FR3084008A1 - Procede de soudage par induction mettant en œuvre un film polymere composite conducteur et/ou magnetique - Google Patents

Procede de soudage par induction mettant en œuvre un film polymere composite conducteur et/ou magnetique Download PDF

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Abstract

L'invention est relative à un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces polymères thermoplastiques mettant en œuvre un film composite comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique et des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, ledit procédé étant effectué par soudage par induction, à l'utilisation dudit film composite pour le soudage d'au moins deux pièces polymères thermoplastiques, et audit film composite.

Description

PROCÉDÉ DE SOUDAGE PAR I NDUCTI ON METTANT EN ŒUVRE UN Fl LM POLYMÈRE COMPOSITE CONDUCTEUR ET/ OU MAGNÉTIQUE
L’invention est relative à un procédé d’assemblage d’au moins deux pièces polymères thermoplastiques mettant en œuvre un film composite comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique et des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, ledit procédé étant effectué par soudage par induction, à l’utilisation dudit film composite pour le soudage d’au moins deux pièces polymères thermoplastiques, et audit film composite.
L’invention s’applique typiquement mais non exclusivement aux techniques d’assemblage de pièces polymères, notamment aux techniques d’assemblage de pièces polymères thermoplastiques.
Les technologies d’assemblage de pièces polymères sont diverses, telles que le collage, notamment à l’aide d’adhésifs ou de colles, les techniques d’assemblage mécanique telles le clipsage, le perçage, le rivetage ou l’emboîtement, ou le soudage tel que le soudage par transfert thermique, par friction, ou par rayonnement tel que le soudage par induction.
Le soudage est particulièrement approprié dans le cas de polymères thermoplastiques puisque ceux-ci possèdent des caractéristiques rhéologiques lors de la fusion (pour les polymères semi-cristallins) ou de ramollissement (pour les polymères amorphes) suffisantes pour permettre une interpénétration des couches superficielles nécessaire à leur liaison. Le soudage consiste à chauffer une couche de surface de deux pièces à assembler pour les « ramollir >> et favoriser leur interpénétration en les assemblant lors du refroidissement.
Il est connu d’effectuer du soudage par induction en plaçant un filament conducteur ou ferromagnétique sous forme de grillage au niveau de l’interface entre deux pièces polymères thermoplastiques électriquement isolantes, et en chauffant l’ensemble par induction. L’ensemble est ainsi mis dans un champ électromagnétique, sous l’effet de courants de Foucault. Le filament s’échauffe, transmet la chaleur au polymère thermoplastique à son contact, et provoque la fusion de l’interface. Toutefois, cette technique présente un certain nombre d’inconvénients. Tout d’abord, la présence de la grille au sein de la pièce finale peut créer un point de fracture(s) lors de sollicitations mécaniques. De plus, le soudage n’est pas optimisé puisque la fusion est réalisée localement, au voisinage proche du grillage, induisant une fragilité de la soudure et/ou une faible adhérence des pièces à assembler sur toute la surface de recouvrement de celles-ci. Enfin, cette technique ne permet pas d’obtenir une pièce finale ayant des propriétés structurales homogènes, de par l’épaisseur non négligeable du grillage par rapport à la soudure formée.
Une autre technique repose sur l’utilisation d’une presse et d’une bobine pour générer un courant de Foucault dans des pièces polymères thermoplastiques renforcées de fibres de carbone. La fibre de carbone réchauffe la pièce jusqu’à faire fondre le polymère thermoplastique, qui peut être une résine de type polysulfure de phénylène (PPS), polyétheréthercétone (PEEK) ou polyétherimide (PEI). Deux pièces polymères thermoplastiques renforcées peuvent ainsi être unies sans préparation de surface, par déplacement de la bobine le long du cordon de soudure. Toutefois, cette technique ne peut pas être utilisée pour assembler des pièces thermoplastiques non renforcées ou électriquement isolantes.
Par ailleurs, la demande japonaise JPH0911411A décrit l’assemblage de deux pièces en résine thermoplastique de type acrylonitrile butadiène styrène (ABS) comprenant une étape de préparation par coextrusion d’une première couche de résine thermoplastique ABS revêtue d’une deuxième couche comprenant une résine ABS et 40% en volume de fibres de fer, suivie d’une étape de dépôt d’une troisième couche de résine thermoplastique ABS sur la deuxième couche, et d’une étape de soudage par induction afin d’assembler les première et troisième couches en résine thermoplastique ABS. Toutefois, le soudage par induction requiert l’utilisation d’une grande quantité de particules magnétiques, induisant une perte des propriétés mécaniques des pièces à assembler.
Ainsi, le but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur précité. En particulier, le but de la présente invention est de fournir un procédé d’assemblage de pièces polymères thermoplastiques permettant de conserver les propriétés mécaniques desdites pièces, tout en limitant le poids de la pièce finale, et en obtenant une soudure complète, homogène et robuste.
Ce but est atteint par l’invention qui va être décrite ci-après.
