outillage et de mouiller le faisceau de fibres. Le document WO 2011/156693 A2 montre un procédé de réalisation de profilés comprenant principalement deux étapes. Dans une première étape, des rubans sont fabriqués à partir de fibres en continu qui sont enrobées de matière thermoplastique fondue. Ces rubans sont ensuite assemblés en pile et l’assemblage passe dans une filière alors que la matière thermoplastique est à nouveau fondue. On réalise ainsi un profilé de section rectangulaire. La technique d’enrobage de fibres par de la matière thermoplastique fondue n’a jamais été convaincante, du fait que la matière reste trop visqueuse et ne peut imprégner qu’une faible section de fibres et avec une faible densité de fibres. L’invention vise à fournir un procédé de fabrication de profilés composites à matrice en matière thermoplastique offrant une simplicité de mise en œuvre, ayant une bonne productivité et utilisant un outillage peu onéreux. Elle vise également à fournir des profilés composites à matrice en matière thermoplastique ayant de nouvelles propriétés. Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet un procédé de fabrication de profilés composites à matrice de matière thermoplastique selon lequel : - on utilise une pluralité de cordons comportant une âme avec des fibres de renfort prises dans une première matrice en une première matière thermoplastique ; - dans une étape d'agglomération on chauffe la pluralité de cordons pour faire fondre la première matière thermoplastique, puis on agglomère les cordons en les passant ensembles dans des moyens de conformation par traction pour former le profilé, caractérisé en ce que les cordons ont une section dont le rapport périmètre sur aire est inférieur à 4 mm -1 . Le rapport périmètre sur aire permet de caractériser la forme et la taille des cordons. Avec une valeur de 4 mm -1 , on sélectionne des cordons de section plutôt massive, pas très fins. Pour un cordon de section ronde et de diamètre 1 mm, la valeur vaut 4 mm -1 . Le critère permet de retenir les cordons ronds de diamètre supérieur à 1 mm. Pour un cordon de section rectangulaire de 6 x 0,6 mm, le rapport vaut 3,7. La sélection de cordons selon ce critère permet d’obtenir les sections souhaitées en limitant les contraintes aux interfaces des cordons entre eux, et donc en limitant des risques de rupture de fibres ou de création de criques emprisonnant de l’air. La limitation des contraintes provient de la limitation du nombre de cordons, en utilisant des cordons de section conséquente, et en limitant la surface de contact entre eux, avec une forme compacte. Dans le cas d’une utilisation de filière pour ce procédé on a constaté qu’elle était courte et peu onéreuse. Elle génère des efforts de tirage raisonnables, ce qui permet d’utiliser des moyens de tirage simples. D’autres moyens de conformation sont également possibles avec par exemple une combinaison de rouleaux. Ces moyens peuvent exercer la fonction de tirage ou être complétés par des moyens de tirage dédiés qui agissent sur le profilé en aval de sa conformation. Les cordons peuvent avoir diverses formes de section que ce soit circulaire, elliptique, oblongue, polygonale, rectangulaire, hexagonale ou une forme quelconque. Dans le cas des matières amorphes ou semi-cristallines, on entend par température de fusion, une température supérieure à la température de transition vitreuse pour obtenir un ramollissement complet de la matière. Dans le cas du PMMA par exemple, cette température est de 100 à 150K supérieure à la température de transition vitreuse. Selon un mode de réalisation, on produit les cordons en pultrusion réactive, l’âme comportant des fibres continues. Les cordons obtenus par pultrusion sont bien adaptés pour la réalisation de pièces allongées ou continues. La pultrusion réactive de matière thermoplastique a l’avantage de réaliser une excellente imprégnation des fibres par la résine avant sa transformation en matière thermoplastique. On peut ainsi obtenir des cordons avec une densité importante de fibres et une très bonne répartition de la première matière thermoplastique dans les fibres. La pultrusion réactive produit la première matière thermoplastique choisie par exemple dans un groupe comprenant le polyamide-6, le polyamide-12, le polyméthacrylate de méthyle, le polybutylène téréphtalate et le polyéthylène téréphtalate. Les systèmes réactifs existant pour la pultrusion sont principalement basés sur des mécanismes de polymérisation par ouverture de cycle de monomères/oligomères comme l’ε-caprolactame pour le polyamide 6 (PA6), le lauryl-lactame pour le polyamide 12 (PA12), les oligomères cycliques de butylène téréphtalate pour le poly(butylène téréphtalate) (PBT) ou de polymérisation radicalaire comme pour le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), à partir de méthacrylate de méthyle. Selon un mode de réalisation, le profilé a une aire de section finale supérieure à la somme des aires de section des cordons entrant dans les moyens de conformation et on