FR2716833A1

FR2716833A1 - Method of manufacturing tooling by molding caprolactam

Info

Publication number: FR2716833A1
Application number: FR9502680A
Authority: FR
Inventors: Zabala Fernandez Rafael
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1995-09-08
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: IT1275865B1; ITMI950425A1; GB2287428B; ES2078181A1; ITMI950425A0; GB2287428A; FR2716833B1; DE19507017A1; ES2078181B1; GB9504431D0

Abstract

Procédé de fabrication d'outillage, caractérisé en ce que l'on mélange dans un moule ouvert un caprolactame avec un prépolymère consistant en une solution de caprolactame avec des radicaux à groupes acyle et des radicaux de polyoxypropylène, en utilisant comme catalyseur une solution de bromure de magnésium dans du caprolactame, en vue d'obtenir un copolymère, qui est moulé à l'état brut, puis usiné en vue de lui donner la forme de l'outillage souhaité. Applicable au secteur de l'outillage destiné à l'industrie aéronautique.Process for the manufacture of tooling, characterized in that a caprolactam is mixed in an open mold with a prepolymer consisting of a solution of caprolactam with radicals containing acyl groups and polyoxypropylene radicals, using a bromide solution as catalyst of magnesium in caprolactam, in order to obtain a copolymer, which is molded in the raw state and then machined in order to give it the shape of the desired tool. Applicable to the tooling sector for the aeronautical industry.

Description

-1 Le demandeur a observé la nécessité de doter les installations et les-1 The applicant has observed the need to provide facilities and

procédés de haute technologie, tels que ceux mis en oeuvre dans l'industrie aéronautique ou l'industrie automobile en particulier, d'outils, de matrices, etc., en matériaux offrant les mêmes caractéristiques mécaniques que les métaux tout en présentant un net progrès en termes de poids, de recyclage, de réparations, etc. Le demandeur a travaillé sur des copolymères de nylon et a trouvé que l'on pouvait obtenir les résultats escomptés avec un copolymère dérivé du caprolactame, moulé à l'état brut en moule ouvert, high technology processes, such as those used in the aeronautics industry or the automotive industry in particular, tools, dies, etc., made of materials with the same mechanical characteristics as metals, while showing a clear progress in terms of weight, recycling, repairs, etc. The Applicant has worked on nylon copolymers and found that the desired results could be obtained with a caprolactam-derived copolymer, molded in a raw state in an open mold,

puis usiné en vue d'obtenir l'outillage désiré. then machined to obtain the desired tooling.

L'invention porte précisément sur un procédé de fabrication d'outillage, caractérisé en ce que l'on mélange dans un moule ouvert un caprolactame avec un prépolymère consistant en une solution de caprolactame avec des radicaux à groupes acyle et des radicaux de polyoxypropylène, en utilisant comme catalyseur une solution de bromure de magnésium dans du caprolactame, en vue d'obtenir un copolymère, qui est moulé à l'état brut, puis usiné en vue de lui The invention relates specifically to a tooling manufacturing method, characterized in that a caprolactam is mixed in an open mold with a prepolymer consisting of a caprolactam solution with acyl radicals and polyoxypropylene radicals, using as a catalyst a solution of magnesium bromide in caprolactam, to obtain a copolymer, which is molded in the raw state, and then machined for it

donner la forme de l'outillage souhaité. give the shape of the desired tooling.

Le procédé selon l'invention part des produits de base suivants: ECaprolactame: Formule chimique 2-Oxohéxaméthylénimine C6H11O N Poids moléculaire 113,16 - 2 - Point de fusion 69,2 C Point d'ébullition 268,5 C Densité 1,02 g/cm3 Teneur en eau 0,015 % en poids maximal Acidité 0,05 meq/kg maximum Alcalinité 0,05 meq/kg maximum P1-30 Prépolymère A partir de caprolactame avec des radicaux The process according to the invention starts from the following basic products: ECaprolactam: Chemical formula 2-Oxohexamethylenimine C6H11O N Molecular weight 113.16 - 2 - Melting point 69.2 C Boiling point 268.5 C Density 1.02 g / cm3 Moisture content 0.015% by weight maximum Acidity 0.05 meq / kg maximum Alkalinity 0.05 meq / kg maximum P1-30 Prepolymer From caprolactam with radicals

acyle et polyoxypropylène.acyl and polyoxypropylene.

