FR3131863A1

FR3131863A1 - Pièce composite à matrice en matière thermoplastique, notamment profilé, et son procédé de fabrication

Info

Publication number: FR3131863A1
Application number: FR2200389A
Authority: FR
Inventors: Frank Chauzu
Original assignee: CQFD Composites SARL
Current assignee: CQFD Composites SARL
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: FR3131863B1

Abstract

Selon un procédé de fabrication de pièces composites à matrice de matière thermoplastique :- on utilise une pluralité de cordons (30) comportant une âme (301) avec des fibres de renfort prises dans une première matrice en une première matière thermoplastique (3011) et en outre une gaine (302) dans une seconde matière thermoplastique autour de l’âme (301) ;- dans une étape d'agglomération on chauffe la pluralité de cordons (30) puis on agglomère les cordons (30) en les passant ensembles dans des moyens de conformation (22) par traction pour former la pièce (3), le chauffage de la pluralité de cordons (30) étant fait pour atteindre une température supérieure à la température de fusion de la seconde matière thermoplastique, de telle sorte que la deuxième matière thermoplastique forme une deuxième matrice autour des âmes (301) après agglomération et durcissement. Pièce et élément ainsi fabriqués. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Pièce composite à matrice en matière thermoplastique, notamment profilé, et son procédé de fabrication

L’invention concerne une pièce 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 lieuin situdans 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 formellementrésinele mélange des précurseurs qui formera le polymère et la matrice après la réaction.

Le profilé sort d’une 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 US 5,310,600 montre une technique de fabrication de composite à base de matrice en polyamide et de fibres continues, selon laquelle un faisceau de fibres est d’abord imprégné de résine réactive puis enrobé dans une gaine thermoplastique. La réaction de polymérisation se produit dans la gaine en portant celle-ci à une température suffisante pour la réaction de polymérisation. Le cordon ainsi formé est ensuite découpé en granulés, avec ou sans retrait de la gaine pour servir de matière de moulage par injection. Cette technique a l’avantage de simplifier l’outillage puisqu’il n’est plus nécessaire de calibrer le cordon pendant la phase de polymérisation. La gaine sert de soutien mécanique et de barrière contre le risque d’évaporation des monomères de la résine pendant la phase de polymérisation. Cette approche permet d’avoir un outillage plus simple et d’augmenter la cadence de production puisque la taille de l’outillage peut être agrandie sans augmentation des efforts de tirage.

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 pièces 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 pièces 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 puis on agglomère les cordons en les passant ensembles dans des moyens de conformation par traction pour former la pièce,
caractérisé en ce que au moins l’un des cordons parmi la pluralité de cordons comporte en outre une gaine dans une seconde matière thermoplastique autour de l’âme, le chauffage de la pluralité de cordons à l’étape d'agglomération étant fait pour atteindre une température supérieure à la température de fusion de la seconde matière thermoplastique, de telle sorte que la deuxième matière thermoplastique forme une deuxième matrice autour des âmes après agglomération et durcissement.

En dotant les cordons d’une gaine en matière thermoplastique, on fournit de la matière qui va fondre et lier ensuite les âmes des cordons entre elles en formant la deuxième matrice. Un tel assemblage permet de réaliser des pièces de sections diverses avec un outillage spécifique peu coûteux. En effet, dans le cas d’une pièce profilée, il suffit de réaliser une filière qui va permettre l’agglomération spécifique au profil et d’adapter le nombre de cordons qui alimentent la filière pour réaliser une section spécifique. On a constaté qu’une telle filière était courte et peu onéreuse. Elle génère des efforts de tirage raisonnables, ce qui permet d’utiliser des moyens de tirage simples et ne génère pas de risques de rupture des fibres ou de bourrage dans la filière. D’autres moyens de conformation sont également possibles avec par exemple une combinaison de rouleaux ou de chaînes de coquilles en boucle. Ces moyens peuvent exercer la fonction de tirage ou être complétés par des moyens de tirage dédiés qui agissent sur la pièce en aval de sa conformation et de son durcissement. En général tous les cordons comportent une gaine, même s’il est possible de mélanger des cordons avec gaine et des cordons sans gaine, l’important étant que la quantité de matière pour la deuxième matrice soit suffisante et répartie. 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, pendant l’étape d'agglomération, on chauffe la pluralité de cordons à une température supérieure aux températures de fusion respectives de la première et de la deuxième matière. Ainsi, on peut conformer la section de l’âme pour l’adapter à la section finale à obtenir dans la pièce. Il pourrait être intéressant dans certains cas d’avoir une température de fusion de la gaine qui soit supérieure à celle de la matière thermoplastique de l’âme. Ceci peut avoir comme avantage de solidifier plus rapidement après l’agglomération la partie périphérique de la pièce produite constituée essentiellement de la matière issue de la gaine.

