FR2780677A1 - Injection molding of heat setting materials with reinforcement fibers - Google Patents

Abstract

For the production of bodies with high mechanical properties, injection molded using a composite heat setting material containing reinforcement fibers of glass, carbon, and the like. The mold has a number of injection heads. A number of auxiliary pistons increase the anisotropy of the charge and shift the material into the mold. Surplus material is moved between the injection heads to improve the anisotropy of the material. The concentration of the reinforcement fibers is increased in the molding by the extraction of surplus resin through filter passages.

Description

TITRE:TITLE:

TRANSFERT DE COMPOSITE THERMODURCISSABLE  TRANSFER OF THERMOSETTING COMPOSITE

FORTEMENT RENFORCESTRONGLY REINFORCED

EN VUE DE CREER DES PIECES TECHNIQUES  WITH A VIEW TO CREATING TECHNICAL PARTS

A HAUTES PROPRIETES MECANIQUESWITH HIGH MECHANICAL PROPERTIES

ETAT DE LA TECHNIQOUE:STATE OF THE ART:

Cette viscosité impose des pressions d'injection très fortes des moules très solides et  This viscosity imposes very high injection pressures on very solid molds and

des presses d'injection très puissantes.  very powerful injection molding machines.

De plus, lorsque le flux de matière thermoplastique est divisé en plusieurs écoulements, par des obstacles, dans les zones ou les écoulements se rejoignent, il se  In addition, when the flow of thermoplastic material is divided into several flows, by obstacles, in the zones where the flows meet, it

forme des défauts appelés " lignes de soudure ".  form of defects called "weld lines".

Ces lignes sont une zone de fragilité et de fissuration bien connue des spécialistes des pièces injectées. La faiblesse de ces zones est liée au fait que le thermoplastique se refroidit à la surface des obstacles et que les deux " surfaces fluides refroidies de contact " se soudent très mal lorsqu'elles se rejoignent De plus, les fibres restent prisonnières dans les volumes fluides qui ont été séparés et il n'y a pas de passage de fibres et d'accrochage mécanique entre les " surfaces fluides refroidies de contact "; enfm lors de l'injection, les fibres de renforcement  These lines are a zone of brittleness and cracking well known to specialists in injected parts. The weakness of these zones is linked to the fact that the thermoplastic cools down on the surface of the obstacles and that the two "cool contact fluid surfaces" do not weld very well when they meet. In addition, the fibers remain trapped in the fluid volumes. which have been separated and there is no passage of fibers and mechanical attachment between the "cool contact fluid surfaces"; finally during the injection, the reinforcing fibers

sont broyées par le système d'injection et leur longueur utile est très faible.  are crushed by the injection system and their useful length is very short.

L'avantage de l'injection thermoplastique chargée fibre et de produire des pièces techniques relativement robustes, telles des hélices pour l'automobile. Pour des petites séries le prix des moules devient rapidement prohibitif Il existe une technique utilisant des résines thermodurcissables appelées RTM, dans laquelle on injecte, sous vide et pression, de la résine pure dans un moule " léger " qui a été préalablement remplis a 30 % (en masse) de " préformes >" en fibres de  The advantage of fiber-loaded thermoplastic injection and of producing relatively robust technical parts, such as propellers for the automobile. For small series the price of molds quickly becomes prohibitive There is a technique using thermosetting resins called RTM, in which we inject, under vacuum and pressure, pure resin in a "light" mold which has been previously filled to 30% (by mass) of "preforms" in fibers of

verres (tissus ou mat).glasses (fabrics or mat).

Cette technique est intéressante mais nécessite une manipulation de fibres et une  This technique is interesting but requires manipulation of fibers and

préparation de préformes, pas toujours aisé ni économiquement intéressante.  preparation of preforms, not always easy or economically attractive.

* BUT DE L'INJECTION:* PURPOSE OF INJECTION:

A. Au niveau du process: Réaliser l'injection de thermodurcissables chargés de fibres de renforcement de façon à obtenir des pièces analogues à l'injection thermoplastiques avec une mise en oeuvre analogue et des moules plus légers et moins chers car soumis à des pressions  A. At the process level: Carry out the injection of thermosets loaded with reinforcing fibers so as to obtain parts similar to thermoplastic injection with an analogous implementation and lighter and less expensive molds because they are subjected to pressures

plus faibles.weaker.

B. Au niveau de la performance produit: Obtenir des pièces: - à taux de verre important (40% à 50% en masse) comportant des fibres utiles de 25 à 2 mm de longueur  B. At the level of product performance: Obtain parts: - with a high glass content (40% to 50% by mass) comprising useful fibers 25 to 2 mm in length

- n'ayant pas de problème de longueur de cheminement ni de lignes de soudures.  - having no problem of path length or weld lines.