Viscosité 50 C 2000 - 10 000 mPa.s Acidité 80 meq/kg maximum Cl Catalyseur Solution de bromure de magnésium dans du Viscosity 50 C 2000 - 10 000 mPa.s Acidity 80 meq / kg maximum Cl Catalyst Solution of magnesium bromide in

caprolactame.caprolactam.

Extinction 390 nm 0,06 maxi Éther 100 ppm maximum Agent de démoulage B Amide d'acide gras Point de fusion 139-145 C Teneur en eau 0,04 % en poids Acidité 270 meq/kg maximum Stabilisateur anti-mousse Viscosité 25 C 800 à 1600 cSt Solvant pH 5 à 8,5 Teneur en eau 0,5 % en poids maximum Réaction chimique On polymérise le caprolactame par Extinguishing 390 nm 0.06 max Ether 100 ppm maximum Release agent B Fatty acid amide Melting point 139-145 C Water content 0.04% by weight Acidity 270 meq / kg maximum Stabilizer antifoam Viscosity 25 C 800 at 1600 cSt Solvent pH 5 to 8.5 Water content 0.5% by weight maximum Chemical reaction Caprolactam is polymerized by

polymérisation anionique.anionic polymerization.

Le catalyseur est une base forte qui forme des liaisons dans le lactame. Dans le procédé, on utilise - 3 - un cocatalyseur (le prépolymère) pour accélérer la réaction, le catalyseur étant le troisième élément fondamental. Procédé de fabrication Les pièces sont fabriquées dans un système ouvert à basse pression et elles se polymérisent au The catalyst is a strong base which forms bonds in the lactam. In the process, a cocatalyst (the prepolymer) is used to accelerate the reaction, the catalyst being the third fundamental element. Manufacturing Process Parts are manufactured in a low pressure open system and polymerize at

bout de quelques minutes.after a few minutes.

C'est l'une des différences fondamentales du procédé selon la présente invention par rapport à la This is one of the fundamental differences of the method according to the present invention compared to the

méthodologie traditionnelle.traditional methodology.

Préparation du matériau Les composants sont préparés dans deux bacs en acier inoxydable appelés A et B. Les matériaux sont Preparation of the material The components are prepared in two stainless steel tanks called A and B. The materials are

chauffés sous atmosphère inerte d'azote jusqu'à 120- heated under an inert atmosphere of nitrogen up to 120-

OC, selon la formulation.OC, according to the formulation.

Le moule est fabriqué dans l'un des matériaux suivants: Acier Aluminium usinable Aluminium coulé Fonte grise Silicone Zamac Le temps de remplissage des moules, pour des pièces qui peuvent peser jusqu'à 250 kg, est de secondes maximum, suivant le pourcentage de catalyseur. Le moule est de type ouvert, c'est-à-dire sans couvercle supérieur. Le matériau doit être coulé très rapidement pour empêcher sa polymérisation et, par conséquent, la formation de couches pendant le - 4 - processus de remplissage; le déversement se fait par The mold is made of one of the following materials: Steel Machinable aluminum Cast aluminum Cast iron Silicone Zamac The filling time of molds, for parts that can weigh up to 250 kg, is maximum seconds, depending on the percentage of catalyst . The mold is open type, that is to say without top cover. The material must be cast very rapidly to prevent its polymerization and, consequently, the formation of layers during the filling process; the spill is done by

exemple avec un débit supérieur à 50 litres/minute. example with a flow rate greater than 50 liters / minute.