Selon un mode de réalisation, pendant l’étape d'agglomération, la température de fusion de la deuxième matière thermoplastique étant inférieure à celle de la première matière thermoplastique, on chauffe la pluralité de cordons à une température inférieure à la température de fusion de la première matière thermoplastique. Ainsi, les âmes des cordons restent dures et ne se déforment pas et conservent leur section, tandis que la deuxième matière thermoplastique fond pour former la deuxième matrice.

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 perfectionnement, l’étape d'agglomération est précédée d’une étape de renforcement dans laquelle une couche de renfort est déposée sur ou autour d’une partie au moins de la pluralité de cordons. On ajoute ainsi un renforcement notable de la pièce permettant de reprendre les efforts transversaux et d’augmenter la cohésion du faisceau de cordons. La couche de renfort est par exemple constituée d’une ou plusieurs bandes de textile tissé ou non-tissé, préimprégnées ou non. Ce peut être aussi un feuillard métallique ou une mèche de fibres continues, en verre ou de carbone. La couche de renfort peut être autour de la totalité de la pluralité de cordons. Elle peut être aussi autour d’une partie seulement des cordons. Elle peut être aussi appliquée en bande sans entourer complètement les cordons.

Dans un mode de réalisation, la couche de renfort est déposée par enroulement autour de la partie de la pluralité de cordons. On peut facilement adapter la densité de la couche de renfort en modulant le pas d’enroulement. Ainsi on ajuste la résistance mécanique de la pièce produite en fonction des besoins. De plus, le renforcement est continu sur toute la périphérie de la pièce, sans rupture, ce qui optimise son apport mécanique.

Selon un mode de réalisation, la pièce composite est une pièce profilée dont la section finale est supérieure ou égale à la somme des sections des cordons entrant dans les moyens de conformation. Ainsi toute la matière qui entre dans les moyens de conformation en ressort sans pertes. Lorsque les sommes des sections sont égales, 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 la section finale de la pièce.

Selon un perfectionnement, on réalise un apport d’une troisième matière 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 manque de matière dans la pièce. La troisième 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 gaines 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 troisième matière thermoplastique vient en outre comprimer la pluralité de cordons, ce qui garantit l’agglomération des gaines entre elles. L’apport de matière complémentaire est typiquement inférieur à 5 % du volume total de la pièce, de préférence inférieur à 2 %.

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 grille suivie par une chambre de compactage et par un calibreur, la grille permettant de guider les cordons vers la chambre de compactage, le calibreur permettant de figer la section de la pièce. La matière qui fond est ainsi enfermée dans la chambre de compactage. La section de la chambre de compactage se réduit vert l’aval afin de forcer les cordons les uns contre les autres. On réalise une fusion des gaines entre elles de telle sorte qu’elles forment une deuxième matrice unique enrobant les âmes des cordons. 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 mode de réalisation, la pièce composite est une pièce profilée dont le volume final est inférieur à la somme des volumes 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 un perfectionnement, dans le cas où la pièce composite est une pièce profilée dont la section finale est supérieure à la somme des sections des cordons entrant dans les moyens de conformation, la troisième matière thermoplastique est injectée dans la chambre de compactage. On obtient ainsi une pièce profilée sans manque de matière. La troisième matière thermoplastique est par exemple injectée par une extrudeuse. Cette méthode évite d’avoir une perte de matière, ce qui optimise la consommation de matière première. L’injection peut être effectuée à différents endroits dans la chambre de compactage, soit très en amont, ou au contraire plus en aval.

Selon un perfectionnement, dans le cas où la pièce composite est une pièce profilée dont la section finale est supérieure à la somme des sections des cordons entrant dans les moyens de conformation, la filière comporte en outre une chambre d’injection située entre la chambre de compactage et le calibreur pour injecter la troisième matière thermoplastique. On s’assure ainsi de cette manière que la section de la pièce profilée est parfaitement déterminée. De plus, la pression d’injection de la troisième matière thermoplastique améliore le compactage des cordons entre eux.

