FR2973278A1

FR2973278A1 - Piece en materiau composite a matrice thermoplastique et renfort fibreux en fibres naturelles et procede d'obtention d'une telle piece

Info

Publication number: FR2973278A1
Application number: FR1152814A
Authority: FR
Inventors: Jose Feigenblum; Alexandre Guichard
Original assignee: RocTool SA
Current assignee: RocTool SA
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-10-05
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: FR2973278B1

Abstract

L'invention concerne une pièce (100), notamment une demi-coque pour tablette PC ou assistant numérique personnel, comprenant quatre bords tombés (120) de contour (111) fermé, constituée d'un matériau composite stratifié comportant une matrice thermoplastique et un renfort fibreux comprenant des fibres (130) continues caractérisé en ce que ledit renfort fibreux comprend majoritairement des fibres naturelles d'origine végétale. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'une telle pièce ainsi qu'un outillage pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

1 L'invention concerne une pièce en matériau composite comportant une matrice thermoplastique et un renfort fibreux en fibres naturelles ainsi qu'un procédé d'obtention d'une telle pièce. L'invention est particulièrement mais non exclusivement destinée à être utilisée comme carter ou demi-coque pour des terminaux de télécommunication notamment des téléphones portables ou des assistants numériques personnels ou des tablettes PC. Une telle coque peut être utilisée alternativement, mais non limitativement, comme l'enveloppe des composants électroniques et comme support d'écran lors de l'assemblage de l'objet auquel elle est destinée ou peut-être utilisée comme coque de protection additionnelle apte à recevoir l'objet en question. Dans ces deux exemples d'utilisation, ladite coque devra présenter des qualités structurales de rigidité et de résistance aux chocs, impacts et indentations auxquelles est susceptible d'être soumis ce type de matériels et aussi être réalisée avec précision de sorte à s'adapter parfaitement aux dimensions de l'objet et/ou des composants. D'autres applications de l'invention peuvent être considérées dans la bagagerie et, d'une manière générale, une telle demi-coque peut être associée à une autre demi-coque de même type ou de type différent afin de constituer des mallettes, valises ou étuis de protection.

Dans ces applications comme pour les précédentes, la réponse aux contraintes de résistance mécanique et de précision doit être obtenue tout en conservant des objets légers. Les matériels concernés par l'objet de l'invention sont produits en très grande série et sont soumis à des contraintes de saisonnalité et de décoration pour les adapter au goût des consommateurs ou aux couleurs et signes distinctifs de leurs distributeurs. Destinés au grand public et à des matériels renouvelés fréquemment, ces produits doivent être avantageusement recyclables ou, pour le moins, présenter un faible impact environnemental. L'invention vise à répondre à l'ensemble de ces besoins en proposant une pièce, notamment une demi-coque pour tablette PC ou assistant numérique personnel, comprenant quatre bords tombés de contour fermé, constituée d'un matériau composite stratifié comportant une matrice thermoplastique et un renfort fibreux continu, ledit renfort fibreux comprenant majoritairement des fibres naturelles d'origine végétale. Constituée d'une matrice en matière plastique et d'un renfort fibreux continu la pièce objet de l'invention est à la fois légère et particulièrement résistante. La nature thermoplastique de la matrice la rend facilement recyclable, de même que la nature des fibres de renfort en limite l'impact environnemental en termes d'obtention de la matière première et de son recyclage ou de son élimination en tant que déchet. La combinaison de ces caractéristiques est particulièrement originale dans la mesure où le renfort étant constitué de fibres continues, la pièce objet de l'invention ne peut être obtenue par des méthodes d'injection plastique généralement considérées pour ce type de fabrication en série. Par ailleurs la combinaison des bords tombés et du contour continu, qui conduit à la présence de zones non développables, rend la réalisation de ce type de pièce délicate par les techniques d'estampage de flans composites à matrice thermoplastique, dits calandrés, se présentant sous la forme de plaques préconsolidées tel que le décrit par exemple le document FR-A-2922276. Ce document décrit un procédé permettant de réaliser des pièces constituées d'un matériau thermoplastique à fibres continues et présentant des surfaces de liaison non développables, dites coin de malle, entre chaque raccordement trièdre entre le fond de ladite pièce et ses bords tombés. Cependant, ce procédé n'est pas applicable au cas des pièces objet de l'invention, car le préchauffage du flan calandré, avant son estampage, à une température suffisante pour permettre, par la fluidité de la résine, le glissement relatif des fibres dans les zones non développables, conduit à un risque de brûlure des fibres lorsque celles-ci sont notamment naturelles d'origine végétale. Le procédé décrit dans le document FR-A-2922276 est ainsi plus particulièrement adapté aux pièces dont le renfort fibreux est sous forme de fibres de carbone, de verre ou d'aramide qui ne sont pas sujettes à ces phénomènes de brûlure à la température de fusion de la résine. Par ailleurs, l'origine des fibres utilisées pour le renfort de la pièce objet de l'invention, fait que lesdites fibres contiennent de l'humidité à des taux qui peuvent être supérieurs à 10 %, laquelle humidité est susceptible de se transformer en vapeur d'eau lors de l'opération d'estampage à chaud et de produire des défauts de qualité. Par conséquent, les procédés connus de l'art antérieur pour la mise en oeuvre de composites thermoplastiques renforcés par des fibres continues à partir de flan préconsolidés ou calandrés, ne sont pas adaptés à la réalisation de la pièce objet de l'invention. Le procédé décrit dans le document FR-B-2882682, résout le problème de l'inflammabilité des fibres naturelles en réalisant le formage par un dispositif de sac à vide. Ce procédé ne permet pas d'obtenir des formes non développables serrées telles que des coins de malle au niveau des raccordements trièdres. En effet, ce procédé, qui ne permet pas de mettre les tissus en tension, conduit à la formation de plis et/ou d'essorages dans les zones non développables ou à proximité de celles-ci. Par ailleurs, ce procédé de formage/compactage par membrane ou vessie ne permet pas des cadences de production élevées, adaptées aux séries concernées par les applications de l'objet de l'invention. Ainsi, il n'existe pas, selon l'art antérieur, de procédé adapté à la réalisation d'une pièce selon l'invention. Afin de résoudre cette insuffisance de l'art antérieur et pour rendre concevable la réalisation d'une pièce combinant les caractéristiques d'une pièce à contour fermé présentant des bords tombés et une résine thermoplastique renforcée par des fibres continues, notamment d'origine végétale, l'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'une telle pièce, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : a) découper un flan non consolidé dans un tissu imprégné d'une résine thermoplastique ; b) placer ledit flan au-dessus de l'empreinte d'un moule comprenant un poinçon et une matrice distants d'un entrefer dans l'empreinte et comprenant des moyens pour maintenir les bords du flan sur le pourtour de l'empreinte ; c) fermer le moule en maintenant les bords du tissu sur le pourtour de l'empreinte et en maintenant le tissu en pression dans l'entrefer entre le poinçon et la matrice ; d) chauffer la partie du flan se trouvant dans l'empreinte jusqu'à une température égale ou supérieure à température de fusion de la résine thermoplastique en maintenant la pression dans l'entrefer et sans atteindre la température de fusion de la résine sur les bords maintenus sur le pourtour de ladite empreinte ; e) refroidir le moule à une température inférieure à la température de transition vitreuse de la résine en maintenant la pression dans