La pièce terminée doit mousser dans la partie supérieure. Cette partie est usinée dès que la pièce The finished part must foam in the upper part. This part is machined as soon as the piece

s'est polymérisée.has polymerized.

Le procédé de fabrication est le suivant: a) Le moule et les différents composants doivent être portés à une température supérieure à la température ambiante; c'est pourquoi ils sont préchauffés. The manufacturing process is as follows: (a) The mold and the various components must be heated to a temperature above ambient temperature; that's why they are preheated.

b) Les moules sont propres et préchauffés. b) The mussels are clean and preheated.

c) Les compositions des bacs A et B se trouvent dans deux bacs différents sous atmosphère d'azote. Les mélanges ont été préalablement pesés en c) The compositions of the tanks A and B are in two different tanks under nitrogen atmosphere. The mixtures were previously weighed in

fonction des quantités requises.depending on the quantities required.

d) Les deux composants sont mélangés dans le moule. Au bout de 60 secondes, le mélange commence à se polymériser. La température du mélange doit être comprise entre 120 et 130 OC. Dans le cas des pièces annulaires, il convient de mélanger préalablement à la main, afin d'éviter la formation d'une peau non polymérisée dans la partie opposée à la coulée du matériau. e) Après que les pièces chaudes ont été retirées du moule, on les introduit dans une sorte de chevalet pour éviter qu'elles ne se déforment pendant la phase de refroidissement. Cet outil peut être réalisé en époxy, en polyester ou en bois; il convient en effet d'éviter d'employer des substances d) The two components are mixed in the mold. After 60 seconds, the mixture begins to polymerize. The temperature of the mixture must be between 120 and 130 OC. In the case of annular parts, it is necessary to mix beforehand by hand, in order to avoid the formation of an unpolymerized skin in the part opposite to the casting of the material. e) After the hot parts have been removed from the mold, they are introduced into a kind of easel to prevent them from being deformed during the cooling phase. This tool can be made of epoxy, polyester or wood; it is advisable to avoid using substances

susceptibles de marquer la matière première. likely to mark the raw material.

-5- f) Les pièces minces (de moins de 6 mm d'épaisseur) doivent demeurer dans ce type d'outil jusqu'à ce que la température descende au-dessous de C (température de transition vitreuse), pour ne pas être soumises à des tensions. Cela prend -5- f) Thin pieces (less than 6 mm thick) must remain in this type of tool until the temperature drops below C (glass transition temperature), so as not to subject to tension. It takes

habituellement cinq minutes.usually five minutes.

g) Si l'on ne suit pas la procédure de refroidissement décrite ci-dessus, la pièce subit de fortes tensions qui provoqueront des cassures pendant l'usinage. Le procédé général porte sur des blocs sans additifs linéaires. Quand on veut élever la valeur du coefficient de dilatation linéaire thermique, on utilise des additifs inorganiques, par exemple, de la famille des fibres de verre, qui donnent une certaine rigidité structurelle. Les formulations acceptent des quantités de fibres de l'ordre de 10 à 40% sans g) Failure to follow the cooling procedure described above will result in high voltages to the part that will cause breakage during machining. The general method relates to blocks without linear additives. When one wants to raise the value of the coefficient of thermal linear expansion, one uses inorganic additives, for example, of the family of glass fibers, which give a certain structural rigidity. The formulations accept amounts of fibers of the order of 10 to 40% without

altération des autres propriétés mécaniques. alteration of other mechanical properties.

Applications dans le secteur aéronautique Applications in the aeronautical sector

Fabrication d'outillage.Tooling manufacturing.

