FR2763881A1 - Procede et dispositif pour realiser in-situ une ouverture traversante dans un panneau a structure composite de type sandwich a ame alveolaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour réaliser une ouverture traversante (15) dans un panneau (10) de structure composite du type sandwich, ledit panneau comprenant un empilement d'au moins une première peau (11), une âme alvéolaire (12) en matériau thermoplastique, et une deuxième peau (13), lesdites première et deuxième peaux (11, 13) étant constituées d'un matériau thermoplastique renforcé avec des fibres.Selon l'invention, lors du formage dudit panneau, réalisé par compression dudit empilement à une pression comprise entre 10 et 30 bars, les première et deuxième peaux étant préalablement chauffées, on transperce à un endroit déterminé (14) ledit empilement en écartant à cet endroit les fibres de la première puis de la deuxième peaux.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la réalisation d'une ouverture traversante dans un panneau composite du type sandwich, ledit panneau comprenant un empilement d'au moins une première peau, d'une âme alvéolaire en matériau thermoplastique et d'une deuxième peau, lesdites première et deuxième peaux étant constituées d'un matériau thermoplastique renforcé avec des fibres.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, notamment dans le domaine de l'industrie automobile, pour la réalisation de pièces en matière plastique destinées à être assemblées par un système traversant du type rivetage, boulonnage ou clippage, nécessitant le perçage préalable desdites pièces.

Les pièces en matière plastique peuvent être réalisées par injection, par extrusion, par rotomoulage, coulage, thermoformage, frittage de poudre, centrifugation et imprégnation.

L'invention concerne plus particulièrement la fabrication de pièces par thermoformage.

La formation d'ouvertures traversantes dans des pièces obtenues par thermoformage d'un panneau en matière thermoplastique, est le plus souvent réalisée par découpage dudit panneau une fois thermoformé lors d'une étape de reprise. Les principales techniques de découpe sont la découpe par jet d'eau, la découpe laser, le poinçonnage et le perçage.

Lorsque que le panneau est constitué d'un matériau thermoplastique renforcé avec des fibres longues ou courtes, ou comprend une âme alvéolaire prise en sandwich entre des peaux en matière thermoplastique renforcée avec des fibres longues ou courtes, la réalisation d'une ouverture dans un tel panneau par une des techniques de découpe précitées, provoque nécessairement à l'endroit de l'ouverture la coupe desdites fibres.

Le fait de couper les fibres fragilise localement le panneau et il est alors nécessaire d'utiliser des renfort locaux, tels que des inserts, pour tenter de renforcer ces zones de fragilité.

Afin de pallier cet inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose un nouveau procédé de réalisation d'une ouverture traversante dans un panneau comportant de la matière thermoplastique renforcée avec des fibres, qui permet d'une part d'éviter de couper lesdites fibres et donc de provoquer l'affaiblissement local dudit panneau, et d'autre part d'éliminer l'étape de reprise supplémentaire de découpage dans le processus globale de fabrication de la pièce par thermoformage.

Plus particulièrement, selon l'invention il est prévu un procédé pour réaliser une ouverture traversante dans un panneau de structure composite du type sandwich, ledit panneau comprenant un empilement d'au moins une première peau, une âme alvéolaire en matériau thermoplastique, et une deuxième peau, lesdites première et deuxième peaux étant constituées d'un matériau thermoplastique renforcé avec des fibres.

Il est caractérisé en ce que lors du formage dudit panneau, réalisé par compression dudit empilement à une pression comprise entre 106 et 30.105 Pa, les première et deuxième peaux étant préalablement chauffées, on transperce à un endroit déterminé ledit empilement en écartant à cet endroit les fibres de la première puis de la deuxième peaux.

Ainsi, selon l'invention, lors de l'opération de perçage dudit panneau les fibres ne sont plus coupées mais écartées et le panneau conserve à l'endroit où est réalisée l'ouverture toutes ses qualités mécaniques. De plus, l'opération de perçage est avantageusement effectuée simultanément avec l'opération de thermoformage dudit panneau, le nombre d'étapes nécessaires pour fabriquer la pièce est donc diminué et par là même son coût de fabrication.

Avantageusement selon l'invention, préalablement au perçage dudit panneau, on chauffe à une température comprise entre 200 et 2600C un pré-assemblage constitué par ledit empilement.