L’invention a donc pour premier objet un procédé d’assemblage d’au moins deux pièces polymères thermoplastiques h et P2, la première pièce h ayant une surface Si et la deuxième pièce P2 ayant une surface S2, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes suivantes :
1) appliquer un film composite F sur la surface Si de la première pièce Pi, afin de former une première pièce Pi revêtue dudit film F, ledit film comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique et des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, lesdites nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques représentant une quantité inférieure à 10% en volume environ, par rapport au volume total dudit film composite F,
2) déposer la deuxième pièce P2 sur la première pièce ΡΊ revêtue dudit film F, pour former un ensemble P-|/F/P2,
3) souder par induction l’ensemble Pi/F/P2, ledit film F étant obtenu selon au moins les étapes suivantes :
i) une étape de préparation d’une suspension comprenant au moins un solvant et des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, ii) une étape de mélange d’une poudre d’un matériau polymère thermoplastique de granulométrie inférieure ou égale à 50 pm environ avec la suspension préparée à l’étape i) pour obtenir une suspension résultante, iii) une étape de séchage de la suspension résultante, et iv) une étape de traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température de fusion dudit matériau polymère thermoplastique lorsque celui-ci est sous forme semi-cristalline, ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celui-ci est sous forme amorphe.
Ainsi, le procédé de l’invention permet d’assembler au moins deux pièces polymères thermoplastiques tout en conservant les propriétés mécaniques desdites pièces, en limitant le poids de la pièce finale et en obtenant une soudure complète, homogène et robuste. En particulier, le film F est faiblement chargé en nanoparticules magnétiques et/ou électriquement conductrices, induisant une conservation des propriétés mécaniques desdites pièces et dudit film. Par ailleurs, l’utilisation de nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques permet d’obtenir une soudure robuste, complète et homogène.
En outre, les inventeurs de la présente demande ont découvert que l’utilisation de quantités volumiques inférieures à 10% environ de nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques permet d’obtenir un film composite capable de chauffer par induction, alors qu’il faut au moins 15 à 20% en volume de particules électriquement conductrices et/ou magnétiques sous forme de particules sphériques, de flocons, ou de poudre, pour pouvoir obtenir un chauffage par induction équivalent. Cependant, avec de telles proportions volumiques élevées, une dégradation des propriétés mécaniques du film est observée, induisant une soudure fragile entre les deux pièces.
Dans la présente invention, l’expression « nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques >> signifie que les nanoparticules sont électriquement conductrices, magnétiques, ou électriquement conductrices et magnétiques.
Dans la présente invention, l’expression « nanoparticules électriquement conductrices >> signifie que les nanoparticules ont une conductivité électrique d’au moins 10 S/m environ, de préférence d’au moins 1 O4 S/m environ, et de préférence encore d’au moins 107S/m environ, à 25°C.
Les nanoparticules magnétiques possèdent de préférence un cycle hystérésis magnétique. En particulier, elles peuvent être des nanoparticules ferromagnétiques ou ferrimagnétiques.
Les nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques utilisées dans le procédé de l’invention sont capables de chauffer en présence d’un champ électromagnétique (i.e. par induction).
En particulier, les nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques peuvent chauffer selon deux modes de chauffage, notamment grâce à l’énergie dissipée par effet joule des courants de Foucault de conducteurs, et grâce à l’énergie dissipée par hystérésis en faisant varier la polarité magnétique. L’énergie dissipée par effet joule est d’autant plus importante que les particules créent un réseau percolant conducteur, avec une dissipation supplémentaire aux résistances de contact entre les nanoparticules filiformes.
Dans la présente invention, l’expression « nanoparticules >> signifie des particules ayant au moins une de leurs dimensions de taille nanométrique (10’ 9 mètre), de préférence ayant au moins une de leurs dimensions d’au plus 800 nm environ (nanomètres), et de préférence encore d’au plus 500 nm environ.
Plus particulièrement, les nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques présentent :
- une longueur (LJ, s'étendant selon une direction principale d'allongement,
- deux dimensions (DJ et (D2), dites dimensions orthogonales, s'étendant selon deux directions transversales orthogonales entre elles et orthogonales à ladite direction principale d'allongement, lesdites dimensions orthogonales (D15 D2) étant inférieures à ladite longueur (LJ et de préférence inférieures à 500 nm, et
- deux rapports (R) et (F2), dits facteurs de forme, entre ladite longueur (LJ et chacune des deux dimensions orthogonales (DJ et (D2), lesdits facteurs de forme (R, F2) étant supérieurs à 50.
L’expression « facteur de forme » signifie le rapport entre la longueur (LJ d'une nanoparticule filiforme électriquement conductrice et/ou magnétique, et l'une des deux dimensions orthogonales (D15 D2) de ladite nanoparticule filiforme électriquement conductrice et/ou magnétique.
En considérant plusieurs nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques selon l’invention, le terme « dimension >> signifie la dimension moyenne en nombre de l’ensemble des nanoparticules d’une population donnée, cette dimension étant classiquement déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier.
La dimension de la ou des nanoparticules selon l’invention peut être par exemple déterminée par microscopie, notamment par microscope électronique à balayage (MEB) ou microscopie électrique (MET).
Étape i)
Dans la présente invention, l’expression « suspension >> signifie une dispersion d'un solide (poudre) insoluble (ou pratiquement insoluble) et finement divisé dans un milieu liquide. C'est donc un système hétérogène constitué d'une phase continue externe liquide (solvant) et d'une phase interne solide.
Le solvant de l’étape i) peut être choisi parmi les solvants hydrocarbonés tels que les alcanes, les alcènes, le toluène ou le xylène, les solvants oxygénés tels que les alcools, les cétones, les esters, le diméthylformamide (DMF) ou le diméthylsulfoxyde (DMSO), les solvants chlorés, l’eau, et leurs mélanges.