Jusqu'à présent, on a pu observer les résultats suivants: a) Les outils fabriqués dans ce type de matériau se sont comportés de la même façon que les outils métalliques lors de la fabrication des pièces suivantes pour un emboutissage moyen et profond: - Dispositif de multiplication de force pour presse à huile (Becker) - Dispositif de multiplication de force pour presse à caoutchouc (Pacific) - Dispositif d'emboutissage profond sur presse mécanique et/ou hydraulique (Muller) -6- - Dispositif d'emboutissage sur presse à gravité. So far, the following results have been observed: a) The tools manufactured in this type of material behaved in the same way as the metal tools during the manufacture of the following parts for medium and deep stamping: - Device of force multiplication for oil press (Becker) - Force multiplication device for rubber press (Pacific) - Deep drawing device on mechanical and / or hydraulic press (Muller) -6- - Stamping device on press to gravity.

- Outils d'étirage pour presse Sheridan. - Drawing tools for Sheridan press.

Dans tous les cas, on a obtenu avec le matériau employé des pièces identiques à celles que l'on aurait pu obtenir avec tout autre matériau de la gamme aluminium ou fer. Aucune fissure, aucune cassure n'a été décelée dans la structure interne et In all cases, the same material was obtained with the same material as could have been obtained with any other material in the aluminum or iron range. No crack, no break was detected in the internal structure and

externe de l'outil.external tool.

Bien que le prix de la matière première soit similaire à celui de l'aluminium, sa densité est de 1,16 g/cm3, ce qui implique une réduction appréciable du poids par rapport à l'outillage classique en aluminium (densité 2,75) ou en matériau ferreux Although the price of the raw material is similar to that of aluminum, its density is 1.16 g / cm3, which implies an appreciable reduction in weight compared to conventional aluminum tools (density 2,75 ) or ferrous material

(densité 7,85) pour le même volume de pièce. (density 7.85) for the same room volume.

On peut coller ce type de matériau avec des colles classiques disponibles sur le marché, de la gamme des cyanocrylates, ce qui facilite énormément This type of material can be glued with conventional glues available on the market, from the cyanocrylate range, which greatly facilitates

les modifications.modifications.

Avec le temps, les morceaux juxtaposés et assemblés par collage ne montrent aucune discontinuité dans les emboutissages consécutifs, pas plus que les tôles fabriquées à partir de ce type d'outils. b) outils de fraisage Dans la mesure o il permet de prémouler des pièces relativement grandes, dans le but de réduire les poids et les coûts, ce type de matériau a été très pratique pour fabriquer un outillage de fraisage. Il a accepté aussi bien les pompes à vide -7 - que les pompes à pression jusqu'à 13 kg/cm2 et sa stabilité dimensionnelle a permis de fabriquer toutes Over time, the pieces juxtaposed and assembled by gluing show no discontinuity in the consecutive stampings, any more than the sheets made from this type of tools. b) milling tools Since it allows to premould relatively large parts, in order to reduce weight and costs, this type of material has been very useful for making milling tools. It accepted both vacuum pumps -7 - and pressure pumps up to 13 kg / cm2 and its dimensional stability made it possible to manufacture all

sortes d'outils pour des machines-outils classiques. kinds of tools for conventional machine tools.

Parce qu'une grande stabilité dimensionnelle était nécessaire, les outils de fraisage contenaient Because high dimensional stability was required, the milling tools contained

un faible pourcentage de fibres de verre. a small percentage of glass fibers.

c) Outils d'emboutissage à double effet. (c) Double-action stamping tools.

Le poinçon et la matrice ont été réalisés selon les mêmes méthodes de conception et de The punch and die were made using the same methods of design and

fabrication que les outils d'emboutissage classiques. manufacturing than conventional stamping tools.

Le presse-flanc et les nervures de freinage ont réagi comme ceux de n'importe quelle matrice métallique pour ce qui est de l'obtention de plis, lubrification, façonnage de languettes et autres particularités. Le guidage s'est fait normalement avec des réglettes en polyamide. Dans certains cas, on a également employé des tourelles réalisées dans le même matériau. Le choix de l'un ou l'autre élément s'est fait en fonction de la rigidité requise pour la matrice, aucune différence imputable au matériau The sidewall and braking ribs reacted like those of any metal matrix for wrinkling, lubrication, tabbing and other features. Guiding was normally done with polyamide strips. In some cases, turrets made of the same material have also been used. The choice of one or the other element was made according to the rigidity required for the matrix, no difference attributable to the material

n'ayant été décelée.having been detected.

