FR2840246A1 - Nouveau procede de mise en forme et de renforcement de pieces thermoplastiques - Google Patents

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Abstract

Procédé pour mettre en forme et renforcer une pièce (1) de matière thermoplastique comprenant successivement les étapes suivantes : a) chauffer une pièce (1) de matière thermoplastique en forme générale de plaque, b) placer ladite pièce (1) ainsi chauffée sur un moule (5), la première face étant destinée à être positionnée contre les parois de l'empreinte du moule (5) et thermoformer la pièce (1); c) sur au moins une partie de la deuxième grande face de la pièce (1) ainsi thermoformée, appliquer un renfort (7) en formé générale de plaque à base de fibres de renfort et d'une matière thermoplastique identique à celle de la pièce, ledit renfort ayant été préalablement chauffé, d) sur le renfort (7), appliquer un contre-moule (11) avec une pression suffisante pour assurer la mise en forme du renfort (7) et son soudage avec la pièce (1) thermoformée, e) l'ensemble pièce thermoformée/ renfort maintenu entre le moule (5) et le contremoule (11) est refroidi.

Description

largeur totale est comprise entre 60 et 250 millimetres.
La presente invention est relative au domaine technique des materiaux composites. Plus particulierement, ['objet de ['invention concerne un nouveau pro cede pour mettre en forme et renforc er une piece de matiere thermoplastique, ainsi que les pieces composites renforcees et en forme susceptibles d'etre obtenues par un tel procede. De nombreux secteurs d'activite, tels que les domaines de l'emballage, de l'industrie automobile, ou encore de l'industrie du batiment, utilisent des pieces en matiere thermoplastique de forme variee. Une grande partie de ces pieces vent obtenues par thermoformage, procede regroupant differentes techniques permettant, a partir de pieces de matiere thermoplastique en forme generale de plaque, d'obtenir des pieces en forme d'epaisseur quasicons/ante. Cette technique, largement utilisee, comprend, comme etape principale, une etape de mise en forme d'une plaque de matiere thermoplastique prealablement chauffee a une temperature suffisante pour autoriser sa deformation. Cette mise en forme peut etre effectuee par differents moyens, par exemple par estampage de la plaque entre un moule et un contre-moule ou bien en positionnant la plaque sur un moule dans lequel une depression est appliquee, afin de venir plaquer par aspiration la piece composite contre les parois de
l'empreinte du motile.
Ces techniques de thermoformage de pieces thermoplastiques, bien connues de l'homme de ['art, presentent differents avantages, tels que la mise en ceuvre d'outillage de faible cout et la possibilite de fabriquer des pieces de dimension relativement importante et ce a des cadences plus rapides qutavec des technologies mises en aeuvre sur les matieres thermodurcissables. Neanmoins, cette technique presente un inconvenient majeur qui reside dans les faibles proprietes mecaniques des pieces en forme obtenues. Les solutions proposees par l'art anterieur, consistent essentiellement, a renforcer la piece en forme de plaque, destinee a etre thermoformee. Pour cela, il est par exemple propose de co-extruder la matiere thermoplastique avec des fibres de renfort, le plus souvent des fibres de verre courses, longues ou continues. Cependant, de telles solutions ne donnent pas entiere satisfaction, car elles generent des defauts d' aspect a la surface des pieces thermoformees obtenues. De plus, la presence des fibres peut gener l'etirement de la matiere thermoplastique lors du thermoformage. Par ailleurs, de telles techniques entranent des modifications importantes du procede de thermoformage, notamment ['augmentation des temperatures de transformation utilisees et la necessite de mettre en ccuvre un moule et un contre-moule a des pressions plus elevees qui se
rapprochent des pressions utilisees en thermocompression.
Dans ce contexte, la presente invention se propose de fournir un nouveau procede pour mettre en forme et renforcer une piece de matiere thermoplastique, ledit procede permettant d'ameliorer les proprietes mecaniques de la piece obtenue, tout
en conservant un aspect de surface de la piece satisfaisant.
Un autre objet de ['invention, est de proposer un procede qui soit egalement facile a mettre en ccuvre, utilisant un outillage proche de celui mis en couvre dans les techniques de thermoformage plastique, pouvant etre applique a des cadences rapides
et permettant de fabriquer des pieces de grande dimension.