Ainsi, le procédé conforme à l'invention profite de la grande ductilité desdites peaux après l'étape de chauffe pour les transpercer facilement lors de l'étape de formage.

Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, on transperce ledit empilement selon une direction perpendiculaire au plan formé par lesdites peaux.

Selon un autre mode de réalisation du procédé conforme à la présente invention, on transperce ledit empilement selon une direction oblique par rapport à la normale au plan formé par lesdites peaux.

Selon une particularité du procédé conforme à l'invention, les première et deuxième peaux sont constituées par un mat ou un tissu de fibres de verre et d'un matériau thermoplastique tel que du polypropylène.

Dans un mat de fibres de verre noyées dans un matériau thermoplastique, les fibres de verre de grande longueur sont distribuées plus ou moins aléatoirement dans ledit matériau thermoplastique.

L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, qui comporte un pointeau monté sur une paroi interne du moule de sorte qu'il s'étend en direction de l'autre paroi interne en regard dudit moule où il est prévu un logement dans lequel s'engage ledit pointeau lorsqu'il transperce ledit empilement en cours de formage.

Ainsi, selon l'invention, lors de la compression dudit panneau à structure sandwich, la température des peaux est suffisamment élevée pour que le pointeau pénètre sans difficulté suivant une direction prédéterminée à l'intérieur de celles-ci et écarte localement les fibres ou les fils dont la forme à cet endroit s'adapte au profil externe dudit pointeau.

Selon un mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention, le pointeau est monté mobile sur la paroi interne supérieure du moule de sorte qu'il descende en direction dudit logement correspondant après que lesdites première et deuxième peaux de l'empilement aient été pincées entre lesdites parois du moule.

Un tel agencement du dispositif selon l'invention, est particulièrement adapté au perçage de peaux à forte densité de fibres ou de forte épaisseur dont la viscosité est alors importante. En effet, selon cet agencement de pointeau monté mobile, lors de la fermeture du moule, le pointeau reste en position haute et lesdites peaux sont alors pincées et tendues entre les deux parties du moule.

Les peaux maintenues ainsi tendues, conservent assez d'élasticité pour que lors de la descente ultérieure du pointeau, celui-ci transperce ces dernières sans pour cela qu'une partie des fibres soit entraînée par le pointeau dans le logement pour accueillir celui-ci.

En particulier, le pointeau comprend un fût se terminant par un pointe dont les formes et les dimensions sont adaptées à la forme et aux dimensions de l'ouverture traversante à réaliser.

Le fût permet de maintenir la pointe du pointeau en position lors de l'opération de perçage, et son diamètre (lorsque celui-ci est de forme cylindrique) détermine le diamètre de l'ouverture traversante à réaliser.

La pointe du pointeau permet d'écarter les fibres des peaux lors de la traversée dudit pointeau. La forme et le profil de la pointe sont tels qu'elle permet d'écarter lesdites fibres sans les abîmer.

Il peut être prévu que la pointe présente une forme conique ou une forme d'aiguille avec une face plate et une face courbe.

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

Sur les dessins annexés
la figure l est une vue schématique du poste de chauffage et du poste de thermoformage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, avec le dispositif conforme à l'invention,
la figure 2 est une vue schématique de côté du pointeau du dispositif selon l'invention,
la figure 3 est une vue de dessus avant et après perçage conformément au procédé selon l'invention d'un panneau de structure composite du type sandwich, et
la figure 4 est une représentation schématique d'un montage d'essais d'arrachement sur une éprouvette d'un panneau de structure composite du type sandwich percé selon le procédé conforme à l'invention.

La figure 5 représente deux courbes de résultats d'essais de traction réalisés sur deux types d'éprouvettes différentes, un premier type d'éprouvettes percées de manière classique (courbe A), l'autre type d'éprouvettes étant percées conformément au procédé selon l'invention (courbe B).

Sur la figure 1, on a représenté deux étapes successives d'un procédé de thermoformage avec perçage intégré d'un panneau composite du type sandwich, comportant une âme alvéolaire en matériau thermoplastique prise en sandwich entre deux peaux.