4 l'entrefer ; f) ouvrir le moule et démouler la pièce. Ainsi, le maintien du flan sur la périphérie permet de mettre le tissu en tension pour éviter la formation de plis dans les zones non développables. En ne chauffant à la température de fusion de la résine que la zone correspondant à l'empreinte, les bords du flan n'adhèrent pas aux bords de la matrice et ne sont pas l'objet d'un foisonnement de sorte que le maintien et éventuellement le glissement des bords peuvent être contrôlés durant la consolidation de la partie se trouvant dans l'empreinte, le coefficient des bords du flan sur la matrice étant sensiblement constante de la fermeture du moule à son ouverture. Le chauffage localisé du flan dans l'empreinte peut être obtenu par différents moyens. L'invention concerne également un outillage pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, lequel outillage comprend : - une matrice comprenant une empreinte correspondant à la forme de la pièce ; - un poinçon à la forme de la pièce et distant de l'empreinte d'une valeur d'entrefer définie ; - des moyens de chauffage par induction de l'empreinte ; - des moyens de refroidissement de ladite empreinte.

Ainsi, l'outillage objet de l'invention permet de réaliser la chauffe localisée de l'empreinte de la matrice de manière très rapide à l'aide du dispositif de chauffage par induction. La pièce objet de l'invention peut ainsi être réalisée en combinant, grâce aux caractéristiques de cet outillage un chauffage localisé à température uniforme de l'empreinte de la matrice et selon une dynamique très rapide de chauffage/refroidissement, là où les procédés connus de l'art antérieur ne permettent pas la réalisation d'une pièce composite comprenant quatre bords tombés et de contour continu, renforcée par des fibres continues d'origine végétale. Cette combinaison de l'outillage et du procédé résout à la fois les problèmes techniques liés à la forme de la pièce, par le contrôle de la tension du flan lors de la consolidation, et les problèmes techniques liés au risque d'inflammabilité des fibres et à leur taux d'humidité. Ainsi le chauffage/refroidissement de l'empreinte est suffisamment rapide pour que le séjour du tissu imprégné à haute température dans l'empreinte soit suffisamment court, pour ne pas entraîner la brûlure desdites fibres ou la vaporisation de l'humidité qu'elles contiennent, mais suffisamment long pour permettre la fusion/consolidation uniforme de la résine dans tout le volume d'entrefer de l'empreinte. 5 Sans se limiter à une quelconque théorie, il est supposé que le taux d'humidité contenu dans les fibres, généralement considéré comme une source de défaut, est ici utilisé avantageusement dans un cycle de chauffage/refroidissement sous pression très dynamique, pour préserver les fibres de la brûlure, le cycle étant suffisamment rapide pour éviter la vaporisation de ladite humidité. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisation avantageux exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement les fibres comprennent des fibres de lin.