Le solvant de l’étape i) est de préférence un solvant que l’on peut aisément évaporer, afin de faciliter le séchage de l’étape iii).
Le solvant de l’étape i) particulièrement préféré est un alcool tel que l’éthanol.
Le solvant de l’étape i) est généralement inerte vis-à-vis des nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques, et du matériau polymère thermoplastique.
La suspension formée à l’étape i) peut comprendre de 0,01% à 2% en volume environ, et de préférence de 0,06% à 0,5% en volume environ desdites nanoparticules, par rapport au volume total de la suspension.
Les nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques peuvent comprendre au moins un métal choisi parmi le nickel, l’argent, le fer, et le cobalt, ou au moins un alliage métallique à base d’au moins un métal choisi parmi le nickel, l’argent, le fer, le cobalt, le cuivre et le manganèse.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée, les nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques sont choisis parmi des nanoparticules de nickel (0), des nanoparticules d’argent (0), des nanoparticules à base d’oxyde(s) de fer telles que des nanoparticules de Ρθ3θ4, CuFe2O4, SrFei20i9, Co2Ba2Fei2022! Mg2Ba2Fei2O22! ZniMgiBa2Fei2O22! Zn1CoiBa2Fei2 022, des nanoparticules d’un alliage contenant du fer et/ou du nickel tel que l’acier, l’acier inoxydable, le permalloy, et des nanoparticules d’un alliage de Heusler.
Selon une forme de réalisation préférée, les deux dimensions orthogonales (D15 D2) d'une nanoparticule filiforme électriquement conductrice et/ou magnétique sont le diamètre (D) de sa section droite transversale. On parle alors de « nano-bâtonnet >> ou de « nano-fil >>.
Une nanoparticule filiforme électriquement conductrice et/ou magnétique peut être un « ruban >> dans lequel les deux dimensions orthogonales de la nanoparticule selon l'invention sont sa largeur (L2) (première dimension orthogonale) et son épaisseur (E) (deuxième dimension orthogonale).
Plus particulièrement, des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques selon l'invention sont caractérisées par l'une au moins des caractéristiques suivantes :
- les deux dimensions orthogonales (D15 D2) des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques vont de 50 nm à 250 nm environ, et de préférence de 100 nm à 200 nm environ ;
- la longueur (LJ va de 1 pm à 150 pm environ, et de préférence de 25 pm à 70 pm environ ;
- les facteurs de forme (h, F2) sont supérieurs ou égaux à 100 environ, de préférence vont de 100 à 400 environ, de préférence encore de 100 à 300 environ, et de préférence encore de l’ordre de 200.
Selon une forme de réalisation préférée, la suspension de l’étape i) ne comprend pas de pigment et/ou de colorant. En effet, les pigments (e.g. charges inorganiques) et/ou colorants généralement utilisés peuvent altérer les propriétés mécaniques du film composite F.
L’étape i) peut être effectuée à l’aide d’une agitation mécanique et/ou d’ultrasons, notamment à une fréquence allant de 20 kHz à 170 kHz environ, et à une puissance pouvant aller de 5 W à 500 W environ par puise de 5 secondes.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l’invention, les nanoparticules filiformes magnétiques, notamment ayant une conductivité électrique à 25°C, allant de 10 S/m à 107 S/m environ, sont préférées. Cela permet d’obtenir un chauffage par induction optimisé lors de l’étape 3).
Étape ii)
Le matériau polymère thermoplastique (de l’étape ii) et/ou du film composite F) peut être choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK) tels que les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyétheréthercétonecétones (PEEKK), les polyéthercétones (PEK), ou les polyéthercétoneéthercétonecétones (PEKEKK) ; les polysulfures de phénylène (PPS) ; les polyétherimides (PEI) ; les polyéthersulfones (PES) ; les polysulfones (PS) ; les polyamides (PA) tels que le nylon ; les polyimides (PI) ; les polyamide-imides (PAI) ; les polycarbonates (PC) ; les polyfluorures de vinylidène (PVdF) ; les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de trifluoroéthylène [P(VdF-TrFE)] ou d’hexafluoropropène [P(VdF-HFP)] ; et leurs mélanges.
Le matériau polymère thermoplastique de l’étape ii) est de préférence choisi parmi les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polysulfures de phénylène (PPS), et les polyamides (PA).
La suspension résultante préparée à l’étape ii) peut présenter une viscosité allant de 1 Pa.s à 33 Pa.s environ, et de préférence allant de 1 Pa.s à 10 Pa.s environ, à 25°C.
Sauf indications contraires, les valeurs de viscosité données dans la présente demande, et en particulier la valeur de viscosité de la suspension résultante, ont été déterminées à 25°C, à une fréquence de cisaillement de 0,5 rad.s-1 et mesurées à l’aide d’un rhéomètre rotatif vendu sous la dénomination commerciale ARES par la société Rheometric Scientific équipé d'une cellule de Couette. La durée de mesure rhéologique correspondant à une déformation allant de 0 à 30% est d’environ 300 secondes.
La viscosité de la suspension résultante de l’étape ii) est typiquement suffisante pour pouvoir former un film composite avec une épaisseur homogène, et pas trop importante pour pouvoir conduire à un film capable de chauffer par induction.
Au cours de l’étape ii), la viscosité de la suspension résultante peut être ajustée en ajoutant une quantité appropriée d’un solvant identique à celui utilisé lors de l’étape ii).