La première étape représentée est une étape de chauffage au cours de laquelle on chauffe à une température comprise entre 200 et 2600C un pré-assemblage 10' constitué par l'empilement d'une première peau, d'une âme alvéolaire en matériau thermoplastique et d'une deuxième peau, les première et deuxième peaux étant constituées d'un matériau thermoplastique renforcé avec des fibres.

Le chauffage est réalisé par l'intermédiaire d'éléments chauffant 300 disposés de part et d'autre d'un convoyeur 400 du type tapis roulant sur lequel est disposé le pré-assemblage 10'.

La deuxième étape représentée est une étape de formage du panneau, réalisé par compression dudit empilement chauffé à une pression comprise entre 106 et 30.105 Pa.

Ce formage est réalisé à l'aide d'une presse comportant un moule 1 pourvu d'une partie supérieure appelée poinçon et d'une partie inférieure en regard appelée matrice, la partie supérieure étant montée mobile verticalement par rapport à la partie inférieure de manière à venir compresser l'empilement chauffé positionné entre cellesci.

Comme le montre la figure 1, conformément à l'invention, il est prévu en outre un dispositif pour réaliser simultanément à la compression de l'empilement, une ouverture traversante à l'intérieur de celui-ci.

Ce dispositif comporte un pointeau 100 monté sur la paroi interne supérieure la du moule 1 de sorte qu'il s'étend en direction de l'autre paroi interne lb en regard dudit moule 1 où il est prévu un logement 200 dans lequel s'engage ledit pointeau 100 lorsqu'il transperce ledit empilement en cours de formage.

Comme le montre plus particulièrement la figure 2, le pointeau 100 comprend un fût 101, ici de forme cylindrique à section circulaire, se terminant par une pointe 102.

Les formes et les dimensions du fût et de la pointe sont adaptées à la forme et aux dimensions de l'ouverture traversante à réaliser.

Le fût 101 sert à maintenir la pointe 102 en position lors de la traversée du pointeau à l'intérieur du panneau thermoformé, et son diamètre va déterminer le diamètre de l'ouverture. La pointe 102 permet d'écarter les fibres des première et deuxième peaux lors de la traversée du pointeau.

La forme et le profil de la pointe 102 sont étudiés afin de ne pas abîmer lesdites fibres.

Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, la pointe 102 présente une forme conique dont l'axe est confondu avec l'axe du fût.

Bien entendu, selon d'autres modes de réalisation non représentés, on peut prévoir que la pointe 102 présente une forme de cône incliné, avec un axe de cône décalé par rapport à l'axe du fût, ou encore une forme d'aiguille avec une face plate et une face courbe.

La forme de la pointe doit être adaptée et optimisée en fonction du type de peau à traverser.

Sur la figure 3, on a représenté deux vues en plan, une vue avant et une vue après perçage selon le procédé conforme à l'invention à l'aide du dispositif représenté sur la figure 1, d'un panneau 10 de structure composite du type sandwich, qui comprend un empilement d'au moins une première peau 11, une âme alvéolaire en matériau thermoplastique, et une deuxième peau, lesdites première et deuxième peaux étant constituées d'un tissu de fibres de verre noyées dans une matrice de polypropylène. Ici le tissage est un tissage équilibré selon lequel il y autant de fils de chaîne que de fils de trame, les fils de chaîne étant orientés à 90 degrés par rapport aux fils de trame.

Comme le montre la figure 3, ce panneau 10 comporte à un endroit déterminé 14 une ouverture traversante 15 de forme cylindrique à section circulaire. A cet endroit 14, les fils du tissage des peaux 11 sont écartés de sorte qu'ils épousent la forme de l'ouverture 15. Il n'y a pas de fil coupé.

Pour réaliser l'ouverture traversante 15 à l'endroit 14 du panneau 10, on chauffe préalablement un préassemblage constitué par ledit empilement précédemment décrit, au poste de chauffage représenté sur la figure 1, de sorte qu'en sortie de ce poste la température des peaux est comprise entre 200 et 2600C. Puis, l'empilement est amené au poste de formage où se trouve le moule ouvert du dispositif selon l'invention tel que représenté sur la figure 1.

