Outillage pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques La présente invention concerne un outillage pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques en vue de leur application dans le domaine de l'automobile ainsi qu'un procédé de fabrication de telles pièces. Dans le domaine de l'automobile, de manière à améliorer la réduction des émissions de CO2, l'une des voies explorées vise à alléger les véhicules pour réduire la consommation. En particulier, on tend à remplacer certaines parties de véhicules par des matériaux composites permettant d'alléger le véhicule et donc de réduire la consommation énergétique du véhicule et, de ce fait, de limiter ainsi les émissions de CO2. Pour alléger les véhicules, les constructeurs automobiles se sont intéressés aux matériaux composites structuraux thermoplastiques. De manière à réaliser de telles pièces, l'un des procédés de mise en oeuvre est le thermoformage de matériaux composites pré-imprégnés consolidés. On connaît par ailleurs des procédés de fabrication par thermocompression de pièces en matériaux polymères composites. De tels procédés consistent à découper des flans de dimensions supérieures à celles développées de la pièce et à chauffer ceux-ci dans un four (à panneau radiant, IR, gaz, etc.). Le flan chaud est transporté dans le moule, la presse est alors fermée et exerce une forte pression. On procède ensuite au refroidissement et au démoulage après un temps court. Le cycle est très rapide, mais chaque pièce doit être ébarbée par reprise soit par usinage, soit au jet d'eau, ce qui induit un certain coût. Un matériau pré-imprégné est un produit semi-fini constitué d'une résine thermodurcissable imprégnant un renfort (exemples : mat, tissu, fibre de verre). Ce composite fortement chargé est destiné au moulage à chaud sous pression pour fabriquer un produit fini. Cependant, ces pré-imprégnés sont de produits semi finis relativement chers et qui génèrent des pertes de matière importantes dans la mesure où il est nécessaire après un tel procédé de thermocompression de détourer les pièces et les parties ajourées. Par ailleurs, il est nécessaire de mettre en place de nombreuses étapes pour obtenir le produit final recherché, notamment le chauffage d'une plaque ou d'un insert détouré, le transfert dans un outillage de compression, la compression, l'extraction de la pièce, le détourage, l'apport de fonction par comoulage. De plus, l'étape de chauffage initial de la plaque de pré-imprégné dégrade les caractéristiques de la matière. Dans US 5 820 813 est décrit un procédé de fabrication d'un article moulé multicouche, dans lequel on réalise le préchauffage d'une peau pour la placer sur les parties inférieure et supérieure du moule puis on injecte dans le moule ainsi préparé une résine que l'on comprime. On peut ainsi fabriquer des objets multicouches de formes complexes. Dans US 2008303194, on propose un procédé de fabrication d'un polymère par chauffage par induction dans lequel on place ou on injecte une polymère entre la surface supérieure et la surface inférieure d'un moule et on chauffe la partie supérieure à l'aide d'une unité de chauffage par induction. Puis on refroidit les deux parties du moule par passage d'un liquide de refroidissement avant d'éjecter le polymère ainsi obtenu. Toutefois aucun des procédés précédents ne permet de réaliser une imprégnation suffisante. On connaît des procédés de fabrication de pièces par injection compression dont le principe est d'injecter une matière dans un moule partiellement fermé (moule équipé d'une chambre de compression). Après ou pendant le remplissage de la cavité, une compression de la matière est effectuée par fermeture du moule. Un tel procédé permet d'obtenir une pression homogène sur l'ensemble de l'empreinte pendant la compression. Cela présente l'avantage de réduire les contraintes de matière, d'éviter les orientations moléculaires et de diminuer les pressions de mise en oeuvre. Par ce procédé, il est alors possible de mouler des pièces à parois très fines, sans gauchissement et sans contrainte interne. Des moules à chambre de compression sont donc utilisés pour des composites à base de matières thermodurcissables. Ainsi, les moules sont chauffés (vers 140 à 160°c) pour réaliser des semis produits du type par moulage en feuille SMC (« Sheet Molding Compound») ou moulage en vrac BMC (« Bulk Moulding Compound »). Dans ces conditions, la réaction de la résine thermodurcissable est très rapide dans les chambres de compression car l'épaisseur de la bavure est très faible (maxi /10 mm) et il est de ce fait possible d'appliquer une pression dès que l'on a fini de comprimer ou injecter le produit thermodurcissable car la bavure solide dans la chambre de compression est figée très rapidement ce qui rend étanche l'outillage et permet l'application de la pression. Cependant avec les matières thermoplastiques, un tel procédé utilisant un moule à chambre de compression n'est pas utilisable.