La suspension résultante obtenue à l’issue de l’étape ii) comprend de préférence de 7% à 20% en volume environ, et de préférence encore de 7% à 12% en volume environ dudit matériau polymère thermoplastique, par rapport au volume total de la suspension résultante.
L’étape ii) conduit à une suspension résultante. Ainsi, le matériau polymère thermoplastique utilisée dans l’étape ii) n’est pas soluble dans le solvant de la suspension résultante.
La granulométrie du matériau polymère thermoplastique est inférieure ou égale à 50 pm environ. En d’autres termes, le matériau polymère thermoplastique est sous la forme de particules, notamment de particules unitaires ou d’agrégats de particules unitaires, de dimension inférieure ou égale à 50 pm environ. Cette granulométrie est particulièrement adaptée si l’on souhaite obtenir une dispersion homogène dudit matériau polymère thermoplastique dans le film F, notamment lorsque le film F présente une épaisseur de l’ordre de 50 pm.
En considérant plusieurs particules de matériau polymère thermoplastique, le terme « dimension >> signifie la dimension moyenne en nombre de l’ensemble des particules d’une population donnée, cette dimension étant classiquement déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier.
La dimension de la ou des particules de matériau polymère thermoplastique selon l’invention peut être par exemple déterminée par microscopie, notamment par microscope électronique à balayage (MEB)
Le matériau polymère thermoplastique présente de préférence une granulométrie inférieure ou égale à 30 pm environ, et de préférence encore inférieure ou égale à 20 pm environ.
Dans la suspension résultante de l’étape ii), le rapport de la masse de solvant sur la masse de matières solides totales (i.e. masse de matériau polymère thermoplastique + masse des nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques) peut aller de 0,5 à 8, et de préférence de 0,5 à 4 environ.
L’étape ii) peut être effectuée à l’aide d’une agitation mécanique et/ou d’ultrasons, notamment à une fréquence allant de 20 kHz à 170 kHz environ, et à une puissance pouvant aller de 5 W à 500 W environ par puise de 5 secondes.
Cette étape ii) peut permettre d’éviter l’utilisation de méthodes de mélange décrites dans l’art antérieur comprenant le mélange par voie fondue. En effet, comme expliqué ci-dessus, ces méthodes (e.g. extrusion, injection par moulage, moulage à chaud, etc...) mettent en œuvre le matériau polymère thermoplastique à l’état fondu et induisent des coûts de production élevés, ainsi qu’une dégradation des propriétés des particules électriquement conductrices et/ou magnétiques.
Selon une forme de réalisation préférée de l’invention, la suspension de l’étape ii) est uniquement constituée du matériau polymère thermoplastique, du solvant et des particules électriquement conductrices et/ou magnétiques.
Étape iii)
L’étape iii) permet de former un matériau composite solide comprenant le matériau polymère thermoplastique et les nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques.
En d’autres termes, le séchage iii) permet d’évaporer le solvant de la suspension résultante de l’étape ii).
La durée et la température de séchage utilisées lors de l’étape iii) sont adaptées à la nature de la suspension résultante de l’étape ii) (i.e. type de matériau polymère thermoplastique, de solvant, etc...).
L’étape iii) peut être effectuée à une température allant de 25°C à 180°C environ, notamment dans une étuve.
L’étape iii) peut durer de 15 min à 15 h environ, et de préférence de 15 min à 1 h environ.
L’étape iii) permet notamment de conduire à une poudre agglomérée dans laquelle les particules électriquement conductrices et/ou magnétiques sont enchevêtrées dans la poudre de matériau polymère thermoplastique. Cette poudre agglomérée comprend un mélange homogène de poudres de particules électriquement conductrices et/ou magnétiques, et de matériau polymère thermoplastique. Elle ne comprend alors plus de solvant.
L’étape iii) peut être effectuée soit en déposant la suspension résultante de l’étape ii) sur un support, et en laissant évaporer le solvant, afin de former une couche composite sur le support ; soit en évaporant directement le solvant de la suspension résultante de l’étape ii), notamment au moyen d’un appareil approprié tel qu’un évaporateur rotatif, afin de former une poudre composite.
En d’autres termes, le matériau composite solide obtenu à l’issue de l’étape iii) peut être soit sous la forme d’une couche composite sur le support, soit sous la forme d’une poudre composite.
Le support peut être un support antiadhésif.
Dans la présente invention, l’expression « support antiadhésif >> signifie un support ayant pour fonction de limiter l'adhérence du film composite formé à l’étape iv) sur ledit support, afin de faciliter la séparation et le retrait ultérieur dudit film composite F du support antiadhésif.
Le support antiadhésif peut être une feuille en polyimide telle que par exemple celle commercialisée sous la référence Upilex®, ou une feuille de métal qui a été rendue antiadhésive par un traitement adapté, notamment à l’aide d’un agent de démoulage tel que par exemple celui commercialisé sous la référence Cirex Si041 WB® par Sicomin.
Selon une forme de réalisation préférée de l’invention, le dépôt de la suspension résultante de l’étape ii) sur le support peut être effectué selon les sous-étapes suivantes :
iii-a) introduire la suspension résultante de l’étape ii) dans un réservoir comprenant une buse d’injection dans sa partie inférieure, et le maintien de la suspension sous agitation mécanique, iii-b) appliquer la suspension résultante sur le support, à l’aide de ladite buse d’injection et d’une racle (e.g. lame souple d’acier) située à la sortie de la buse.