Pour atteindre de tels objectifs, le procede pour mettre en forme et renforcer une piece de matiere thermoplastique selon ['invention, comprend successivement les etapes suivantes: a) chauffer une piece de matiere thermoplastique en forme generale de plaque, une premiere grande face de la piece etant chauffee a une temperature autorisant son thermoformage ulterieur et la deuxieme grande face a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique et inferieure a la temperature de degradation de ladite matiere; b) placer ladite piece ainsi chauffee sur un motile, la premiere face etant destinee a etre positionnee contre les parois de l'empreinte du moule et thermoformer la piece; c) sur au moins une partie de la deuxieme grande face de la piece ainsi thermoformee, ladite face etant toujours a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique, appliquer un renfort en forme generale de plaque a base de fibres de renfort et d'une matiere thermoplastique identique a celle de la piece, ledit renfort ayant ete prealablement chauffe a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique et inferieure a sa temperature de degradation; d) sur le renfort, appliquer un contre-moule avec une pression suffisante pour assurer la mise en forme du renfort et son soudage avec la piece thermoformee, la temperature du renfort et celle de la deuxieme face de la piece etant toujours a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique; e) ['ensemble piece thermoformee/renfort maintenu entre le moule et le contremoule est refroidi pour obtenir le durcissement de la matiere thermoplastique. La presente invention a egalement pour objet les pieces composites renforcees
et en forme susceptibles d'etre obtenues selon le procede ci-dessus.
Diverses autres caracteristiques ressortent de la description faite cidessous en
reference aux dessins annexes qui montrent, a titre d'exemples non limitatifs, des
formes de realisation de ['objet de ['invention.
Les Fig. 1, 2, 3 et 5 vent des vues schematiques des etapes du procede selon
1 5 ['invention.
La Fig. 4 est une vue en perspective partiellement arrachee d'un exemple de
renfort pouvant etre utilise dans le procede selon ['invention.
La Fig. 6 represente une piece composite en forme et renforcee obtenue selon
le procede de ['invention.
La Fig. 7 illustre une variante du procede selon ['invention.
Le procede selon ['invention comporte une premiere etape a) consistent a chauffer une piece 1 de matiere thermoplastique en forme de plaque, destinee a etre mise en forme, puis renforcee. Par piece de matiere thermoplastique, on entend une piece fabriquee a partir d'une matiere thermoplastique telle que le polypropylene, le polyethylene haute densite, le polyethylene basse densite, ltethylenvinylacetate (EVA), le polystyrene, le poly(methacrylate de methyle), le poly(chlorure de vinyle) (PVC), les polyamides ou les polycarbonates. Bien entendu, ces polymeres thermoplastiques peuvent etre combines avec differents additifs du type plastifiants, tensioactifs, lubrifiants, anti-oxydants, colorants, opascifiants, absorbeurs W. agents gonflants, charges minerales ou organiques, afin de modifier leurs caracteristiques. I1 est egalement possible d'utiliser des pieces fabriquees a partir d'un melange de
polymeres thermoplastiques ci-dessus mentionnes.
La piece de matiere thermoplastique de depart est en forme generale de plaque et presente, par exemple, une epaisseur de 1 a 50 mm. Le chauffage de ladite piece peut etre effectue par differents moyens, tels que par conduction, convection ou radiation. La piece thermoplastique est generalement maintenue dans un cadre 2 de maintien et de support pour etre soumise a un chauffage, avantageusement en la placant entre deux rampes a rayonnement infra-rouge, afin de chauffer les deux grandes faces la et lb de ladite piece. L'une de ses grandes faces, par exemple la face la est destinee a etre positionnee contre les parois 3 de l'empreinte 4 du moule 5 servant ulterieurement dans ltetape de thermoformage. Cette premiere grande face la
est chauffee a une temperature suffisante pour autoriser son thermoformage ulterieur.
Bien entendu, la temperature de chauffage doit etre inferieure a la temperature de degradation de la matiere thermoplastique. Le chauffage sera, par exemple, effectue a une temperature comprise entre la temperature de ramolissement et la temperature
de fusion de la matiere thermoplastique.
La deuxieme grande face lb, quant a elle, est destinee a etre mise ulterieurement en contact avec un renfort 7 et doit etre chauffee a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique et bien entendu, inferieure a la temperature de degradation de cette derriere, de maniere a permettre le soudage de la piece au renfort 7, tel que cela sera explique dans la suite de la
description. Avantageusement, cette deuxieme face lb sera chauffee a une
temperature legerement superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique, par exemple a une temperature de 5 a 20 C superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique. L'etape b) du procede, consiste a placer ladite piece ainsi chauffee sur un motile, de sorte que la premiere face la de la piece 1 soit placee en face de ltempreinte 4 du moule 5. L'etape de thermoformage est avantageusement effectuee en appliquant une depression 6 sur le moule 5. Cette depression permet d' aspirer la plaque 1 dans l ' empreinte 4 du moule 5 en etirant et deformant la matiere thermoplastique pour venir plaquer la face la de la piece 1 contre les parois 3 de l'empreinte 4. Comme le montre la Fig. 2, la piece 1 adopte la forme de l'empreinte 3, correspondent a la forme desiree pour la piece composite finale. Bien entendu, une autre technique de thermoformage, tel que ltestampage pourra^t etre utilisee, la seule condition a respecter etant de conserver pour la face lb de la piece 1 une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere
thermoplastique, pour la mise en ccuvre des etapes ulterieures c) et d).