Avantageusement le renfort fibreux est constitué d'un tissu et le taux de fibres est égal ou supérieur à 30 % en volume, ce qui permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées pour la pièce et facilite la manipulation des flans. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la pièce objet de l'invention comprend, en outre, une couche de décoration constituée d'un tissu comprenant un motif imprimé, ladite couche de décoration étant intégralement recouverte par la matrice. Ainsi, la demi-coque peut être décorée selon des motifs complexes, ladite décoration étant intégrée à la matrice, celle-ci est protégée de l'usure. La décoration étant posée sur une couche de tissus avant la fabrication de la pièce, l'impression du motif est facile car réalisé sur ledit tissu, offrant une grande souplesse dans la variation des motifs. Selon un mode de réalisation avantageux du procédé objet de l'invention, l'étape de chauffage d) est réalisée avec une vitesse de chauffage supérieure ou égale à 2°. s-'. Cette vitesse de chauffage permet de réaliser la pièce en un temps de cycle très bref pour éviter les brûlures des fibres et la vaporisation de l'humidité qu'elles contiennent. Avantageusement, l'étape de chauffage d) est réalisée en assurant à tout instant une température uniforme dans l'empreinte. Ainsi, il n'est pas nécessaire

6 d'effectuer un long maintien de la pièce à la température de fusion de la résine pour assurer une bonne répartition de ladite résine et un compactage uniforme. Avantageusement, l'étape e) de refroidissement est réalisée à une vitesse de refroidissement supérieure ou égale à 2°. s-', ainsi, le temps de cycle est réduit, tout comme le séjour de la pièce à haute température. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif, apte à mettre en oeuvre le procédé objet de l'invention, le poinçon est constitué de silicone. Ainsi la souplesse du poinçon permet en appliquant sur ledit poinçon une pression sensiblement normale à la surface de fond de la pièce d'obtenir un compactage des bords tombés. Avantageusement les moyens de chauffage par induction comprennent un inducteur formant au moins une spire dans une cavité s'étendant selon un plan parallèle à un plan dit de fond sensiblement tangent au fond de l'empreinte. Cette configuration concourt à l'obtention de l'uniformité de la température de chauffage sur le fond de l'empreinte. Avantageusement, l'inducteur est constitué d'un câble de cuivre tressé multibrins nus. Ainsi, l'inducteur est suffisamment souple pour suivre le contour de la pièce. L'utilisation de brins nus, non recouverts individuellement par un isolant permet de conférer à la tresse la souplesse nécessaire au suivi du contour de l'outillage et ne limite pas la température de fonctionnement de l'inducteur par la température de fusion de l'isolant des brins. Par ailleurs la présence de brins multiple permet d'utiliser toute la section de l'inducteur pour le passage du courant électrique y compris si celui-ci est à haute fréquence. Selon un mode particulièrement avantageux, les moyens de chauffage comprennent en outre un inducteur formant au moins une spire dans un plan sensiblement parallèle au plan de fond compris entre le dit plan de fond et le plan d'entrée de l'empreinte, les hauteurs des plans des spires des inducteurs étant aptes à assurer une température uniforme de toute l'empreinte lors des phases de chauffages. Ainsi, la combinaison de spires d'induction à différentes altitudes de l'empreinte concourt à l'obtention de l'uniformité de la température sur tout le volume de ladite empreinte lors des phases de chauffage. Selon un mode de réalisation particulier, l'empreinte comprend deux alésages d'axes sécants formant des cavités aptes à recevoir un inducteur, la

7 continuité de la cavité entre les deux alésages étant réalisée par une pièce rapportée comprenant une cavité décrivant un rayon de raccordement adapté à la souplesse de l'inducteur. Ce mode de réalisation est plus particulièrement adapté aux cas où la cavité présente un embouti profond et nécessite un inducteur à une hauteur intermédiaire, ou d'une manière plus générale, lorsque la cavité destinée à recevoir l'inducteur est difficile à réaliser par rainurage et assemblage. Dans ces conditions, ce mode de réalisation permet d'usiner la cavité par perçage. Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend des conduits de circulation fluide aptes à refroidir ledit dispositif lors des phases de refroidissement. Ainsi, des vitesses de refroidissement élevées peuvent être atteintes. L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 9 dans lesquelles : - la figure 1 représente de profil (figure 1A), de face (figure 1B) et en perspective de profil (figure 1C), un exemple de réalisation d'une pièce selon l'invention ; - la figure 2 est un exemple de réalisation de la matrice d'un outillage pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention ; - la figure 3, représente une partie de la matrice selon la même vue en perspective que celle de la figure 2, la forme ayant été démontée pour laisser apparaître la carcasse ; - la figure 4 montre en vue de dessous de la forme l'outillage de la figure 2, sans la carcasse de maintien ; - la figure 5 est une vue de dessous d'une partie de la forme, en l'occurrence de la pièce comprenant l'empreinte de l'outillage de la figure 2; - la figure 6 représente un synoptique d'un exemple de réalisation du procédé selon l'invention ; - la figure 7 illustre un exemple de cycle pression-température utilisé au cours du formage-consolidation d'une pièce selon le procédé objet de l'invention. - la figure 8 est une vue en section d'un inducteur utilisé pour le chauffage de l'outillage selon un exemple de réalisation de l'invention ;