À l’issue de la sous-étape iii-b), une couche de suspension déposée sur le support peut être formée.
La racle peut être ajustée en hauteur par rapport au support, afin de former une couche de suspension plus ou moins épaisse déposée sur ledit support.
La couche de suspension peut se présenter sous la forme d’une couche de dimension finie ou d’une couche continue.
Pour former une couche de suspension continue, les sous-étapes iii-a) et iii-b) peuvent être réalisées simultanément.
En outre, la sous-étape iii-b) peut être mise en œuvre à l’aide d’un rouleau permettant de faire défiler en continu le support au niveau de la buse d’injection et sous la racle, à une vitesse donnée.
Selon cette forme de réalisation préférée de l’invention, la suspension de la sous-étape iii-a) présente une viscosité allant de préférence de 1 Pa.s à 10 Pa.s environ.
Étape iv)
La température supérieure ou égale à la température de fusion ou de transition vitreuse est de préférence 10 à 20°C environ au-dessus de ladite température de fusion ou de transition vitreuse.
L’étape iv) peut en particulier être réalisée à une température allant de 200°C à 400°C environ.
L’étape iv) peut durer de 5 min à 1 heure environ, et de préférence de 5 à 1 5 min environ.
Sans cette étape iv) de traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température de fusion du matériau polymère thermoplastique lorsque celui-ci est sous forme semi-cristalline ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celui-ci est sous forme amorphe, la fusion n’est pas atteinte et seule une couche sédimentée de particules électriquement conductrices et/ou magnétiques, et de matériau polymère thermoplastique en poudre est obtenue, conduisant à une couche d’un matériau qui s’effrite et qui ne peut donc pas être utilisée pour assembler deux pièces polymères thermoplastiques.
Lorsque l’étape de séchage iii) est effectuée en déposant la suspension résultante de l’étape ii) sur un support, et en laissant évaporer le solvant, afin de former une couche composite sur le support ; l’étape iv) est de préférence réalisée en introduisant la couche composite sur le support dans un four, notamment un four conventionnel ou un four à infrarouge. La couche composite après traitement thermique est alors sous la forme d’un film (la mise en forme est effectuée avant le traitement thermique).
Lorsque l’étape de séchage iii) est effectuée en évaporant directement le solvant de la suspension résultante de l’étape ii), afin de former une poudre composite ; l’étape iv) est de préférence réalisée par pressage à chaud de ladite poudre composite. Un film est alors obtenu (la mise en forme est effectuée simultanément pendant le traitement thermique).
Le pressage à chaud est de préférence effectué à une pression allant de 0,21 à 50 MPa environ, et de préférence encore de 0,3 à 1 MPa environ.
Lorsqu’un support est utilisé dans les étapes iii) et iv), le procédé peut comprendre en outre une étape supplémentaire v) de retrait du film composite F du support.
Cette étape v) peut être réalisée à l’aide d’un rouleau de récupération.
Les étapes iii) et iv) mettant en œuvre un support sont préférées. Cela permet d’obtenir un film ayant des propriétés mécaniques optimisées.
Ainsi, les étapes i) à iv), et éventuellement v) de préparation du film composite F permettent d’obtenir en peu d’étapes un film composite à base d’un matériau polymère thermoplastique et de nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques. En particulier, ces étapes sont différentes de celles de l’art antérieur qui mettent en œuvre au moins une étape de mélange d’un matériau thermoplastique à l’état fondu avec des particules électriquement conductrices et/ou magnétiques ou toute étape de mise en forme telles que l’extrusion ou le moulage par injection, qui aurait pour conséquence de dégrader ses propriétés de chauffage par induction, par exemple en perdant la conduction électrique du film par orientation des particules.
Dans un mode de réalisation particulier, le film composite F obtenu à l’issue de l’étape iv) ou v) comprend au moins 0,1% en volume environ de nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques, de préférence de 1 à 8% en volume environ de nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques, et de préférence encore de 2 à 6% en volume environ de nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques, par rapport au volume total dudit film composite F. L’utilisation de ces petites quantités de nanoparticules permet de conduire à un film composite faiblement chargé, garantissant à la fois une soudure robuste et une conservation de ses propriétés mécaniques et de celles des pièces assemblées.
Le film composite F peut être sous la forme d’un film, d’un ruban, ou d’une feuille, continu ou de dimensions finies.
L’épaisseur du film composite F peut aller de 10 pm à 150 pm environ, et de préférence de 50 pm à 100 pm environ.
Au-dessous de 10 pm, le film peut ne pas être capable de chauffer par induction et/ou de former une liaison suffisamment robuste entre les deux pièces à assembler, et au-dessus de 150 pm le coût de production du film composite devient élevé et/ou la pièce finale présente des propriétés hétérogènes, en particulier dans le cas de pièces renforcées par des fibres.
Lorsque la suspension de l’étape i) comprend en outre des particules électriquement conductrices et/ou magnétiques différentes, notamment en termes de forme, des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, le film composite F obtenu à l’étape iv) ou v) peut comprendre de 0,5% à 8%, et de préférence de 0,2% à 4% environ en volume desdites particules, par rapport au volume total du film composite F.
Le film composite F obtenu selon le procédé de l’invention ne comprend pas de préférence de pigment et/ou de colorant. En effet, les pigments et/ou colorants généralement utilisés peuvent altérer ses propriétés mécaniques.