Selon un mode de réalisation, la troisième matière thermoplastique est identique à la deuxième matière thermoplastique.

Selon un mode de réalisation, les moyens de conformation comportent un moule, par pressage dans lequel l’étape d'agglomération est réalisée. La forme de la pièce n’est alors pas nécessairement de section constante comme dans le cas d’une filière. Le moule peut incorporer des moyens de refroidissement qui permettent d’obtenir le durcissement de la pièce. Même si le pressage est réalisé de manière discontinue, le moule peut être mobile pour suivre la fourniture continue des cordons et revenir en amont à chaque cycle. Alternativement, le moule est fixe et le tirage est réalisé de manière discontinue. Ici aussi, il est possible de réguler un reflux de manière en excédent.

Selon un mode de réalisation, les moyens de conformation forment la pièce en courbure afin de produire une pièce courbe. Dans le cas d’une agglomération dans une filière ou à l’aide d’une extrusion, la filière a une courbure dans le sens de filage, et les moyens de tirage accompagnent la courbure du profilé. La production de profilés courbes par ce moyen est avantageuse, car les fibres restent emprisonnées dans les âmes et bien réparties dans la section de la pièce, malgré la courbure qui a tendance à rapprocher les fibres vers l’intrados de la pièce.

L’invention a aussi pour objet une pièce composite, caractérisé en ce qu’elle est obtenue avec un procédé tel que décrit précédemment, et en ce qu’elle comporte une pluralité de cordons comportant une âme avec des fibres de renfort et une matrice en une première matière thermoplastique, les âmes étant disposées dans une deuxième matrice en une seconde matière thermoplastique. De telles pièces peuvent incorporer des cordons avec des âmes aux propriétés mécaniques optimisées, notamment avec une densité de fibres importante, tout en étant simples à fabriquer. La deuxième matière thermoplastique peut être choisie différente de la première matière thermoplastique pour ses propriétés propres, notamment pour ses propriétés d’aspect et de résistance à un environnement agressif. Elle peut être choisie également pour ses propriétés thermiques, notamment de plus faible conductivité thermique que l’âme, afin d’obtenir une pièce peu conductrice.

Selon un perfectionnement, la température de fusion de la seconde matière est inférieure à la température de fusion de la première matière. Ainsi, lors de la fabrication de la pièce, la deuxième matière thermoplastique peut être fondue alors que les âmes sont encore solides. La deuxième matière thermoplastique peut alors s’agglomérer pour former une deuxième matrice, les âmes conservant leur section.

Alternativement, la première et la deuxième matière thermoplastique sont identiques. On obtient ainsi une pièce homogène, cohérente et facile à recycler.

Selon un perfectionnement, la deuxième matière thermoplastique est différente de la première matière thermoplastique et est traitée pour obtenir une propriété d’adhésion sur la première matière thermoplastique. On obtient ainsi une pièce avec une bonne cohésion de la deuxième matrice, tout en permettant l’utilisation d’une deuxième matière normalement incompatible, mais qui présente d’autres qualités propres.

Selon un choix préférentiel, la première matière thermoplastique choisie dans un groupe comprenant le polyamide-6, le polyamide-12, le polyméthacrylate de méthyle, le polytéréphtalatede butylène et le polyéthylène téréphtalate. Ces matières thermoplastiques peuvent être utilisées en pultrusion réactive qui permet d’obtenir des âmes de grande qualité mécanique, grâce à une imprégnation parfaite des fibres.

Selon une combinaison avantageuse, la première matière thermoplastique est du polyamide et la deuxième matière est du polypropylène modifié par de l’acide maléique. Dans le cas d’un polypropylène et d’une âme avec un polyamide, les propriétés d’adhésion d’une matière sur l’autre sont faibles. L’ajout d’acide maléique dans le polypropylène permet de modifier de manière importante cette capacité d’adhésion de telle sorte que le polyproylène réalise une deuxième matrice de bonne qualité. De plus, il ajoute ses qualités propres, notamment il réalise une barrière contre l’humidité vis-à-vis du polyamide, à la fois lors du stockage des cordons gainés et après la fabrication de la pièce. On élimine le besoin d’une étape de séchage du polyamide avant l’étape d’agglomération. Il permet en outre d’offrir une propriété d’adhésion à des excroissances qui peuvent être moulées par-dessus la pièce, notamment en polypropylène. Le choix de traiter le polypropylène avec de l’acide maléique pour former la gaine n’est a priori pas évident, car les acides sont connus pour perturber la polymérisation anionique du polyamide. Les essais ont démontré qu’il n’en était rien, et la liaison entre le polyamide et le polypropylène est forte.