8 - et la figure 9 est une vue partielle en coupe d'un exemple de réalisation de l'outillage selon l'invention dans le cas où la forme présente un embouti profond, figure 9A selon une coupe A-A telle que définie figure 2, figure 9B, selon une coupe BB définissant un plan parallèle au fond de l'empreinte et figure 9C selon une coupe partielle dans un plan perpendiculaire au plan de coupe B-B dans une zone de raccordement en coin de malle de la forme. Figure 1, selon un exemple de réalisation, la pièce (100) objet de l'invention se présente sous la forme d'une demi-coque comprenant un fond (110) et des bords tombés (120). Le contour (111) de la pièce (100) est continu de sorte la pièce comporte des zones non développables (121), dites « coins de malle » aux raccordements trièdres entre les bords tombés (120) et le fond (110). Le fond est ici représenté plan. Selon un mode de réalisation avantageux (non représenté) le fond peut suivre une surface incurvée en double courbure. Ladite pièce (100) est constituée d'un composite stratifié comprenant plusieurs plis comportant des fibres dites continues (130). Les fibres, dites continues, s'étendent de manière ininterrompue d'un bord à l'autre de la pièce (100). Selon la nature de ces fibres, celles-ci peuvent être constituées de fibres continues monolithiques ou de fibres continues reconstituées, résultant d'un assemblage de plusieurs filaments ou telles que des fibres craquées filées. Figure 2, selon un exemple de réalisation de l'outillage pour la fabrication d'une pièce selon l'invention, celui-ci comprend une matrice (200) laquelle matrice est apte à être fixée sur le plateau d'une presse (non représentée). Ladite matrice (200) comprend un premier ensemble dit « forme » (210) lequel comporte l'empreinte (220) qui reproduit en creux la surface extérieure de la pièce (100) à réaliser. La forme (210) est placée dans une carcasse (230) laquelle carcasse réalise l'interface mécanique avec le plateau de la presse et supporte également plusieurs fonctions techniques. Ainsi, la carcasse (230) peut recevoir différentes formes (210) correspondant à différentes pièces. Le contour (221) de l'intersection entre l'empreinte (220) et le plan supérieur de la forme (210) défini le plan d'entrée de l'empreinte. La carcasse (230) comprend un réseau de circulation fluide autour de la forme pour permettre le refroidissement de ladite forme et des moyens (235) d'adduction dudit fluide dans ce réseau de refroidissement. Le

9 fluide de refroidissement est de composition majoritairement aqueuse afin d'assurer un refroidissement efficace de la forme (210). La circulation du fluide dans le réseau de distribution est réalisée sous basse pression et en circuit ouvert, avantageusement en insérant un réservoir tampon dans le circuit, de sorte que le fluide puisse éventuellement bouillir sans risque d'explosion. Pour éviter que le fluide ne soit porté à ébullition, la circulation dudit fluide peut être maintenue durant les phases de chauffage tout en assurant le refroidissement de ce fluide, le moyen de chauffage étant suffisamment énergique pour permettre ce mode de fonctionnement. Alternativement et préférentiellement la circulation du fluide peut être interrompue et le circuit purgé avant la mise en oeuvre du cycle de formage-consolidation, ladite circulation du fluide n'étant établie que lors de la phase de refroidissement. La forme comprend un dispositif de chauffage par induction. Ce dispositif comprend un premier inducteur (241) constitué par un circuit s'étendant dans un plan et formant une spire à la hauteur et à proximité du plan d'entrée de l'empreinte (220). Un second inducteur (242) est constitué par un circuit s'étend dans un plan et formant au moins une spire à la hauteur du fond (222) de l'empreinte (220). Les deux circuits (241, 242) sont reliés en série à un générateur. Figure 3, la carcasse comprend un circuit de circulation fluide autour de la forme. Ce circuit est représenté partiellement et schématiquement sur la figure 3. Ledit circuit de circulation fluide, comprend des canalisations (331) aptes à refroidir les bords de la forme et le plan d'entrée de l'empreinte, ainsi que des canalisations (332) aptes à refroidir le fond (222) de la forme. Figure 4, la forme (210) est constituée de deux pièces assemblées : une embase (430) dans laquelle vient se loger un bloc (420) comportant l'empreinte (220). Une rainure (440) s'étend en formant des spires entre l'embase (430) et le bloc (420) et sert de logement à l'inducteur (242) placé à proximité du fond de l'empreinte. La rainure (440) est fermée par le fond (340) de la carcasse (230) lorsque la forme (210) est montée dans ladite carcasse, formant ainsi une cavité dans laquelle s'étend le deuxième inducteur (242). Figure 5, le bloc (420) comprend une rainure (540), laquelle rainure est refermée par l'embase (430) lorsque ledit bloc (420) est monté dans celle-ci, formant une cavité à proximité du plan d'entrée de l'empreinte, cavité dans