Le film composite F obtenu selon le procédé de l’invention est de préférence en contact physique direct avec les première et deuxième pièces polymères thermoplastiques ΡΊ et P2.
Étape 1 )
Lorsque le film est obtenu à l’issue de l’étape iv) ou v), celui-ci est appliqué sur la surface Si de la première pièce ΡΊ, afin de former une première pièce Pi revêtue dudit film F.
La première pièce ΡΊ peut être une pièce polymère thermoplastique électriquement isolante, semi-conductrice ou électriquement conductrice.
Dans l’invention, l’expression « pièce électriquement isolante >> signifie une pièce présentant une résistivité de surface strictement supérieure à 100 Ohms/carré environ, et de préférence supérieure à 10000 Ohms/carré environ, à 25°C.
Dans l’invention, l’expression « pièce électriquement conductrice >> signifie une pièce présentant une conductivité transverse ou volumique supérieure ou égale à 0,1 S/m environ, de préférence supérieure ou égale à 10 S/m environ, et de préférence encore supérieure ou égale à 100 S/m environ, à 25°C.
La première pièce ΡΊ peut comprendre au moins un matériau polymère thermoplastique, notamment choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK) tels que les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyétheréthercétonecétones (PEEKK), les polyéthercétones (PEK), ou les polyéthercétoneéthercétonecétones (PEKEKK) ; les polysulfures de phénylène (PPS) ; les polyétherimides (PEI) ; les polyéthersulfones (PES) ; les polysulfones (PS) ; les polyamides (PA) tels que le nylon ; les polyimides (PI) ; les polyamide-imides (PAI) ; les polycarbonates (PC) ; les polyfluorures de vinylidène (PVdF) ; les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de trifluoroéthylène [P(VdF-TrFE)] ou d’hexafluoropropène [P(VdF-HFP)] ; et leurs mélanges.
La première pièce Pt peut comprendre en outre un élément de renfort tel que des fibres de carbone, ou des fibres de verre.
L’étape 1) peut être effectuée par application manuelle, ou par placement automatisé.
Étape 2)
L’étape 2) consiste à déposer la deuxième pièce P2 sur la première pièce Pi revêtue dudit film F. À l’issue de l’étape 2), la surface S2 de la deuxième pièce P2 est en contact avec ledit film F.
En d’autres termes, le film composite F est interposé entre les première et deuxième pièces.
La deuxième pièce P2 peut être une pièce polymère thermoplastique électriquement isolante, semi-conductrice ou électriquement conductrice.
La deuxième pièce P2 peut comprendre au moins un matériau polymère thermoplastique, notamment choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK) tels que les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyétheréthercétonecétones (PEEKK), les polyéthercétones (PEK), ou les polyéthercétoneéthercétonecétones (PEKEKK) ; les polysulfures de phénylène (PPS) ; les polyétherimides (PEI) ; les polyéthersulfones (PES) ; les polysulfones (PS) ; les polyamides (PA) tels que le nylon ; les polyimides (PI) ; les polyamide-imides (PAI) ; les polycarbonates (PC) ; les polyfluorures de vinylidène (PVdF) ; les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de trifluoroéthylène [P(VdF-TrFE)] ou d’hexafluoropropène [P(VdF-HFP)] ; et leurs mélanges.
La deuxième pièce P2 peut comprendre en outre un élément de renfort tel que des fibres de carbone, ou des fibres de verre.
L’étape 2) peut être effectuée manuellement, ou par placement automatisé.
Étape 3)
L’étape 3) consiste à chauffer localement le film composite F, et ainsi l’interface entre la première pièce et la deuxième pièce afin d’obtenir une liaison entre elles.
L’étape 3) est effectuée en présence d’un champ électromagnétique.
L’étape 3) de soudage par induction peut être effectuée à une fréquence allant de 1kHz à 100 MHz environ, de préférence de 50 kHz à 1 MHz environ, et de préférence encore de 50 kHz à 100 kHz environ.
L’étape 3) peut être effectuée à une puissance allant de 0,5 à 20 kW environ, et de préférence de 1 à 5 kW environ.
L’étape 3) met typiquement en œuvre une ou plusieurs bobines d’induction.
Lors de l’étape 3), l’ensemble P1/F/P2 peut être placé dans une bobine d’induction ou dans le voisinage d’une bobine d’induction.
À l’issue de l’étape 3), les pièces sont soudées l’une à l’autre, et il n’y a plus ou peu d’interface différentiée entre les première et deuxième pièces assemblées.
Le soudage ne nécessite généralement aucune préparation des surfaces Si et S2 préalablement aux étapes 1) et 2).
Le procédé peut comprendre en outre entre les étapes 1) et 2), une étape Γ) de consolidation du film F avec la pièce ΡΊ, notamment par chauffage de l’ensemble (pièce ΡΊ + film F), à une température supérieure ou égale à la température de fusion dudit matériau polymère thermoplastique lorsque celuici est sous forme semi-cristalline, ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celui-ci est sous forme amorphe.
L’étape Γ) peut être effectuée dans un autoclave.
Cette étape Γ) peut favoriser l’adhésion du film F à la pièce P15 avant l’étape 2).
L’invention a pour deuxième objet l’utilisation d’un film composite F obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention pour le soudage d’au moins deux pièces polymères thermoplastiques, notamment par induction.