Les emboutissages supérieurs à 150 mm se sont présentés normalement, en particulier pour les carènes et les bords d'attaque. Le matériau n'a jamais montré de point faible même après avoir Stamping greater than 150 mm was normal, especially for hulls and leading edges. The material never showed a weak point even after having

travaillé avec ce type de structure. worked with this type of structure.

On est toujours parti de pièces prémoulées avec une surépaisseur constante d'environ 8-10 mm, ce qui a permis de faire des usinages de dégrossissage We always started from premolded parts with a constant thickness of about 8-10 mm, which allowed us to make rough machining

et de finition de courte durée.and short finish.

- 8 - Applications dans le secteur automobile - 8 - Applications in the automotive sector

a) Fabrication d'outillage pour des pré- (a) Tooling production for pre-

séries. Les matrices d'emboutissage ou de façonnage sont fabriquées dans des matériaux copolymères. La conception des outils est celle qui est habituellement employée pour les matrices à double effet: poinçon et matrice en matière synthétique et presse-flanc amovible, guidé sur des réglettes ou des colonnes en polyamide, si la rigidité de la matrice series. The stamping or forming dies are made of copolymer materials. The design of the tools is that which is usually used for double-acting dies: punch and die in synthetic material and removable flank, guided on strips or polyamide columns, if the rigidity of the matrix

le requiert.requires it.

Les matrices fabriquées jusqu'à présent n'ont présenté aucun point faible, qu'il s'agisse de l'abrasion des arêtes ou de cassures dues à l'affaiblissement. On a fabriqué, sans aucune sorte de déformation apparente, plus de 5000 pièces en tôle de 2 mm d'épaisseur, embouties sur ce type de matériel. De par leur densité (1,16), les matrices pèsent pratiquement le tiers des matrices en aluminium et le septième des matrices fabriquées avec The dies made to date have not had any weak spots, either edge abrasion or weakening fractures. No more than 5000 pieces of sheet metal 2 mm thick, stamped on this type of material, have been manufactured without any kind of apparent deformation. Due to their density (1,16), the dies weigh practically one-third of the aluminum dies and the seventh of the dies made with

des matériaux ferreux.ferrous materials.

Les modifications sont très faciles à introduire. Il suffit d'usiner une mortaise dans la zone à modifier du poinçon et de la matrice. On colle ensuite, avec des colles classiques de la gamme des cyanocrylates, un autre morceau à l'état brut sur le contour de la mortaise précédente. Le matériau et la pièce rapportée sont placés sur une machine pour The changes are very easy to introduce. It is enough to machine a mortise in the zone to modify of the punch and the matrix. Then glue, with conventional glues from the range of cyanocrylates, another piece in the rough on the contour of the previous mortise. The material and the insert are placed on a machine for

usiner la modification selon des méthodes classiques. machine the modification according to conventional methods.

Cette technique est très commode et bon marché pour toutes sortes de pièces destinées aux tests - 9 - d'impact/crash ou destinées à subir des déformations en vue d'améliorer la sécurité ou l'esthétique. Les matrices obtenues permettent de fabriquer une pièce pendant le processus de conception et d'ingénierie sans avoir à attendre, pendant plusieurs mois, de recevoir du fabricant les matrices finales commandées This technique is very convenient and inexpensive for all kinds of parts intended for impact / crash tests or intended to undergo deformations in order to improve safety or aesthetics. The dies obtained make it possible to manufacture a part during the design and engineering process without having to wait, for several months, to receive from the manufacturer the final dies ordered.

en vue d'une production en grande série. for mass production.

b) Fabrication d'outillage pour des pièces (b) Tooling for parts

préalablement façonnées.previously shaped.