Selon une caractéristique avantageuse, la deuxième matière thermoplastique contient une charge électriquement conductrice. La pièce composite peut ainsi recevoir plus facilement un revêtement par peinture assistée par électrostatisme. en mettant la pièce sous tension.

Selon des caractéristiques avantageuses, le taux moyen de fibres en volume est supérieur à 40 %, de préférence supérieur à 55 %. 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, le taux de fibres des âmes des cordons en volume est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 60 %.

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.

Selon un perfectionnement, la pièce est un profilé droit ou courbe ayant une section constante.

Selon un perfectionnement, les cordons comportent au moins une cavité longitudinale. Autrement dit, les cordons ont une section creuse. Ces cavités se retrouvent sur la pièce, notamment si lors de l’étape d’agglomération, la première matière thermoplastique n’est pas fondue. Une telle pièce est plus légère qu’une pièce de même section extérieure mais sans cavités. De plus, elle est moins conductrice thermiquement, notamment pour un flux thermique dans la direction transversale.

L’invention a aussi pour objet un élément comportant une pièce telle que définie précédemment sur laquelle au moins une excroissance est rapportée par moulage par-dessus la pièce. 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.

Dans le cas de l’utilisation d’un polypropylène traité comme deuxième matière thermoplastique, l’excroissance est avantageusement en une cinquième matière thermoplastique qui est du polypropylène. On obtient une bonne liaison entre la pièce et la matière injectée de l’excroissance.

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 mettant en œuvre un procédé selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

- la est une vue en section d’un cordon produit de manière intermédiaire avec l’installation de la ;

- 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 de profilé produit avec l’installation de la ;

- la est une vue schématique d’une installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

- la est une vue en section d’un troisième exemple de profilé produit avec l’installation de la ;

- la est une vue en section d’un quatrième exemple de profilé ;

- la est une vue en coupe une filière d’agglomération ;

- la est une vue schématique d’une installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;

- la est une vue schématique d’une installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un quatrième mode de réalisation de l’invention, pour produire des profilés courbes ;

- la est une vue en perspective d’un élément produit avec l’installation de la ;

- la est une vue schématique d’une installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un cinquième mode de réalisation de l’invention, pour produire des pièces moulées ;

- la est une vue similaire à la d’une variante de filière d’agglomération

- la est une vue similaire à la d’un cordon selon une variante.

Description détaillée

Un procédé de fabrication de pièces composites à matrice de matière thermoplastique selon l’invention est décrit en lien avec une installation schématisée sur la .

Une première partie de l’installation comprend un dispositif de filage 1 pour la fabrication de cordons 30 dans une étape de filage, tandis qu’une deuxième partie concerne un dispositif d'agglomération 2 pour mettre en œuvre une étape d'agglomération. Le dispositif de filage 1 est en pratique un dispositif de pultrusion 1 qui comprend successivement : un premier support de bobines 10 pour stocker et dérouler des bobines de mèches 3010 de fibres continues, une unité de préchauffage 11 des fibres 3010 qui permet d’amener les fibres de verre à une température proche de la température de fusion de monomères réactifs soit environ 80°C dans le cas de l’ε-caprolactame. Les fibres 3010 sont chauffées par des rampes infrarouges, non représentées, sous flux d’azote. Le dispositif de pultrusion 1 comporte en outre une unité d’imprégnation 12 recevant depuis une unité d’injection 13 des monomères ou des pré-polymères réactifs qui forment après polymérisation une première matière thermoplastique 3011. Comme illustré, les composants du système réactif sont dosés séparément et mélangés juste à l’entrée de l’unité d’imprégnation 12, par exemple dans un mélangeur statique 14. Une unité de gainage 15 comprend une première extrudeuse 150 et une filière d’extrusion 151 placée à la suite de l’unité d’imprégnation 12 qui permet de déposer une gaine 302 en une deuxième matière thermoplastique autour des mèches imprégnées, dans une étape de gainage. Le dispositif comporte ensuite un four de polymérisation 16 dans lequel le cordon 30 est maintenu en température pour permettre la polymérisation de la résine en première matière thermoplastique 3011, de sorte que les mèches imprégnées deviennent une âme 301 formant avec la gaine 302 le cordon 30. Le dispositif de pultrusion 1 comporte en outre une première unité de tirage 17 qui permet de faire avancer en simultané le cordon 30 durci par refroidissement et de dérouler les mèches 3010 par la propagation du mouvement à travers le dispositif de pultrusion 1.