Les pièces thermoplastiques peuvent être des pièces ΡΊ et P2 telles que définies dans le premier objet de l’invention.
Le film composite F est tel que défini dans le premier objet de l’invention.
L’invention a pour troisième objet un film composite F mis en oeuvre dans un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, caractérisé en ce que les nanoparticules filiformes sont magnétiques, ou magnétiques et électriquement conductrices.
Le film composite F, le matériau polymère thermoplastique et les nanoparticules filiformes magnétiques ou magnétiques et électriquement conductrices dudit film sont tels que définis dans le premier objet de l’invention.
EXEMPLES
Les matières premières utilisées dans les exemples, sont listées ci-après :
- résine polyéthercétonecétone (PEKK), PEKK 7002, Arkéma, poudre de granulométrie de 20 à 30 pm environ,
- Ethanol, Sigma-Aldrich,
- support antiadhésif : feuille de métal rendue antiadhésive à l’aide d’un agent de démoulage Cirex Si041 WB® de Sicomin,
- particules sphériques de nickel de 3 pm de diamètre, Sigma-Aldrich.
Sauf indications contraires, toutes ces matières premières ont été utilisées telles que reçues des fabricants.
EXEMPLE 1
Préparation d’un film composite selon les étapes i) à v) du procédé conforme à l’invention
Une suspension de 55 ml comprenant 6,14 g de nano-fils de nickel dans de l’éthanol a été préparée. Les nano-fils de nickel ont été préalablement préparés selon un procédé tel que décrit par Soumare Y. et al., 2011, Solid State Communications, 151, 284-288. Les nano-fils de nickel obtenus présentent une longueur allant de 10 à 100 pm environ, et un diamètre allant de 100 à 300 nm environ.
La suspension de nano-fils de nickel a été mélangée avec 17 g de matériau polymère thermoplastique PEKK à l’aide d’une agitation mécanique (hélice à 100 tours par minute) et d’ultrasons à une fréquence de 50 kHz et une puissance de 25 W par puise de 5 secondes. Une suspension homogène comprenant de l’éthanol, le matériau PEKK, et les nano-fils de nickel a ainsi été obtenue. La suspension présentait une viscosité de 5 Pa.s environ.
L’appareil à ultrasons utilisé est vendu sous la dénomination com merciale Vibracell 65115 par Fisherbioblock.
La suspension a été introduite dans un réservoir comprenant une buse d’injection dans sa partie inférieure, et a été appliquée sur le support antiadhésif à l’aide de ladite buse d’injection, et d’une racle située à la sortie de ladite buse.
Pour former une couche de suspension continue, un rouleau permettant de faire défiler en continu le support antiadhésif au niveau de la buse d’injection et sous la racle, a été utilisé. La vitesse du rouleau était de 2 cm/seconde environ.
La couche de suspension a ensuite été séchée à une température de 150°C environ et traitée thermiquement dans un four conventionnel à une température de 350°C environ pendant 5 minutes environ pour former un film composite déposé sur ledit support antiadhésif. Ledit film composite a ensuite été décollé du support antiadhésif pour former un film composite Ft comprenant du PEEK et 5% en volume de nano-fils de nickel. Il présente une résistivité électrique initiale de 500 ohm/carré environ. Le film obtenu Fj présente une épaisseur de 50 pm environ.
La figure 1 est une représentation schématique du dispositif utilisé pour réaliser les étapes i) à iv) du procédé conforme au premier objet de l’invention.
Ledit dispositif comprend un rouleau 1 qui permet de faire défiler en continu un support antiadhésif 2. Une suspension homogène comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique et des nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques est introduite dans un réservoir 3 comprenant une buse d’injection 4 dans sa partie inférieure, et est maintenue sous agitation mécanique. Cette suspension est appliquée sur le support antiadhésif 2 à l’aide de ladite buse 4, et d’une racle 5 située à la sortie de la buse 4 pour former une couche de suspension 6 déposée sur le support antiadhésif. Cette couche est séchée dans un séchoir 7. La récupération des vapeurs peut être réalisée à l’aide d’un système 8 de ventilation et de condensation pour la récupération du solvant. Puis la couche de suspension séchée est traitée thermiquement dans un four 9 à une température supérieure ou égale à la température de fusion du matériau polymère thermoplastique pour former un film composite 10. Le dispositif peut comprendre également un rouleau de récupération 11.
EXEMPLE 2
Etude du chauffage par induction du film composite
Des essais de chauffage par induction ont été effectués à l’aide d’un banc de chauffage par induction basse tension, à une fréquence allant de 1kHz à 100 MHz environ, et une puissance allant de 0,5 à 20 kW environ. Pour ce faire, un film composite tel que préparé dans l’exemple 1 a été appliqué sur une première pièce R de PEEK de dimensions : 50 mm x 10 mm x 2 mm. Puis, une deuxième pièce P2 de PEEK de dimensions identiques à la première pièce a été déposée sur le film composite. L’ensemble P1/F1/P2 a été placé au centre d’un inducteur de forme bobine.
La figure 2 montre l’assemblage des pièces ΡΊ et P2 au moyen du film composite F. Si et S2 désignent respectivement les surfaces de ΡΊ et P2 qui vont permettre de réaliser les étapes 1) et 2) du procédé conforme à l’invention.
À titre comparatif, le chauffage par induction mettant en œuvre un film composite FA comprenant des particules sphériques de nickel à la place des nano-fils de nickel en proportions identiques (5% en volume) a été testé.