10 laquelle s'étend le premier inducteur (241). Figure 8, afin de pourvoir suivre le contour des cavités formées par les rainures de la forme, les inducteurs (241, 242) sont constitués de brins multiples (840) tressés, préférentiellement constitués de cuivre (Cu). La constitution multibrins permet, d'une part, de réduire la section des inducteurs, y compris pour un fonctionnement à haute fréquence, en répartissant les effets de peau sur tous les brins, et confère, par ailleurs, une plus grande souplesse auxdits inducteurs, permettant à ceux-ci de suivre le contour de l'empreinte au plus près de celle-ci, notamment dans les zones à faible rayon de courbure. Bien que l'utilisation de câbles multibrins pour l'induction soit connue de l'art antérieur sous la forme de câbles dits de Litz, les câbles de l'art antérieur utilisent des brins isolés individuellement, ceci dans le but de confiner les effets de peau dans chaque brin et de profiter de toute la section de l'inducteur pour le passage de courant. L'effet de peau correspond à la concentration du courant électrique circulant dans un conducteur sur la périphérie de sa section, de sorte que la section effective de conduction du courant électrique est nettement plus faible que la section du conducteur qui est donc susceptible de subir un échauffement important par effet Joule du fait de la densité de courant conduit par cette section effective. L'effet est d'autant plus marqué que la fréquence du courant est élevée. Il est donc particulièrement sensible pour les inducteurs utilisant des fréquences élevées. Afin de contrer cet effet des câbles dits de Litz, tels que décrits ci-dessus sont utilisés. Toutefois, de tels câbles imposent une température de fonctionnement de l'inducteur limitée par la température que l'isolant individuel de chaque brin est apte à supporter, soit une température maximale de l'ordre de 180 °C pour les isolants à base de résine époxyde généralement utilisés à cette fin. Selon un effet surprenant, l'utilisation de brins non isolés individuellement permet de passer des densités de courant tout aussi importantes, mais sans limitation pratique de la température de l'inducteur, en réduisant le diamètre de celui-ci, du fait de l'absence de couche isolante sur chaque brin, et en améliorant encore la souplesse de l'inducteur. Une gaine (841) isolante, résistant à la chaleur, par exemple sous la forme d'une gaine tissée à partir de fibres de silice, est avantageusement utilisée pour isoler électriquement l'extérieur du câble multibrins.