C'est le cas des: ab) Maquettes de contrôle sur la ligne de montage. bb) Outillages pour modifier des pièces déjà fabriquées, c'est-à-dire, toits ouvrants, insertion d'éléments de ventilation dans les capots et, en général, pour toutes les pièces de moyenne ou petite série qui présentent des modifications par rapport This is the case of: ab) Control models on the assembly line. (bb) Tools for modifying parts already manufactured, that is, sunroofs, insertion of ventilation elements in the hoods and, in general, for all medium or small series parts which have changes in relation to

aux premières pièces.to the first pieces.

cb) Pinces et autres éléments d'usure pour le transfert des tôles pendant le soudage et/ou cb) Pliers and other wear elements for transferring sheets during welding and / or

l'application de peinture.the application of paint.

c) Outillages d'étude.c) Study tools.

Dans certains cas, il est préférable de fabriquer de petites séries de pièces pour réduire le temps de développement du processus d'assemblage sur les lignes de montage et/ou de soudage. Ce type de matériau permet de fabriquer les pièces définitives In some cases, it is preferable to manufacture small series of parts to reduce the development time of the assembly process on the assembly and / or welding lines. This type of material makes it possible to manufacture the final pieces

sans avoir à attendre la matrice métallique. without having to wait for the metal matrix.

Le matériau est livré en blocs, en plaques ou bien, s'il s'agit de figures géométriques simples, en moules préfaçonnés. Ce matériau accepte des vitesses d'usinage de 15 mètres par minute et peut dégrossir The material is delivered in blocks, plates or, in the case of simple geometrical figures, in preformed molds. This material accepts machining speeds of 15 meters per minute and can

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avec des passes de plus de 50 mm chaque fois. Le copeau est propre et ne dégage aucune fumée toxique with passes of more than 50 mm each time. The chip is clean and does not emit any toxic fumes

pendant son détachement.during his detachment.

Les pièces finies sont poncées à la main ou en machine, avec un papier abrasif classique. Le dernier Finished parts are sanded by hand or machine, using conventional sandpaper. The last

ponçage se fait à l'eau au papier abrasif. sanding is done with water to sandpaper.

Comme il a déjà été mentionné, le produit et As already mentioned, the product and

les copeaux sont entièrement recyclables. the chips are fully recyclable.

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Claims

1. A method of manufacturing tooling, characterized in that a caprolactam is mixed in an open mold with a prepolymer consisting of a caprolactam solution with acyl radicals and polyoxypropylene radicals, using as catalyst a catalyst. solution of magnesium bromide in caprolactam, to obtain a copolymer, which is molded in the raw state and then machined in

to give it the shape of the desired tooling.

2. A tooling manufacturing process, according to the preceding claim, characterized in that the components of the mixture are preheated in separate inert tanks, under an inert atmosphere and at a temperature between 120 C and C.

3.- Method of manufacturing tools, according to

the preceding claims, characterized in that

the demolding agent used is a fatty acid amide.

4. A tooling manufacturing method according to claim 2, characterized in that the material contained in the bins is poured into the mold to a

flow rate greater than 50 1 / minute.

5.- Method of manufacturing tools, according to

the preceding claims, characterized in that

inorganic fillers are added to the mixture

to increase the structural strength.

6. A method of manufacturing tools according to claim 1, characterized in that the molds

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are heated before molding.

7. A method of manufacturing tooling, according to claim 1, characterized in that the molded copolymer is introduced into a bridge for

avoid that it deforms while cooling.

8.- Method of manufacturing tools, according to

the preceding claims, characterized in that

machined tools are sanded with sandpaper.

9.- Method of manufacturing tools, according to

the preceding claims, characterized in that

the mold is approximately the shape of the tool

finished.