L'etape c) consiste a positionner sur la piece 1 ainsi thermoformee, un renfort 7. Ce renfort 7 peut etre prevu pour renforcer la totalite de la piece 1 et sera done applique sur toute la surface lb ou bien pour n'effectuer d'un renfort local et sera alors applique que sur la partie concernee de la face lb. Ce renfort egalement en forme generale de plaque est compose, d'une part, de fibres de renfort et, d'autre
part, d'une matiere thermoplastique identique a celle constitutive de la piece 1.
Differents renforts 7 pourront etre utilises. Generalement, un tel renfort comporte au moins une nappe fibreuse constituee de fibres de renfort, telles que des fibres de verre, carbone ou aramide, eventuellement en melange. Une telle nappe de fibres peut se presenter sous la forme d'un tissu ou encore d'un non-tisse, les fibres pouvant etre orientees de facon mono, bi ou pluri directionnelle. Ce reseau fibreux est allie a une matrice de matiere thermoplastique, se presentant par exemple sous la forme d'un film auquel les fibres vent intimement liees. De facon avantageuse, on utilisera un renfort homogene dans lequel les fibres vent comelees a la matiere thermoplastique. Le renfort presente de facon avantageuse une epaisseur comprise entre 0,1 a lOmm. A titre d'exemple, la Fig. 4 illustre un exemple de renfort 7 qui se compose d'une feuille 8 en matiere thermoplastique associee a une premiere nappe 9 de fils de renfort s'etendant parallelement entre eux et a une deuxieme nappe 10 de fils de renfort paralleles entre eux et s'etendant transversalement a la premiere nappe 9 sans entrelacements. Selon une autre variante, un tel renfort ne pourra comporter qu'une senle nappe de fils de renfort stetendant parallelement entre eux, cesdits fils de renfort pouvant etre cdmeles avec des fils de matiere thermoplastique de meme nature ou de nature differente que la matiere constitutive du film 8. Les nappes peuvent etre constituees de fils jointifs ou bien de fils disposes en faisceaux regulierement espaces. Le film 8 peut presenter une epaisseur comprise entre 25 et 1 200,um, sa masse surfacique pouvant etre comprise entre 20 et 1 000 g/m2. Le cas echeant, les fils constitutifs des nappes peuvent etre textures. Le film 8 et le reseau de fils vent intimement lies de sorte que les fils vent imprimes au moins pour partie dans l' epaisseur du film 8 sans qut il en resulte un etat de surface deforme. De tels renforts vent realises selon des techniques classiques, par exemple par calandrage a chaud
dans des conditions de temperature et de pression bien connues de l'homme de ['art.
Le renfort 7 utilise dans le procede selon ['invention se caracterise par une faculte de deformation elastique lui donnant une aptitude a la conformation lors de l'etape
ulterieure d).
Cette etape d) consiste a appliquer sur le renfort 7 un contre-moule 11 avec une pression suffisante pour assurer la mise en forme du renfort 7 et son soudage a la piece 1 thermoformee. Il est important qu'entre l'etape a) de chauffage de la piece 1 et l'etape d) de compression, la temperature du renfort ainsi que celle de la deuxieme face de la piece restent tonjours superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique. C'est pourquoi, les differentes etapes a) a d) vent enchanees rapidement, afin d'eviter un refroidissement trop important des deux elements a associer. Le renfort prechauffe 7 est done positionne sur la piece 1 thermoformee, immediatement apres la mise en forme de celle-ci, puis le contre-moule 11, egalement appele poincon est aussitOt descendu. La pression appliquee sur le poincon, lorsque le moule 5 et son contremoule 11 vent en position fermee comme illustre a la Fig. 5 est comprise, par exemple, entre O,l.lOs et 106 Pa,
avantageusement egale a 0,5.105 Pa.
L'elongation de la matiere thermoplastique lors de l'etape de thermoformage pouvant entraner de legeres differences d'epaisseur, lthomme du metier pourra prevoir d'adapter le contre-moule 11 en consequence, afin d'obtenir un bon soudage
sans perturber ['aspect de surface de la piece.