11 Figure 9A, lorsque l'embouti de la forme est profond, il peut être utile de placer un inducteur pour assurer le chauffage de l'empreinte (920) dans en plan intermédiaire entre le fond de l'empreinte le plan d'entrée. À cette fin un inducteur (941) supplémentaire peut être placé dans un plan intermédiaire, par exemple, à mi-hauteur de l'empreinte. La cavité (940) apte à recevoir un tel inducteur (941) est alors de réalisation délicate par rainurage, particulièrement si l'inducteur doit être placé proche de la surface de l'empreinte (920). Dans ces conditions la cavité (940) peut être avantageusement réalisée par perçage, notamment par des techniques de perçage profond utilisant des forets dits 3/4 ou « gundrill ». Figure 9B, la difficulté de cette technique réside dans le suivi du contour de l'empreinte (920) par ladite cavité (940), suivi qui nécessite la réalisation de perçages d'axes (9410, 9420) sécants, dont au moins une extrémité doit ensuite être bouchée. Le point d'intersection (9412) des perçages se trouve alors éloigné des bords de l'empreinte (920) dans cette zone, ou l'efficacité du chauffage est primordiale et cette intersection constitue également un point anguleux qui demande à ce que l'inducteur soit plié selon un rayon de courbure faible. Pour résoudre cet inconvénient, un insert (930) est placé dans un logement pratique dans le bloc (920) comprenant l'empreinte, lequel insert (930) comprend une cavité (935) s'étendant selon un axe circulaire respectant le rayon de courbure minimal admissible par le câble constituant l'inducteur. Figure 9C, avantageusement, l'insert (930) est constitué de deux pièces (931, 932) assemblées, comprenant chacun une demi-rainure (935) réalisée en fraisage. Ainsi, la répartition spatiale des sources de chauffage énergique et la circulation fluide autour de la forme permettent de réaliser des cycles de chauffage- refroidissement très rapides de l'empreinte en assurant à la fois une distribution uniforme de la température sur toute la surface de l'empreinte (220) et de forts gradients de température sur les bords (221) de l'empreinte. Ainsi, la température de fusion de la résine est atteinte de manière uniforme dans l'empreinte, autorisant ainsi le glissement relatif des fibres dans les zones non développables (121) de la pièce et une répartition uniforme de la résine dans tout le volume de la pièce. Cependant cette température de fusion n'est pas atteinte au-delà des bords (221) de ladite empreinte, permettant ainsi le contrôle de la mise en tension et du glissement du tissu sur les bords afin d'éviter la formation de plis dans les zones non développables (121) de la pièce. Figure 6, les caractéristiques avantageuses de l'outillage sont mises à profit pour réaliser la pièce selon un procédé objet également de l'invention. Selon un exemple de réalisation de ce procédé, figure 6A, plusieurs couches constituant des plis du composite final sont empilées. Les deux premières couches (611, 612) sont, par exemple, constitués d'un tissu de fibres végétales naturelles, telles que des fibres de lin poudrées d'une résine thermoplastique, d'un tissu de telles fibres filmé d'une telle résine ou d'un tissu comprenant des fibres thermoplastiques et végétales mêlées. À titre d'exemple non limitatif, ladite résine est choisie avantageusement dans un groupe comprenant : - l'acrylonitrile butadiène styrène, ou ABS ; - les polyoléfines ; - le polytéréphtalate de butylène, ou PBT ; - le polyéthylénimine, ou PEI ; - le polyéthercétone, ou PEK ; - le polyétheréthercétone, ou PEEK ; - le poly (sulfure de phénylène), ou PPS ; - des polyamides tels que le polycaprolactame (PA6) ou le polyhexaméthylène adipamide (PA6-6) ; selon les propriétés recherchées pour la pièce. Selon un autre exemple de réalisation, non limitatif, des résines thermoplastiques bio-sourcées peuvent également être utilisées, lesquelles peuvent être avantageusement choisies dans un groupe comprenant : - les polyamides (PA), notamment le PA11 - le polyéthylène (PET) bio-sourcé ; - l'acide polylactique (PLA) ; - ou encore des polyesters bio-sourcés. Les résines, selon ces différents exemples de réalisation, présentent des températures de fusion supérieures à 100 °C voir même à 200 °C ou 300 °C pour certaines d'entre elles. Or, les fibres de lin sont susceptibles de se dégrader par brûlure au-delà de 120 °C et l'humidité qu'elles contiennent est susceptible de se vaporiser au-delà de 100 °C. Ces difficultés de mise en oeuvre sont résolues par la dynamique du procédé, dynamique rendue possible par le dispositif de chauffage-refroidissement de l'ensemble constituant la matrice de l'outillage. En revenant à la figure 6A, une troisième couche (613) est constituée d'un tissu imprimé, lequel tissu n'a qu'un rôle décoratif. À titre d'exemple, il peut s'agir d'un tissu de coton imprimé. La quatrième couche (614) est un film thermoplastique, choisi avantageusement parmi les polyamides (PA11 ou PAl2) ou le polyéthylène (PET). Selon un autre exemple de réalisation, le procédé objet de l'invention peut également être utilisé pour réaliser des pièces à partir de flans non calandrés sous la forme de tissus comprenant des fibres mêlées de polyéthylène (PET) de constitutions différentes. Les différences de constitution desdites fibres leur confèrent des températures de fusion différentes. Ces fibres peuvent être issues en partie ou en totalité de polyéthylène bio-sourcé. Ainsi, le contrôle précis de la température dans l'empreinte (220) permet de réaliser la fusion d'une partie des fibres seulement, lesquelles constitueront la matrice de la pièce finale, les autres fibres conservant leur intégrité et leur rôle de renfort de la pièce. Cette mise en oeuvre est compatible avec l'insertion d'un tissu de décoration dans l'empilement. Cette version de mise en oeuvre du procédé est particulièrement adaptée à la réalisation de pièces destinées à la bagagerie. Figure 6B, l'empilage (611, 612, 613, 614) est placé sur la matrice (200) de l'outillage sans préparation spécifique pour les pièces de petite dimension telles que les coques de protection pour téléphone portable. Dans le cas de la réalisation d'une demi-coque de plus grande dimension, destinée, par exemple, à constituer un couvercle ou un fond de valise ou de malle, l'empilage de tissus peut être stabilisé en assemblant les couches entre elles par des points ou des lignes de soudure, notamment pour assurer l'orientation du motif du tissu imprimé par rapport à la pièce finale. La matrice (200) est placée sur l'un des plateaux d'une presse (non représenté). Ledit tissu imprimé (613) est, selon cet exemple de réalisation placé face imprimée tournée vers le fond de l'empreinte (220) et vers l'extérieur de l'empilement, de sorte que cette face imprimée soit visible sur la face convexe de la pièce. L'empilement de tissus étant placé sur la matrice (200) le cycle de formage-consolidation est engagé. La figure 7 représente un diagramme temps (710), température (712) et force (711) représentant l'évolution de la température (720) et de la force de

14 fermeture (730) de l'outillage au cours d'un tel cycle de formage-consolidation. La première étape (740) correspond au placement des tissus sur la matrice de l'outillage (200) celle-ci étant à température ambiante (721), la force de fermeture de l'outillage étant nulle (731).