A ce poste de formage, on ferme le moule pour compresser ledit empilement sous une pression comprise entre 10 et 30.105 Pa. Lors de la compression, comme la température des peaux est comprise entre 200 et 2600C et que le polypropylène commence à fluer vers 1150C, la pointe du pointeau dudit dispositif qui traverse l'empilement, pénètre sans difficulté dans lesdites peaux dudit empilement et écarte les fils de tissage de cellesci aont la forme s'adapte au diamètre de la pointe (voir figure 3). Le déplacement des fils à l'intérieur de la matrice en polypropylène dans laquelle ils sont noyés, se fait alors sans qu'ils soient brisés.

De plus, lors de cette étape de formage avec perçage intégré, l'âme alvéolaire dudit empilement n'est pas écrasée. La ou les alvéole(s) transpercée(s) s'adaptent à la forme et au diamètre du pointeau.

Selon une variante non représentée du dispositif selon l'invention, on peut prévoir avantageusement que le pointeau 100 soit monté mobile sur la paroi interne supérieure la du moule 1 de sorte qu'il descend en direction dudit logement correspondant 200 après que lesdites première et deuxième peaux de l'empilement aient été pincées entre lesdites parois du moule.

En effet, lorsque les peaux présentent une forte densité de fibres de verre ou une grande épaisseur, la viscosité de la peau peut être suffisamment importante pour qu' une partie des fibres soit entraînée par le pointeau lors du perçage dudit panneau, dans le logement prévu pour accueillir ce dernier.

Pour éviter l'entraînement par le pointeau des fibres dans le logement, il est alors avantageux que le pointeau soit monté mobile par rapport à la paroi supérieure du moule de sorte qu'il descende après cette paroi supérieure pour permettre aux peaux d'être pincées et maintenues tendues dans le moule fermé. Lesdites peaux conservent alors suffisamment d'élasticité pour que les fibres des peaux s'écartent au passage du pointeau qui les traverse, mais plus assez pour qu'une partie de celles-ci soit entraînée avec le pointeau dans le logement destiné à l'accueillir.

Le montage mobile du pointeau sur la paroi interne du moule est particulièrement avantageux pour la réalisation d'ouverture traversante suivant une direction oblique par rapport à la normale au plan formé par lesdites peaux.

Par ailleurs, il est intéressant de noter que selon 1 invention, du fait que pour réaliser une ouverture traversante dans un panneau, on écarte localement les fibres de verre des première et deuxième peaux, pour les positionner autour de ladite ouverture (voir figure 3), on augmente alors à cet endroit dudit panneau son épaisseur et donc sa résistance à l'arrachement d'un système de fixation traversant cette ouverture.

On peut alors en utilisant des formes adaptées de pointes de pointeau, répartir de façon plus ou moins régulière les fibres de verre autour de l'ouverture réalisée selon l'invention, pour obtenir un épaississement local du panneau plus ou moins uniforme autour de ladite ouverture, ceci en fonction de la fixation ultérieure envisagée à cet endroit.

La figure 4 représente un montage d'essais d'arrachement sur des éprouvettes prélevées d'une part dans un panneau de structure composite du type sandwich dans lequel ont été réalisées des ouvertures traversantes selon le procédé conforme à l'invention, et d'autre part dans un panneau de même structure composite où les ouvertures traversantes ont été réalisées avec une perceuse, c' est-à-dire de manière classique, les fibres des peaux dudit panneau étant coupées aux endroits desdites ouvertures.

Le montage d'essai est le suivant
Un système d'assemblage du type vis-écrou est introduit au travers de l'ouverture traversante 15 située à une extrémité de l'éprouvette. Sur ce système d'assemblage sont montées des extrémités de platines 2 fixées à leur autre extrémité à un bâti. A l'autre extrémité de l'éprouvette, deux platines 2' sont collées sur chacune des peaux de ladite éprouvette et fixées à un dispositif de traction.

Lors des tractions successives effectuées selon la flèche F représentée sur la figure 4, la vis qui traverse l'ouverture traversante 15 de ladite éprouvette, va solliciter le panneau sandwich en arrachement.

Les essais ont été réalisés sur des structures sandwich composées d'une âme alvéolaire en nid d'abeille présentant une épaisseur de 15 mm, prise en sandwich entre des peaux d'un tissu équilibré contenant environ 60 % en poids de fibres de verre, dont la densité surfacique est de 1350 g/m2. Le pointeau utilisé pour réaliser selon le procédé conforme à l'invention, l'ouverture traversante 15, présente un diamètre de 8 mm.