Les résultats montrent une augmentation nette de la puissance consommée sur le banc de chauffage lorsque le film composite Ft est utilisé (procédé conforme à l’invention). A contrario, la mise en œuvre d’un film composite FA ne permet pas d’augmenter significativement la puissance consommée (procédé non conforme à l’invention).

Claims (16)

1. Procédé d'assemblage d'au moins deux pièces polymères thermoplastiques Pi et P2, la première pièce Pi ayant une surface Si et la deuxième pièce P2 ayant une surface S2, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
1) appliquer un film composite F sur la surface Si de la première pièce Pi, afin de former une première pièce Pi revêtue dudit film F, ledit film comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique et des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, lesdites nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques représentant une quantité inférieure à 10% en volume, par rapport au volume total dudit film composite F,
2) déposer la deuxième pièce P2 sur la première pièce Pi revêtue dudit film F, pour former un ensemble Pi/F/P2,
3) souder par induction l'ensemble Pi/F/P2, ledit film F étant obtenu selon au moins les étapes suivantes :
i) une étape de préparation d'une suspension comprenant au moins un solvant et des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques, ii) une étape de mélange d'une poudre d'un matériau polymère thermoplastique de granulométrie inférieure ou égale à 50 pm avec la suspension préparée à l'étape i) pour obtenir une suspension résultante, iii) une étape de séchage de la suspension résultante, et iv) une étape de traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température de fusion dudit matériau polymère thermoplastique lorsque celui-ci est sous forme semi-cristalline, ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celui-ci est sous forme amorphe.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nanoparticules électriquement conductrices et/ou magnétiques comprennent au moins un métal choisi parmi le nickel, l'argent, le fer, le cobalt, ou au moins un alliage métallique à base d'au moins un métal choisi parmi le nickel, l'argent, le fer, le cobalt, le cuivre et le manganèse.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques présentent :
- une longueur (Li), s’étendant selon une direction principale d'allongement,
- deux dimensions (Dx) et (D2), dites dimensions orthogonales, s'étendant selon deux directions transversales orthogonales entre elles et orthogonales à ladite direction principale d'allongement, lesdites dimensions orthogonales (Dx, D?_) étant inférieures à ladite longueur (L3), et
- deux rapports (F0 et (F2), dits facteurs de forme, entre ladite longueur (Lj.) et chacune des deux dimensions orthogonales (Dx) et (D2), lesdites nanoparticuîes étant en outre caractérisées par l'une au moins des caractéristiques suivantes :
- les deux dimensions orthogonales (D., D2) des nanoparticules filiformes électriquement conductrices et/ou magnétiques vont de 50 nm à 250 nm ;
- la longueur (L) va de 1 pm à 150 pm ;
- les facteurs de forme (Fx, F2) sont supérieurs ou égaux à 100.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanoparticules filiformes sont des nanoparticules filiformes magnétiques ayant une conductivité électrique allant de 10 S/m à 107 S/m.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère thermoplastique est choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK) tels que les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyétheréthercétonecétones (PEEKK), les polyéthercétones (PEK), ou les polyéthercétoneéthercétonecétones (PEKEKK) ; les polysulfures de phénylène (PPS) ; les polyétherimides (PEI) ; les polyéthersulfones (PES) ; les polysulfones (PS) ; les polyamides (PA) tels que le nylon ; les polyimides (PI) ; les polyamide-imides (PAI) ; les polycarbonates (PC) ; les polyfluorures de vinylidène (PVdF) ; les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de trifluoroéthylène [P(VdF-TrFE)] ou d'hexafluoropropène [P(VdF-HFP)] ; et leurs mélanges.
6. Procédé selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la suspension formée à l'étape i) comprend de 0,06% à 0,5% en volume desdites nanoparticules, par rapport au volume total de la suspension.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la suspension résultante préparée à l'étape ii) présente une viscosité allant de 1 Pa.s à 33 Pa.s, à 25°C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la suspension résultante obtenue à l'issue de l'étape ii) comprend de 7% à 20% en volume dudit matériau polymère thermoplastique, par rapport au volume total de la suspension résultante.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape iv) est réalisée à une température allant de 200°C à 400°C.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape iii) est effectuée en déposant la suspension résultante de l'étape ii) sur un support, et en laissant évaporer le solvant, afin de former une couche composite sur le support ; et l'étape iv) est réalisée en introduisant la couche composite sur le support dans un four.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape iii) est effectuée en évaporant directement le solvant de la suspension résultante de l'étape ii), afin de former une poudre composite ; et l'étape iv) est réalisée par pressage à chaud de ladite poudre composite.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du film composite F va de 10 pm à 150 pm.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape 3) de soudage par induction est effectuée à une fréquence allant de 1kHz à 100 MHz.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que l'étape 3) est effectuée à une puissance allant de 0,5 à 20 kW.
15. Utilisation d'un film composite F obtenu selon un procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications précédentes, pour le soudage d'au moins deux pièces polymères thermoplastiques.
16. Film composite F mise en œuvre dans un procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que qu'il comprend au moins un matériau polymère thermoplastique et des nanoparticules filiformes magnétiques, ou magnétiques et électriquement conductrices, lesdites nanoparticules filiformes magnétiques, ou magnétiques
15 et électriquement conductrices, représentant une quantité inférieure à 10% en volume, par rapport au volume total dudit film composite F.
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