Au cours de la deuxième étape (750), l'empilement de tissus est estampé entre un poinçon (620) et la matrice (200) par la fermeture de l'outillage à la force de fermeture de la presse (732). Figure 6B, Le poinçon (620) est fixé sur le plateau d'une presse (non représenté), opposé au plateau sur lequel est fixée la matrice (200). Le poinçon (620) comporte deux parties. Une première partie (621) est de forme complémentaire à celle de l'empreinte (220), distante de celle-ci d'un entrefer (e) lorsque le piston (620) est descendu au contact de la matrice. Une seconde partie (622), s'étend dans un plan supérieur à la première partie (621) et constitue un serre-flan apte à pincer les bords de l'empilage de tissus (611, 612, 613, 614) entre ledit serre-flan et la partie supérieure de la matrice correspondant au plan d'entrée de l'empreinte (220). Avantageusement la première partie (621) du poinçon (620) faisant saillie par rapport au serre-flan (622) est constituée de silicone. Le rapprochement du poinçon (620) et de la matrice (200) par la fermeture de la presse, pousse la partie centrale de l'empilement de tissu dans l'empreinte (220) et pince les bords de l'empilement de tissu entre les bords de l'empreinte et le serre-flan. Ainsi les tissus sont tendus, particulièrement dans les zones non développables évitant ainsi la formation de plis dans ces zones. En revenant à la figure 7, au cours de l'étape d'estampage (750), après la fermeture de la presse, la température de l'empreinte est augmentée très rapidement à une vitesse de chauffage au moins égale à 2 °C. s-' par la mise en oeuvre du chauffage par induction, jusqu'à une température égale ou supérieure à la température de fusion (723) du matériau thermoplastique constituant la matrice de la pièce, la pression de fermeture de l'outillage étant maintenue constante. A titre d'exemple, dans le cas de l'utilisation d'une matrice thermoplastique de type PA11, dont la température de fusion est de 185 °C cette température peut être atteinte en 60 secondes. La phase d'estampage (750) est suivie d'une phase de maintien (760), l'empreinte étant maintenue à la température de fusion (723) de la résine et la

15 force de fermeture du moule étant également maintenue à sa valeur maximale (732). Préférentiellement cette phase de maintien (760) est d'une durée de l'ordre de 30 secondes. À l'issue de cette phase de maintien (760), le chauffage par induction est interrompu et la circulation de fluide dans les conduits (331, 332) de la carcasse (230) est rétablie de sorte à refroidir rapidement la forme (210). La force de fermeture du moule est maintenue durant cette phase de refroidissement (770) qui permet la consolidation de la pièce. Cette consolidation est atteinte lorsque la température de l'empreinte est inférieure à la température (722) de transition vitreuse de la résine thermoplastique. Le refroidissement est poursuivi jusqu'à température ambiante (721), avant de procéder à l'ouverture de l'outillage et à l'étape de démoulage (780) de la pièce. À cette fin, dans le cadre d'une fabrication en grande série, la matrice (200) de l'outillage peut être pourvue de moyens (non représentés) pour automatiser ce démoulage.

La pièce est laissée un bref moment, de l'ordre de 10 secondes, avant d'être transférée vers un poste de détourage. En revenant à la figure 6B, les inducteurs (241, 242) étant placés très proches de l'empreinte, la combinaison de ces caractéristiques avec la dynamique élevée de chauffage-refroidissement permet de ne déclencher la fusion de la matrice thermoplastique que dans la partie de l'empilement de tissus se situant dans l'empreinte, les bords de l'empilement restant en dessous de la température de fusion de la matrice. Au total, le séjour de l'ensemble des tissus situés dans l'empreinte (220) à une température supérieure à 100 °C est inférieur à 2 minutes. Ce court séjour à haute température combiné à une température uniforme sur toute la surface de l'empreinte permet à la fois d'assurer l'absence de brûlure ou de décoloration des fibres des tissus de renfort (611, 612) ainsi que du tissu de décoration (613), l'absence de défauts liés à la vaporisation de l'humidité contenue dans les fibres tant des tissus de renfort (611, 612) que du tissu imprimé (613) et une répartition uniforme de la résine dans tout le volume de la pièce. L'uniformité de la température sur la surface de l'empreinte durant tout le cycle permet également d'obtenir un aspect uniforme de la surface de la pièce notamment en termes d'état de surface.

16 Figure 6C, à l'issue de l'opération de formage-consolidation, l'ébauche démoulée présente une partie consolidée (600) et en bordure les parties de tissu non consolidées. L'opération de détourage vise à éliminer ces bords non consolidés.