Les cordons 30 ainsi produits sont enroulés sur d’autres bobines 18 afin de cumuler un nombre suffisant de cordons 30 pour l’étape d'agglomération.

Dans une variante non représentée, les cordons sont creux, c’est-à-dire qu’ils comportent une cavité longitudinale au sein de l’âme. Ils pourraient aussi avoir plusieurs cavités séparées par des cloisons.

La deuxième partie de la montre le dispositif d'agglomération 2 comportant un deuxième support de bobines 20 sur lequel les bobines 18 de cordons 30 sont placées pour dérouler les cordons 30. Une pluralité de cordons 30 est ainsi dirigée vers un four 21 pour chauffer les cordons 30 à une température supérieure à la température de fusion de la seconde matière thermoplastique 302. À la sortie du four 21, des moyens de conformation 22 assemblent la pluralité de cordons 30 de telle sorte que les gaines 302 entrent en contact entre elles et fusionnent. Dans cet exemple, les moyens de conformation 22 sont une filière d'agglomération qui déterminent la section du profilé 3 à la sortie. La filière d’agglomération 22 est munie de moyens de refroidissement afin d’obtenir le durcissement d’au moins une partie du profilé 3 ainsi formé. Une deuxième unité de tirage 23 exerce une traction sur le profilé 3 durci et provoque le déroulement des cordons 30 par la propagation du mouvement à travers le dispositif d'agglomération 2.

Dans une variante non représentée, les cordons 30 pultrudés pourraient alimenter directement le dispositif d’agglomération sans passer par une étape de bobinage.

Dans un premier exemple, des cordons 30 ont été fabriqués par pultrusion avec une première matrice formée par la première matière thermoplastique 3011, qui est du polyamide-6 obtenu par la polymérisation de monomère d’ε-caprolactame, et comme fibres des fibres de verre en taux d’environ 84 % en masse. La section des âmes 301 des cordons 30 était circulaire et de diamètre 3 mm, comme montré sur la . Les âmes 301 étaient recouvertes d’une gaine 302 en polypropylène d’épaisseur 0,2 à 0,5 mm. La température de fusion du polyamide-6 est de 220 °C tandis que celle du polypropylène est de 170 °C. De tels cordons 30 ont pu être produits à une vitesse de l’ordre de 2 m/min sur une installation pilote limitée en taille.

Dans le dispositif d'agglomération 2, 15 cordons 30 ont été utilisés en les passant dans le four 21 pour monter la température des cordons 30 à 150 °C, puis à 200 °C dans la filière. À cette dernière température, la gaine 302 était fondue, mais pas les âmes 301. La pluralité de cordons 30 a été regroupée dans la filière d'agglomération 22 pour former un profilé 3 de section rectangulaire, tel que montré sur la , dans lequel les âmes 301 sont enrobées dans une deuxième matrice 32 formée par la deuxième matière thermoplastique issue des gaines 302. Le taux de fibres des âmes 301 des cordons 30 en volume était de 70 %. Un outillage modulaire a permis de produire des profilés selon une section de 48 × 3,2 mm,. Le taux moyen de fibres en volume sur l’ensemble de la section variait autour de 48 %. De tels profilés 3 ont pu être produits à une vitesse de l’ordre de 0,5 m/min.