réalise un apport d’une deuxième matière thermoplastique pour obtenir la section finale de la pièce composite. On contrôle ainsi parfaitement la section de la pièce que l’on obtient, et ceci sans perte de matière et en minimisant les risques de défaut de matière dans la pièce. La deuxième matière complémentaire est par exemple fournie par une extrudeuse à la manière d’une coextrusion et permet aussi de monter la pression sur les cordons afin de mieux les compacter et de revêtir la pièce d’une couche superficielle, le cas échéant. Cette matière complémentaire peut être la même que celle des âmes des cordons, ou une matière distincte afin de fournir des propriétés de surface spécifiques, notamment de résistance aux environnements agressifs et d’aspect extérieur. Lors de la phase d’injection de matière, la deuxième matière thermoplastique vient en outre comprimer la pluralité de cordons. L’apport de matière complémentaire est typiquement inférieur à 5 % du volume total de la pièce, de préférence inférieur à 2 %. Selon un mode de réalisation, la pièce composite est une pièce profilée dont l’aire de section est sensiblement égale à la somme des aires de section des cordons entrant dans les moyens de conformation. On peut prévoir que les cordons sont assemblés sans ajout de matière ni reflux, en alimentant les moyens de conformation avec juste la quantité nécessaire et suffisante pour obtenir le profilé. Selon un mode de réalisation, le profilé a une l’aire de la section finale inférieure à la somme des sections des cordons entrant dans les moyens de conformation, les moyens de conformation comportant des moyens de régulation pour réguler la pression en laissant fuir de la matière thermoplastique fondue. Dans ce cas, le passage des cordons dans les moyens de conformation va créer un reflux de matière fondue. De manière avantageuse, on régule le reflux de matière afin de maintenir une pression qui permet d’améliorer le compactage des cordons entre eux. Cette méthode a l’avantage de rester simple en termes d’outillage. L’excédent de matière est typiquement inférieur à 2 % de la section de la pièce. Selon une disposition constructive, les moyens de conformation comportent une filière par tirage dans laquelle l’étape d’agglomération est réalisée, la filière comportant une chambre de compactage suivie par un calibreur permettant de figer la section du profilé. La matière qui fond est ainsi enfermée dans la chambre de compactage. La section de la chambre de compactage se réduit vers l’aval afin de forcer les cordons les uns contre les autres. Le calibreur permet de conférer une section précise au profilé qu’on obtient, avec par exemple un refroidissement qui permet d’obtenir le durcissement de la matière thermoplastique. Selon un perfectionnement, la filière comporte une grille en amont de la chambre de compactage, la grille permettant de guider les cordons vers la chambre de compactage. La grille permet de garder un écart entre les cordons avant le compactage. Selon une disposition particulière, la deuxième matière thermoplastique est injectée dans la chambre de compactage. L’apport de la deuxième matière thermoplastique est réalisé avant le regroupement des cordons de telle sorte que cette matière se répartit entre les cordons et forme une deuxième matrice. Dans le cas de la présence d’une grille, celle-ci permet de retenir la deuxième matière thermoplastique, en évitant que celle-ci remonte en amont. La deuxième matière thermoplastique est par exemple injectée par une extrudeuse. Comme dans le cas d’un apport de deuxième matière par coextrusion, cette matière complémentaire peut être de même nature que celle des âmes des cordons, ou une matière distincte. Selon un mode de réalisation, les moyens de conformation forment le profilé en courbure afin de produire un profilé courbe. Dans le cas d’une agglomération dans une filière, au moins le calibreur a une courbure dans le sens de filage, et les moyens de tirage accompagnent la courbure du profilé. L’invention a aussi pour objet un profilé composite, caractérisé en ce qu’il est obtenu avec un procédé tel que décrit précédemment. De tels profilés peuvent incorporer des cordons avec des âmes aux propriétés mécaniques optimisées, notamment avec une densité de fibres importante, tout en étant simples à fabriquer. Selon des caractéristiques avantageuses, le taux moyen de fibres en volume est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 60 %. Ce taux est par exemple calculé sur une section, en faisant le rapport entre la section cumulée des fibres et celle du profilé. Un taux élevé de fibres permet une résistance mécanique importante du profilé, notamment avec une rigidité élevée et une résistance à la rupture en flexion ou en traction élevée. Selon des caractéristiques avantageuses, les fibres continues de l’âme des cordons sont choisies dans un groupe comprenant les fibres de verres, les fibres de carbone, les fibres végétales, les fibres métalliques et les fibres d’aramide. L’invention a aussi pour objet un élément comportant un profilé tel que défini précédemment, sur lequel au moins une excroissance est rapportée par moulage par-dessus le profilé. L’élément comporte ainsi une pièce de forme essentiellement allongée, comme une poutre, sur laquelle on ajoute la possibilité de raccordement à un environnement ou de servir de support à des accessoires. Le moulage par-dessus la pièce, ou surmoulage consiste à mettre une partie de la pièce dans un moule et injecter de la matière thermoplastique fondue sur cette partie. La matière thermoplastique adhère alors à la pièce et forme la ou les excroissances. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la est une vue schématique d’une installation de fabrication de cordon pour la mise en œuvre d’un procédé selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - la est une vue d’une autre partie de l’installation mettant en œuvre le procédé selon le premier mode de réalisation de l’invention ; - la est une vue en section d’un premier exemple de profilé produit avec l’installation de la ; - la est une vue en section d’un deuxième exemple profilé produit avec l’installation de la ; - la est une vue en coupe une filière d’agglomération de l’installation de la ; - la est une vue schématique similaire à la d’une installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; - la est une vue similaire à la d’une variante de filière d’agglomération utilisée sur l’installation de la ; - la est une vue en coupe similaire à la d’une variante du deuxième mode de réalisation ; - la est une vue schématique similaire à la d’une installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un troisième mode de réalisation de l’invention, pour produire des profilés courbes. Procédé de fabrication de profilé composite à matrice de matière thermoplastique selon lequel : - on utilise une pluralité de cordons (30) comportant une âme avec des fibres de renfort prises dans une première matrice en une première matière thermoplastique ; - dans une étape d'agglomération on chauffe la pluralité de cordons (30) pour faire fondre la première matière thermoplastique, puis on agglomère les cordons (30) en les passant ensembles dans des moyens de conformation (22) par traction pour former le profilé (3), caractérisé en ce que les cordons (30) ont une section dont le rapport périmètre sur aire est inférieur à 4 mm -1 . Procédé selon la revendication 1, selon lequel on produit les cordons (30) dans une étape de pultrusion réactive, l’âme comportant des fibres continues. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la pultrusion réactive produit la première matière thermoplastique choisie dans un groupe comprenant le polyamide-6, le polyamide-12, le polyméthacrylate de méthyle et le polytéréphtalate de butylène. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le profilé a une section finale supérieure à la somme des sections des cordons (30) entrant dans les moyens de conformation (22) et on réalise un apport d’une deuxième matière pour obtenir la section finale du profilé (3’, 3’’) composite. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, selon lequel le profilé composite a une aire de section finale sensiblement égal à la somme des aires de section des cordons entrant dans les moyens de conformation. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, selon lequel le profilé a une la section finale inférieure à la somme des aires de section des cordons (30) entrant dans les moyens de conformation (22), les moyens de conformation (22) comportant des moyens de régulation (2240, 2241) pour réguler la pression en laissant fuir de la matière thermoplastique fondue. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les moyens de conformation comportent une filière (22) par tirage dans laquelle l’étape d'agglomération est réalisée, la filière (22) comportant une chambre de compactage (224) suivie par un calibreur (225) permettant de figer la section du profilé (3, 3’, 3’’). Procédé selon la revendication 7, selon lequel la filière comporte une grille (223) en amont de la chambre de compactage, la grille (223) permettant de guider les cordons vers la chambre de compactage (224). Procédé selon la revendication 4 et, 7 ou 8, prises en combinaison, selon lequel la deuxième matière thermoplastique est injectée dans la chambre de compactage (224’). Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les moyens de conformation (22’’’) forment le profilé en courbure afin de produire un profilé courbe (3’’’). Profilé composite, caractérisé en ce qu’il est obtenu avec un procédé selon l’une des revendications précédentes. Profilé selon la revendication 11, dans lequel le taux moyen de fibres en volume est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 60 %. Profilé selon l’une des revendications 11 à 12, dans laquelle les fibres de renfort de l’âme des cordons (30) sont choisies dans un groupe comprenant les fibres de verres, les fibres de carbone, les fibres végétales, les fibres métalliques et les fibres d’aramide.