Ledit détourage peut être réalisé par un outil de découpe monté sur une presse attenante à la presse utilisée pour les opérations de formage-consolidation, ou par un usinage, par exemple en fraisage sur une machine à commande numérique. Selon ces exemples, le détourage est réalisé selon un contour (640) situé dans la partie consolidée (600) de l'ébauche. Les bords tombés de la partie consolidée (600) de l'ébauche sont ainsi plus larges que ceux de la pièce finale afin de réaliser le détourage dans une partie consolidée. Figure 6D, la pièce (100) est finie à l'issue de ce détourage. La face décorée (650) se situe dans cet exemple de réalisation à l'extérieur de la pièce sur sa partie convexe. La décoration est intégrée dans l'épaisseur de la pièce sous une couche de résine. Elle est par conséquent beaucoup plus résistante qu'une décoration par impression sur la surface de la pièce finie. La description ci-avant montre que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier elle permet de réaliser une pièce composite non développable à matrice thermoplastique comportant des surfaces non développables et un renfort fibreux à base de fibres naturelles végétales, selon un procédé de fabrication adapté à des séries importantes.

Claims

REVENDICATIONS1.Pièce (100), notamment une demi-coque pour tablette PC ou assistant numérique personnel, comprenant quatre bords tombés (120) de contour (111) fermé, constituée d'un matériau composite stratifié comportant une matrice thermoplastique et un renfort fibreux comprenant des fibres (130) continues caractérisé en ce que ledit renfort fibreux comprend majoritairement des fibres naturelles d'origine végétale.
2.Pièce (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres naturelles comprennent des fibres de lin.
3.Pièce (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le renfort fibreux est constitué d'un tissu (611, 612) et que le taux de fibres est égal ou supérieur à 30 % en volume.
4.Pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend, en outre, une couche de décoration (650) constituée d'un tissu (613) comprenant un motif imprimé, ladite couche de décoration étant intégralement recouverte par la matrice.
5.Procédé pour la fabrication d'une pièce comprenant quatre bords tombés de contour fermé, constituée d'un matériau composite stratifié comportant une matrice thermoplastique et un renfort fibreux à fibres continues, notamment une pièce (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) découper un flan non consolidé dans un tissu imprégné (611, 612) d'une résine thermoplastique ; b) placer ledit flan au-dessus de l'empreinte (220) d'un moule comprenant un poinçon (620) et une matrice (220) distants d'un entrefer (e) et comprenantdes moyens (622) pour maintenir les bords du flan sur le pourtour de l'empreinte (220) ; c) fermer le moule en maintenant les bords du tissu sur le pourtour de l'empreinte (220) et en maintenant le tissu en pression dans l'entrefer entre le poinçon (620) et l'empreinte (220) ; d) chauffer la partie du flan se trouvant dans l'empreinte (220) jusqu'à une température égale ou supérieure à la température (723) de fusion de la résine thermoplastique en maintenant la pression dans l'entrefer (e) et sans atteindre la température de fusion de la résine sur les bords maintenus sur le pourtour de ladite empreinte ; e) refroidir (770) le moule à une température inférieure à la température de transition vitreuse (722) de la résine en maintenant la pression dans l'entrefer ; f) ouvrir (780) le moule et démouler la pièce.
6.Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de chauffage d) est réalisée avec une vitesse de chauffage supérieure ou égale à 2°. s-'.
7.Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de chauffage d) est réalisée en assurant à tout instant une température uniforme dans l'empreinte (220).
8.Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape e) de refroidissement (770) est réalisée à une vitesse de refroidissement supérieure ou égale à 2°.s-'.
9.Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend : - une matrice (200) comprenant une empreinte (220) correspondant à la forme de la pièce ; - un poinçon (620) comportant une partie en saillie (621) à la forme de lapièce et distant de l'empreinte (220) d'une valeur d'entrefer (e) définie ; - des moyens (241, 242) de chauffage par induction de l'empreinte (220) ; - des moyens (235, 331, 332) de refroidissement de ladite empreinte.
10.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le poinçon (620) comprend une partie (621) en saillie constituée de silicone.
11.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de chauffage par induction comprennent un inducteur (241, 242) formant au moins une spire dans une cavité s'étendant selon un plan parallèle à un plan dit de fond sensiblement tangent au fond (222) de l'empreinte (220).
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'inducteur (241, 242, 941) est constitué d'un câble de cuivre tressé multibrins (840) nus.
13.Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent deux inducteurs (241, 242) formant chacun au moins une spire dans un plan sensiblement parallèle au plan de fond (222) et compris entre le dit plan de fond (222) et le plan d'entrée (221) de l'empreinte (220), les hauteurs des plans des spires des inducteurs (241, 242) étant aptes à assurer une température uniforme de toute l'empreinte (220) lors de la phase de chauffage.
14.Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'empreinte (920) comprend deux alésages d'axes (9410, 9420) sécants formants une cavité (940) apte à recevoir un inducteur, la continuité de la cavité entre les deux alésages étant réalisée par une pièce (930) rapportée comprenant une cavité (935) décrivant un rayon de raccordement adapté à la souplesse de l'inducteur (941).
15.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des conduits (332, 331) de circulation fluide, aptes à refroidir ledit dispositif lors de laphase de refroidissement (770).