* LE PROCEDE:* THE PROCESS:

Le procédé peut se décliner en plusieurs variantes; il est applicable à toute résine thermnnodurcissable tel le polyester, le polyester hybride, le vinhylester, l'Epoxy, la  The process can be broken down into several variants; it is applicable to any thermosetting resin such as polyester, hybrid polyester, vinyl ester, Epoxy,

résine phénolique etc...phenolic resin etc ...

La charge peut être tout type de fibre de 2 à 25 mm de longueur.  The load can be any type of fiber from 2 to 25 mm in length.

Exemple: verre carbone, aramide etc...  Example: carbon glass, aramid etc ...

Préférentiellement la charge subit un ensimage complémentaire avec un agent mouillant. Eventuellement des charges tixotropantes peuvent être utilisées en complément.  Preferably, the filler undergoes additional sizing with a wetting agent. Optionally tixotropic fillers can be used in addition.

VARIANTE 1:ALTERNATIVE 1:

On procède au prémélange de la fibre de renforcement coupée: - avec chacun des composants, du mélange, dans le cas d'une résine à au moins 2 composants à part sensiblement égale;  The cut reinforcing fiber is premixed: - with each of the components, of the mixture, in the case of a resin with at least 2 components of substantially equal share;

- avec la résine, dans le cas d'un polyester ou analogue ou monocomposant.  - with resin, in the case of a polyester or similar or single-component.

Ce mélange est fait, par exemple, par brassage, de préférence sous vide partiel.  This mixture is made, for example, by stirring, preferably under partial vacuum.

A ce stade les composants de la résine n'ayant pas été mêlés, avec des agent capable de réagir chimiquement avec eux, la vie en pot est analogue à celui des produits non  At this stage the components of the resin have not been mixed, with agents capable of reacting chemically with them, the pot life is similar to that of non-

chargés.loaded.

Des taux de verre de 30 % à 60 % en masse sont réalisables. Juste avant l'injection on mélange catalyseur et résine chargée, dans le cas d'un " type polyester " o on mélange les 2 composants dans le cas d'une " type epoxy ". Ce mélange se fait dans une tête d'injection et on injecte sous pression dans un moule préférentiellement tenu  Glass rates of 30% to 60% by mass are achievable. Just before injection, catalyst and charged resin are mixed, in the case of a "polyester type" where the 2 components are mixed in the case of an "epoxy type". This mixing takes place in an injection head and is injected under pressure into a preferably held mold

sous vide.under vacuum.

Avantageusement la résine peut être réglée pour ne polymériser qu'au- delà de 80 C, ceci permet d'avoir des parcours longs et compliqués dans un moule qui peut être  Advantageously, the resin can be adjusted so as to polymerize only above 80 ° C., this makes it possible to have long and complicated paths in a mold which can be

tenu à des températures de par exemple 50 pour fluidifier la résine.  held at temperatures of for example 50 to thin the resin.

Grâce à cette technologie, des injections techniques complexes sont réalisables.  Thanks to this technology, complex technical injections are possible.

VARIANTE 2:ALTERNATIVE 2:

On réalise le mélange de tous les composants de la résine et de son renfort sous vide en une seule opération dans une trémie dotée de moyens de brasage. Ce mélange est réalisé en temps masqué, pendant l'injection de la charge précédante. Après injection,  The mixture of all the components of the resin and of its reinforcement is carried out under vacuum in a single operation in a hopper provided with brazing means. This mixing is carried out in masked time, during the injection of the preceding charge. After injection,

le moyen d'injection reçoit la charge de l'injection suivante.  the injection means receives the load for the next injection.

La résine utilisée est ici encore préférentiellement réglée pour n'avoir un  The resin used is here again preferably adjusted so as not to have a

déclenchement qu'au-delà d'une température minimale de par exemple 80 .  tripping only above a minimum temperature of for example 80.

Ici aussi l'injection se fait sous vide et pression préférentiellement.  Here too, the injection is preferably done under vacuum and pressure.

Remarque 1: Pour certaines résines telles les hybrides, la variante 2 peut préférentiellement se réaliser de la sorte: mélange des composants puis " mûrissement " de par exemple 2 heures (pour atteindre la phase) " pré-imprégné " puis injection. Le " mûrissement " peut se faire dans la trémie de mélange ou dans des " pots " tampon qui stockent la  Note 1: For certain resins such as hybrids, variant 2 can preferably be carried out in this way: mixing of the components then "curing" of for example 2 hours (to reach the phase) "prepreg" then injection. The "ripening" can be done in the mixing hopper or in buffer "pots" which store the

charge avant injection.charge before injection.

Remaraue 2: L'injection d'un thermoplastique chargé dans un moule s'apparente à un écoulement visqueux. Il n'y a pas de lignes de soudures car le fluide ne réagit pas avec les parois  Note 2: The injection of a charged thermoplastic into a mold is similar to a viscous flow. There are no weld lines because the fluid does not react with the walls

du moule.of the mold.