Les différents résultats d'essais obtenus apparaissent sur deux courbes représentées sur la figure 5. Ces courbes montrent qu'une éprouvette dans laquelle l'ouverture traversante a été réalisée conformément au procédé selon l'invention, présente une charge maximum à l'arrachement C1 nettement supérieure (force maximale de l'ordre de 450 DaN) à celle d'une éprouvette avec une ouverture traversante réalisée de manière classique avec une perceuse provoquant la rupture locale des fibres des peaux (force maximale de l'ordre de 350 DaN).

En outre, la charge maximum à laquelle résistent des éprouvettes avec des ouvertures traversantes réalisées conformément à l'invention est supérieure à la charge nécessaire pour fendre l'éprouvette en arrachement.

Enfin, on notera avantageusement sur la figure 5, que l'éprouvette dans laquelle l'ouverture traversante a été réalisée conformément au procédé selon l'invention, présente une charge de première rupture C2 (c'est-à-dire la force de traction à partir de laquelle l'éprouvette commence à céder) largement supérieure à celle de l'éprouvette percée de manière classique.

La déformation sans endommagement avant première rupture D de l'éprouvette percée selon l'invention est également plus élevée que la déformation avant première rupture de l'éprouvette percée de manière classique.

Bien évidemment, les valeurs obtenues peuvent varier suivant le grammage des peaux utilisées.

Les avantages du procédé selon l'invention sont les suivants.

Le fait d'écarter les fibres à l'endroit du panneau où est réalisée l'ouverture, au lieu de les couper, permet d'éviter un affaiblissement local du panneau et celui-ci conserve alors toutes ses qualités mécaniques.

En outre, selon l'invention, l'opération de perçage est réalisée simultanément au formage du panneau et le nombre d'étapes nécessaire à la fabrication d'une telle pièce percée est diminué. On peut alors augmenter les cadences de fabrication de telles pièces et par là même diminuer leur coût de fabrication.

Le procédé selon l'invention permet donc la réalisation en grande série de pièces percées grâce à l'automatisation du perçage et à la très bonne reproductibilité du procédé de perçage.

Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais l'homme du métier pourra y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1.Procédé pour réaliser une ouverture traversante (15) dans un panneau (10) de structure composite du type sandwich, ledit panneau (10) comprenant un empilement d'au moins une première peau (11), une âme alvéolaire (12) en matériau thermoplastique, et une deuxième peau (13), lesdites première et deuxième peaux (11,13) étant constituées d'un matériau thermoplastique renforcé avec des fibres, caractérisé en ce que lors du formage dudit panneau (10), réalisé par compression dudit empilement à une pression comprise entre 10 et 30.105 Pa, les première et deuxième peaux étant préalablement chauffées, on transperce à un endroit déterminé (14) ledit empilement en écartant à cet endroit les fibres de la première puis de la deuxième peaux (11,13).

2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que préalablement au perçage dudit panneau (10), on chauffe à une température comprise entre 200 et 260"C un pré-assemblage constitué par ledit empilement.

3.Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on transperce ledit empilement selon une direction perpendiculaire au plan formé par lesdites peaux (11,13).

4.Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on transperce ledit empilement selon une direction oblique par rapport à la normale au plan formé par lesdites peaux (11,13).

5.Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et deuxième peaux (11,13) sont constituées par un mat ou un tissu de fibres de verre et d'un matériau thermoplastique tel que du polypropylène.

6.Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un pointeau (100) monté sur une paroi interne (la) du moule (1) de sorte qu'il s'étend en direction de l'autre paroi interne (lb) en regard dudit moule (1) où il est prévu un logement (200) dans lequel s'engage ledit pointeau (100) lorsqu'il transperce ledit empilement en cours de formage.

7.Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le pointeau (100) est monté mobile sur la paroi interne supérieure (la) du moule (1) de sorte qu'il descende en direction dudit logement correspondant (200) après que lesdites première et deuxième peaux de l'empilement aient été pincées entre lesdites parois du moule.

8.Dispositif selon l'une des revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le pointeau (100) comprend un fût (101) se terminant par un pointe (102) dont les formes et les dimensions sont adaptées à la forme et aux dimensions de l'ouverture traversante à réaliser.

9.Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pointe (102) présente une forme conique.

10.Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pointe présente une forme d'aiguille avec une face plate et une face courbe.