Dans un deuxième exemple, des cordons 30 ont été fabriqués de la même manière que précédemment. Dans le dispositif d'agglomération 2, 15 cordons 30 ont été utilisés en les passant dans le four 21 pour monter la température des cordons 30 à 200 °C, puis dans la filière à 250 °C. À cette dernière température, la gaine 302 et la première matière thermoplastique 3011 étaient fondues. La pluralité de cordons 30 a été regroupée dans une filière d'agglomération 22 pour former un profilé 103 de section rectangulaire de 50 × 2,5 mm, tel que schématisé sur la , dans lequel les âmes 301 sont enrobées dans une deuxième matrice 1032 formée par la deuxième matière thermoplastique issue des gaines 302. Le niveau de température atteint a permis de modifier la section des âmes 301, de les rapprocher, de les déformer et de les compacter ensemble. Le taux de fibres des âmes 301 des cordons 30 en volume était de 70 % et le taux moyen de fibres en volume sur l’ensemble de la section était autour de 60 %.

Dans un deuxième mode de réalisation de l’invention, montré sur la , le dispositif d'agglomération 2 comporte en outre une station d’enroulement 24 entre le four 21 et la filière d'agglomération 22. La station d’enroulement 24 est alimentée par une ou plusieurs bobines 240 pour fournir une mèche de fibres continues 33 et la déposer en formant un enroulement autour de la pluralité de cordons 30. La nature des fibres peut être la même que celle des âmes 301, ou de nature différente. La montre une section de profilé 203 selon un troisième exemple qui peut être obtenu de cette manière. La deuxième matière thermoplastique a traversé les fibres 33 de l’enroulement et forme une matrice 2032 qui imprègne les fibres de l’enroulement.

Dans une variante du procédé, l’enroulement 33 est réalisé autour d’une partie seulement des cordons 30a. La partie complémentaire est consolidée avec les autres cordons 30b après la réalisation de l’enroulement 33. La montre une section selon un quatrième exemple de profilé 303 qu’il est possible d’obtenir de cette manière.

Dans une variante du procédé, non représentée, la mèche est enrobée dans une troisième matrice d’une quatrième matière thermoplastique préalablement à l’étape de renforcement, préalablement chauffée avant l’introduction dans la filière d’agglomération afin de faire fondre la quatrième matière thermoplastique de la troisième matrice.

Dans la vue en coupe d’une filière d’agglomération 22 de la , on trouve successivement, dans l’ordre de l’amont vers l’aval, une entrée sous la forme d’une grille 223 prévue pour guider les cordons 30 à l’entrée de la filière 22, une chambre de compactage 224 pour finir de faire fondre la matière thermoplastique et agglomérer l’ensemble des cordons 30, et finalement un calibreur 225. La grille 223 comporte un perçage pour chacun des cordons 30 qui entre dans la filière 22 afin de maîtriser la disposition relative des cordons 30 lors de leur entrée. La chambre de compactage 224 est régulée en température de manière à finir de faire fondre la matière qui enrobe les cordons 30 et la matrice des cordons 30 le cas échéant. La chambre de compactage 224 comporte en outre un canal de régulation 2240 muni d’une soupape 2241 afin d’évacuer la matière thermoplastique en excédent en régulant une pression de cette matière. Finalement, le calibreur 225 détermine la section de la pièce finale et refroidit celle-ci afin de figer au moins partiellement cette section.

Selon un troisième mode de réalisation, montré sur la , les moyens de conformation 22’ comportent une extrudeuse 221 et une filière d’agglomération 222, une troisième matière thermoplastique préparée par l’extrudeuse étant injectée autour de la pluralité de cordons 30 dans la filière d’agglomération 222.

La filière d’agglomération 222 pour le mode de réalisation de la est montrée sur la . Elle se distingue de la filière montrée sur la en ce qu’elle comporte une chambre d’injection 2220 située entre la chambre de compactage 224 et le calibreur 225. La chambre de compactage 224 ne comporte plus de canal de régulation. Dans la chambre d’injection 2220, l’extrudeuse 220 injecte la troisième matière thermoplastique qu’il est nécessaire pour compléter la section de la pièce finale. La pression fournie par l’extrudeuse à la troisième matière thermoplastique permet également de compléter le compactage des cordons 30 réalisé dans la chambre de compactage 224.

Dans une variante du troisième mode de réalisation, non représentée, la filière d’agglomération est similaire à celle représentée sur la , avec une injection de la matière fournie par l’extrudeuse juste en aval de la grille 223. La troisième matière thermoplastique ainsi injectée permet de compléter le manque de deuxième matière apportée par les gaines des cordons.