Afin de pallier ces inconvénients, la présente invention a pour but de proposer un outillage permettant la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de pièces composites thermoplastiques à base de préforme en fibres de renfort imprégnées. Pour réaliser l'imprégnation des fibres et consolider le composite, l'invention propose donc d'utiliser en tant qu'outillage un moule à chambre de compression dans lequel on applique une pression homogène sur toute la surface de la pièce pendant que la matière thermoplastique est à l'état liquide tout en évitant les inconvénients liés à cet état liquide de la matière thermoplastique et notamment les bavures qui nécessitent des étapes de traitement ultérieurs. A cet effet, l'invention a pour objet un moule à chambre de compression, comportant une partie inférieure pourvue d'une empreinte et une partie supérieure pourvue d'une contre-empreinte, définissant entre elles une chambre de compression lors de la fermeture du moule, des moyens de régulation thermiques étant prévus pour lesdites parties inférieure et supérieure du moule, caractérisé en ce que le moule comporte des moyens de refroidissement ménagés à la périphérie de la chambre de compression. Ainsi, de manière avantageuse, les moyens de régulation thermique des parties inférieure et supérieure du moule sont constitués de moyens de chauffage permettant de chauffer le moule et la matière thermoplastique dans ledit moule pour l'amener à l'état liquide, c'est-à-dire à une température supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique utilisée et de moyens de refroidissement du moule pour permettre le démoulage de la pièce formée tandis que les moyens de refroidissement spécifiquement ménagés à la périphérie de la chambre de compression refroidissent en permanence ladite chambre pour figer immédiatement la bavure de matière thermoplastique quand la matière thermoplastique s'infiltre dans la chambre de compression alors que le reste du moule au niveau de l'empreinte est maintenu chauffé à une température supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique. Ainsi le figeage de la matière thermoplastique dans la chambre de compression permet de maintenir l'application d'une pression suffisante et homogène pour réussir une imprégnation de la préforme de renfort tout en consolidant également ladite pièce. De manière avantageuse, l'invention concerne également un procédé de fabrication de pièces composites mettant en oeuvre un tel moule et qui comprend au moins les étapes suivantes consistant : à introduire dans le moule une préforme en fibre de renfort ainsi que de la matière thermoplastique, à chauffer ledit moule à une température supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique, et à appliquer et maintenir une pression homogène sur toute la surface de l'empreinte tout en maintenant froide la chambre de compression à l'aide de moyens de refroidissement pour figer la matière thermoplastique qui s'infiltre dans ladite chambre, puis à refroidir le moule pour extraire la pièce composite constituée de la préforme de fibres de renfort imprégnée de matière thermoplastique et consolidée. L'injection de la résine ou la compression du pré imprégné ou film ou extrudat se fait donc dans un moule chaud (moule porté à une température supérieure à la température de fusion du thermoplastique employé) pour assurer une bonne imprégnation des fibres par la résine. Une fois le moule rempli, l'imprégnation des fibres est consolidée en appliquant une certaine pression. Cette phase est très importante pour la qualité des composites. Cette phase pour être efficace doit être réalisée sous une pression relativement élevée de préférence dans une plage de 20 à 300 bars et pendant un temps suffisamment long dans une plage de 5 s à 60 s.
Pour pouvoir appliquer une pression juste après la compression du pré imprégné ou l'injection RTM, on refroidit en permanence à la périphérie du moule, la chambre de compression pour figer immédiatement la bavure de matière thermoplastique quand ladite matière thermoplastique à l'état liquide s'infiltre dans la chambre de compression alors que le reste de l'empreinte est à une température supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique. Le fait de pouvoir monter en pression dans le moule alors que la matière thermoplastique est à l'état fondu permet de réduire le temps de consolidation et 10 donc le temps de cycle. Pour mettre en oeuvre la compression, on ferme le moule en abaissant la partie supérieure sur la partie inférieure, la valeur de l'entrefer du moule étant réglée par la course d'abaissement. 15 De plus, pour éliminer tout risque d'oxydation de la matière thermoplastique ou d'emprisonnement d'air qui peuvent être préjudiciables à la qualité du composite, il est préférable de pouvoir utiliser le vide et d'être en atmosphère neutre et donc d'avoir un moule étanche. 20 Ainsi, de manière avantageuse, dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la partie inférieure ou supérieure du moule est pourvue au niveau du plan de joint du moule sur toute sa périphérie, de moyens d'étanchéité qui, lors de la fermeture du moule permettent, une fois que la partie supérieure ou inférieure est en 25 contact avec lesdits moyens, de créer une étanchéité puis de poursuivre une phase de fermeture lente pilotée par la presse, au cours de laquelle la compression se poursuit. Les moyens d'étanchéité sont de préférence élastiquement déformables tels qu'un 30 boudin gonflable sous pression, et, lors de la fermeture, permettent de réaliser l'étanchéité à la périphérie du moule mais également permettent de paramétrer un palier de compression. Ainsi, ces moyens d'étanchéité prévus sur la partie inférieure, par exemple, permettent de définir une phase de fermeture rapide du moule lors de l'abaissement de la partie supérieure sur la partie inférieure jusqu'à ce que la partie supérieure entre en contact avec les moyens d'étanchéité créant l'étanchéité. Puis, la partie supérieure continue d'être abaissée lors d'une phase de fermeture lente au cours de laquelle la compression se poursuit. L'étanchéité a pour but de pouvoir mettre l'outillage sous vide pour limiter les porosités dans le composite.