La piece renforcee en forme ainsi obtenue est ensuite refroidie entre le moule 5 et le contre-moule 11 toujours en position fermee. Puis la piece est enfin demoulee et eventuellement decoupee en fonction des dimensions de ['article final desire. La Fig. 6 montre une vue en coupe schematique d'une piece composite I obtenue selon le procede de ['invention. Cette piece composite I est composee d'une part de la piece 1 thermoplastique et du renfort 7 intimement lies et tous deux mis en forme
selon la forme imposee par le moule 5 et son contre-moule 11.
Selon un mode de realisation prefere, on pourra utiliser un moule 5 et un contre-moule 11 dont les empreintes et contre empreintes ne vent pas exactement complementaires. L'utilisation d'une empreinte et d'une contreempreinte non congruantes permet, comme illustre a la Fig. 7, d'effectuer un soudage local entre le renfort 7 et la piece 1 en menageant des espacements 12 entre ces deux elements. La presence de tels espacements 12 permet d'ameliorer la rigidite de la piece composite
S en forme renforcee obtenue.
Les pieces composites en forme renforcees susceptibles d'etre obtenues par le present procede se distinguent des pieces connues de l' art anterieur par leurs proprietes mecaniques ameliorees alliees a un etat de surface satisfaisant. Il faut remarquer qutil est essentiel dans le procede selon ['invention d'effectuer le lO renforcement apres ltetape de thermoformage, afin justement d'obtenir un etat de
surface satisfaisant.
Les pieces composites selon ['invention pourront etre utilisees pour la fabrication d' articles notamment dans l'industrie automobile et le batiment, tels que des carters de protection sous moteur, des passages de roue de camion, des tablettes arrieres, des panneaux de coffre, des pieces resistantes au choc (pare-chocs, absorbeurs de choc, poutres), des pieces de protection exterieure de vehicule tout terrain, des <<hard-top > >, des logements de roue de secours, des containers, des
palettes, des elements de salle de bain ou des bagages.
L'inventi on n' est b ien entendu pas limite e aux exempl es de crits et represente s car
diverges modifications peuvent y etre apportees sans sortir de son cadre.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1- Procede pour mettre en forme et renforcer une piece (1) de matiere thermoplastique comprenant successivement les etapes suivantes: a) chauffer une piece (1) de matiere thermoplastique en forme generale de plaque, une premiere grande face (la) de la piece etant chauffee a une temperature autorisant son thermoformage ulterieur et la deuxieme grande face (lb) a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique et inferieure a la temperature de degradation de ladite matiere; b) placer ladite piece (1) ainsi chauffee sur un moule (5) , la premiere face (la) etant destinee a etre positionnee contre les parois (3) de l'empreinte (4) du moule (5) et thermoformer la piece (1); c) sur au moins une partie de la deuxieme grande face (lb) de la piece (1) ainsi thermoformee, ladite face etant toujours a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique, appliquer un renfort (7) en forme generale de plaque a base de fibres de renfort et d'une matiere thermoplastique identique a celle de la piece, ledit renfort ayant ete prealablement chauffe a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique et inferieure a sa temperature de degradation; d) sur le renfort (7), appliquer un contre-moule (11) avec une pression suffisante pour assurer la mise en forme du renfort (7) et son soudage avec la piece (1) thermoformee, la temperature du renfort (7) et celle de la deuxieme face (lb) de la piece etant toujours a une temperature superieure a la temperature de fusion de la matiere thermoplastique; e) ['ensemble piece thermoformee/renfort maintenu entre le moule (5) et le contremoule (11) est refroidi pour obtenir le durcissement de la matiere thermoplastique. 2 - Procede selon la revendication 1, caracterise en ce qu'a ltetape b) le
thermoformage de la piece est obtenu par depression (6) d'air dans le moule.
3 - Procede selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que l'empreinte du moule (5) et la contre-empreinte du contre-moule (11) vent choisies de facon qutapres application du contre-moule a l'etape d), il existe des espacements (12)
entre le renfort (7) et la piece (1), le soudage ntetant effectue que localement.
4 - Procede selon les revendications 1 a 3, caracterise en ce que le renfort (7)
applique a l'etape c) se compose d'une feuille (8) en matiere thermoplastique associee a une premiere nappe (9) de fils de renfort s'etendant parallelement entre eux et a une deuxieme nappe (10) de fils de renfort paralleles entre eux et stetendant
transversalement a la premiere nappe (9) sans entrelacement.
- Procede selon les revendications 1 a 4, caracterise en ce que le renfort applique
a l' etape c) se compose d' au moins un film (8) de matiere thermoplastique allie a au moins un reseau (9) de fils de renforts tendus, comeles avec des fils de matiere thermoplastique.
6 - Procede selon l'une des revendications 1 a 5 mis en ccuvre pour la realisation
d' articles dans le domaine de [ 'automobile ou du batiment.
7 - Pieces composites (I) renforcees et en forme susceptibles d'etre obtenues selon
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