Dans un quatrième mode de réalisation, montré sur la , l’installation se distingue de celle du premier mode de réalisation en ce que la filière 22’’ est courbe dans le sens de tirage et les moyens de tirage 23’’ sont adaptés pour tirer un profilé 3’’ dont la direction principale est courbe. Il est possible que seul le calibreur 225 soit courbe.

La montre schématiquement un élément 503 formant une pièce de type traverse de pare-chocs pour un véhicule automobile. Cette traverse 503 est produite à partir d’un profil 3’’ en C issu du procédé de la et sur laquelle on a moulé deux excroissances 5030 formant des oreilles schématisant des raidisseurs en une cinquième matière thermoplastique, à savoir du polypropylène. Dans ce profilé 3’’, la première matière thermoplastique est du polyamide, la deuxième matière est du polypropylène traité avec de l’acide maléique.

Dans un cinquième mode de réalisation, montré sur la , les moyens de conformation comportent un moule 22’’’ dans lequel l’étape d'agglomération est réalisée par pressage, de manière discontinue. Le moule 22’’’ comporte des moyens de refroidissement, non représentés, afin de permettre le durcissement de la pièce moulée 3’’’. Le moule 22’’’ est monté mobile en translation par des moyens de translation 25 dans la direction de tirage pour revenir cycliquement à la sortie du four et enserrer la pluralité de cordons 30 en amont de la partie moulée précédemment. Lorsque le moule 22’’’ se ferme, les cordons 30 qui ont été chauffés préalablement s’agglomèrent. Les moyens de tirage 23’’’ fonctionnent en continu, dans cet exemple. Dans une variante non représentée, le moule ne se translate pas et le tirage est effectué par intermittence.

Dans une variante représentée sur la , le cordon 30’ a une section rectangulaire, de même que l’âme 301’ et la gaine 302’ qui enrobe l’âme 301’. L’âme est composée de fibres 3010’ enrobées dans une première matrice 3011’. Une telle section du cordon 30’ peut être plus adaptée pour la fabrication de certaines pièces en permettant un assemblage plus ajusté de plusieurs cordons 30’ ayant une telle section. Il est nécessaire dans ce cas également de gérer l’orientation de la section des cordons 30’ lorsqu’ils entrent dans les moyens de conformation 22. On définit un facteur de forme comme étant le rapport entre la dimension de la section la plus grande sur la dimension la plus faible. Le facteur de forme peuvent varier entre 1 et 5, voire 10 ou au-delà. Le cordon 30’ comporte en outre une cavité longitudinale 303 de section également rectangulaire. Cette disposition lui permet de conférer des propriétés spécifiques à la pièce reconstituée, notamment au niveau des propriétés thermiques en diminuant la conductivité et mécaniques en allégeant la structure.