Par contre on a intérêt à avoir de la turbulence pour bien mélanger les fibres et casser  On the other hand it is advantageous to have turbulence to mix the fibers well and break

les lignes de courant, après réunion.  power lines, after meeting.

Remarque 3:Note 3:

L'injection se fait préférentiellement en " source " pour favoriser le dégazage.  The injection is preferably done in "source" to promote degassing.

Remarque 4: On peut, pour améliorer l'anisotropie du fibrage, soit disposer de plusieurs têtes d'injection qui échangent un excèdent de matière et brassent ainsi celle contenue dans le moule, soit disposer de pistons par exemple affleurants dans le moule qui permettent d'agiter le volume de résine chargée quand celui-ci a été " placé " dans le moule. Remarque 5: Préférentiellement on utilise des fibres de longueur différentes de façon a favoriser la tridimentionalité du renforcement Remarque 6: Avantageusement les résines sont conversées sous vide partiel depuis le mélange  Note 4: To improve the anisotropy of the fiber drawing, it is possible either to have several injection heads which exchange an excess of material and thus stir up that contained in the mold, or to have pistons for example flush with the mold which allow 'Shake the volume of loaded resin when it has been "placed" in the mold. Note 5: Preferably, fibers of different length are used so as to promote the three-dimensionality of the reinforcement. Note 6: Advantageously, the resins are converted under partial vacuum from the mixture.

jusqu'à l'injection pour assurer le dégazage.  until injection to ensure degassing.

Remarque 7: Toute résine susceptible d'avoir une phase << prépreg " est préférentiellement traité  Note 7: Any resin likely to have a "prepreg" phase is preferably treated

selon la variante 2 remarque 1.according to variant 2 note 1.

Remarque 8: Il est utile de toujours rechercher une macération longue des fibres dans les fluides,  Note 8: It is useful to always look for a long maceration of fibers in fluids,

pour assurer un bon dégazage et un bon mouillage des fibres.  to ensure good degassing and good wetting of the fibers.

Remarque 9: Si l'on utilise plusieurs têtes d'injections on peut " masser " la résine dans le moule  Note 9: If you use several injection heads you can "massage" the resin in the mold

en échangeant de la matière entre les têtes d'injections.  by exchanging material between the injection heads.

Remarque 10: Avantageusement, les évents du moule sont réalisés avec des " évents filtrants " tels que par exemple des " passages étroits " très fins et relativement longs. Des feutres des toiles ou des tissus peuvent également convenir. Outre le rôle de dégazage et de mise au vide, de tels passages permettent de laisser filer la résine et de retenir les fibres. Il est alors possible d'obtenir un débulage de la pièce, comme cela se pratique en RTM, mais, et ceci est nouveau, une augmentation du taux de verre, puisque l'on rentre dans le moule de la résine chargée et que l'on extrait de celui-ci de la résine  Note 10: Advantageously, the mold vents are produced with "filter vents" such as for example very narrow and relatively long "narrow passages". Canvas or fabric felts may also be suitable. In addition to the role of degassing and evacuation, such passages allow the resin to spin and retain the fibers. It is then possible to obtain a debulking of the part, as is done in RTM, but, and this is new, an increase in the rate of glass, since one enters the mold of the charged resin and that the we extract resin from it

quasiment pure.almost pure.

Claims (6)

REVENDICATIONS 5. 1. Procédé de fabrication de pièces structurales à hautes propriétés mécaniques caractérisé par le fait que l'on injecte, dans un moule vide, un composite thermodurcissable  5. 1. A method of manufacturing structural parts with high mechanical properties, characterized in that a thermosetting composite is injected into an empty mold préalablement fortement chargé de fibres de renforcement.  previously heavily loaded with reinforcing fibers. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise plusieurs têtes d'injection. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise des pistons 15. auxiliaires pour augmenter l'anisotropie de la charge en faisant bouger celle-ci dans le moule.  2. Method according to claim 1, characterized in that several injection heads are used. 3. Method according to claim 1, characterized in that one uses auxiliary pistons 15. to increase the anisotropy of the load by moving it in the mold. 4. Procédé selon les revendications I et 2, caractérisé par le fait que l'on fait échanger un  4. Method according to claims I and 2, characterized in that one makes exchange a 20. excédent de matière entre les têtes d'injections pour améliorer l'anisotropie de la matière  20. excess material between the injection heads to improve the anisotropy of the material dans le moule.in the mold. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on augmente la  5. Method according to claims 1 to 4, characterized in that one increases the concentration de renfort dans la pièce en extrayant du moule, un excédent de résine par  reinforcement concentration in the part by extracting an excess of resin from the mold 25. passage au travers d'évents filtrants.  25. passage through filter vents.