Claims

Procédé de fabrication de pièces composites à matrice de matière thermoplastique selon lequel :
- on utilise une pluralité de cordons (30) comportant une âme (301) avec des fibres de renfort prises dans une première matrice en une première matière thermoplastique (3011) ;
- dans une étape d'agglomération on chauffe la pluralité de cordons (30) puis on agglomère les cordons (30) en les passant ensembles dans des moyens de conformation (22) par traction pour former la pièce (3),
caractérisé en ce que au moins l’un des cordons (30) de la pluralité de cordons comporte en outre une gaine (302) dans une seconde matière thermoplastique autour de l’âme (301), le chauffage de la pluralité de cordons (30) à l’étape d'agglomération étant fait pour atteindre une température supérieure à la température de fusion de la seconde matière thermoplastique, de telle sorte que la deuxième matière thermoplastique forme une deuxième matrice autour des âmes (301) après agglomération et durcissement.
Procédé selon la revendication 1, selon lequel, pendant l’étape d'agglomération, on chauffe la pluralité de cordons (30) à une température supérieure aux températures de fusion respectives de la première et de la deuxième matière thermoplastique (3011, 32).
Procédé selon la revendication 1, selon lequel, pendant l’étape d'agglomération, la température de fusion de la deuxième matière thermoplastique (32) étant inférieure à celle de la première matière thermoplastique (3011), on chauffe la pluralité de cordons (30) à une température inférieure à la température de fusion de la première matière thermoplastique (3011).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel on produit les cordons (30) dans une étape de pultrusion réactive, l’âme comportant des fibres continues.
Procédé selon la revendication 4, dans lequel la pultrusion réactive produit la première matière thermoplastique (3011) 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 l’étape d'agglomération est précédée d’une étape de renforcement dans laquelle une couche de renfort (33) est déposée sur ou autour d’une partie au moins de la pluralité de cordons (30).
Procédé selon la revendication 6, selon lequel la couche de renfort (33) est déposée par enroulement autour de la partie de la pluralité de cordons (30).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel la pièce composite est une pièce profilée dont la section finale est supérieure ou égale à la somme des sections des cordons (30) entrant dans les moyens de conformation (22).
Procédé selon la revendication 8, selon lequel on réalise un apport d’une troisième matière pour obtenir la section finale de la pièce composite.
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 entrée (223) suivie par une chambre de compactage (224) et par un calibreur (225), le calibreur (225) permettant de figer la section de la pièce.
Procédé selon la revendication 9 et 10 prises en combinaison, selon lequel la troisième matière thermoplastique injectée dans la chambre de compactage.
Procédé selon la revendication 9 et 10 prises en combinaison, selon lequel la filière comporte en outre une chambre d’injection (2220) située entre la chambre de compactage (224) et le calibreur (225) pour injecter la troisième matière thermoplastique.
Procédé selon l’une des revendications 10 à 12, selon lequel l’entrée est une grille (223) permettant de guider les cordons (30) vers la chambre de compactage (224).
Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, selon lequel la pièce composite est une pièce dont le volume final est inférieur à la somme des volumes 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 1 à 8 ou de la revendication 14, selon lequel les moyens de conformation comportent un moule (22’’’), par pressage dans lequel l’étape d'agglomération est réalisée.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les moyens de conformation (22’’) forment la pièce en courbure afin de produire une pièce courbe (3’’).
Pièce composite, caractérisée en ce qu’elle est obtenue avec un procédé selon l’une des revendications précédentes, et en ce qu’elle comporte une pluralité de cordons (30) comportant une âme (301) avec des fibres de renfort et une matrice en une première matière thermoplastique (3011), les âmes (30) étant disposées dans une deuxième matrice en une seconde matière thermoplastique (32).
Pièce selon la revendication 17, dans laquelle la température de fusion de la seconde matière (32) est inférieure à la température de fusion de la première matière thermoplastique (3011).
Pièce selon la revendication 17, caractérisée en ce qu’elle est obtenue avec un procédé selon l’une des revendications 1, 2, ou 4 à 16 , dans laquelle la première et la deuxième matière thermoplastique (3011, 32) sont identiques.
Pièce selon la revendication 17 ou 18, selon lequel la deuxième matière thermoplastique (32) est différente de la première matière thermoplastique (3011) et est traitée pour obtenir une propriété d’adhésion sur la première matière thermoplastique (3011).
Pièce selon l’une des revendications 17 à 20, selon lequel la première matière thermoplastique (3011) choisie dans un groupe comprenant le polyamide-6, le polyamide-12, le polyméthacrylate de méthyle, le polytéréphtalate de butylène et le polytéréphtalate d’éthylène.
Pièce selon les revendications 20 et 21 prises en combinaison, dans laquelle la première matière thermoplastique est du polyamide et la deuxième matière est du polypropylène modifié par de l’acide maléique.
Pièce selon l’une des revendications 17 à 22, dans laquelle la deuxième matière thermoplastique contient une charge électriquement conductrice.
Pièce selon l’une des revendications 17 à 23, dans laquelle le taux moyen de fibres en volume est supérieur à 40 %, de préférence supérieur à 55 %.
Pièce selon l’une des revendications 17 à 24, dans laquelle le taux de fibres des âmes (301) des cordons (30) en volume est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 60 %.
Pièce selon l’une des revendications 17 à 25, dans laquelle les fibres de renfort de l’âme (301) 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.
Pièce selon l’une des revendications 17 à 26, caractérisée en ce qu’elle est un profilé droit (3) ou courbe (3’’) ayant une section constante.
Pièce selon l’une des revendications 17 à 27, dans laquelle les cordons comportent au moins une cavité longitudinale.
Élément caractérisé en ce qu’il comporte une pièce selon l’une des revendications 17 à 28, sur laquelle au moins une excroissance (5030) est rapportée par moulage par-dessus la pièce (3’’).
Élément selon la revendication 29, dans lequel l’excroissance (5030) est en une cinquième matière thermoplastique qui est du polypropylène.