De ce fait, pour favoriser la qualité du composite fabriqué avec le moule selon l'invention, le moule présente de préférence des moyens de prise de vide et de génération d'une atmosphère neutre dans le moule, permettant ainsi avantageusement d'éliminer tout risque d'oxydation de la matière thermoplastique ou d'emprisonnement d'air qui pourraient être préjudiciables à la qualité du composite. L'introduction de la matière thermoplastique peut être réalisée par injection dans le moule, par la dépose d'un film de matière thermoplastique sur la préforme, par l'introduction d'un extrudat de matière thermoplastique fondue, par l'imprégnation de la préforme de renfort par une poudre de matière thermoplastique ou par la présence de fibres de matière thermoplastique dans la préforme elle-même. Un moule ou outillage selon l'invention permet donc de réaliser des pièces composites à base de préforme en fibres de renfort imprégnées d'une matière thermoplastique, dont le coût est diminué car il n'est plus nécessaire d'acheter des produits semi finis ce qui permet de supprimer une phase de transformation et d'un intermédiaire. De plus, il n'est plus nécessaire de procéder au détourage de la pièce formée ce qui évite les pertes et permet également de faire des pièces ajourées sans perte également. Le moule selon l'invention permet avantageusement l'obtention de pièces légères structurantes multi-matériaux en un seul coup de presse et sans reprise. On utilisera de préférence en tant que matière thermoplastique notamment du polypropylène (PP), des polyamides (PA), des polyesters commes le polytéréphtalate de butylène (PBT) ou le polytéréphtalate d'éthylène (PET), du polysulfure de phénylène PPS qui seront choisies en fonction des fibres de renfort prévues telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres naturelles, sans que le choix soit limité. De même l'outillage selon l'invention permet en outre l'apport de matières spécifiques localement avec des performances optimisées (multi-matériaux) et permet d'envisager également de réaliser des décoration par revêtements (films décors, tissus.. ) On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : Les figures 1 à 3 représentent respectivement trois exemples de moule selon l'invention ; Les figures 4 à 8 représentent le moule de la figure 3 à différentes étapes du procédé de fabrication d'une pièce composite selon l'invention ; La figure 9 est une représentation graphique de l'évolution de la température et de la pression au cours du procédé. Le moule 1 selon l'invention permet de réaliser à la fois l'imprégnation et la consolidation du composite.
Comme on peut le voir sur les figures 1, 2 et 3, l'outillage selon l'invention est constitué d'un moule 1 présentant une partie inférieure 12 pourvue d'une empreinte de la pièce à réaliser et une partie supérieure 11 pourvue d'une contre-empreinte définissant entre elles, lors de la fermeture du moule 1, une chambre de compression 2 (voir sur la figure 5).
Comme on peut le voir aux figures 1, 2 et 3, lorsque le moule est ouvert, on met en place une préforme en fibres de renfort 3 sur l'empreinte de la partie inférieure 12. Le moule 1 peut être agencé pour permettre une injection de matière thermoplastique par un point d'injection 4 ménagé dans la partie supérieure 11 du moule 1 comme on peut le voir dans l'exemple de la figure 1. On peut également mettre en place sur la préforme 3 un film thermoplastique 5, thermoformé ou non, comme on peut le voir sur l'exemple de la figure 2.
Comme on peut le voir à la figure 3, on peut également déposer un extrudat thermoplastique 6 à l'aide d'une vis d'extrusion 7 d'une extrudeuse.
Par ailleurs, pour éliminer tout risque d'oxydation du polymère thermoplastique ou d'emprisonnement d'air qui peuvent être préjudiciables à la qualité du composite que l'on souhaite fabriquer, il faut pouvoir faire le vide dans le moule 1 et être en atmosphère neutre. A cet effet, le moule 1 est pourvu dans sa partie supérieure 11 d'une prise de vide 8 et d'un moyen de soufflage 9 d'un gaz inerte tel que du N2 dans le moule 1, tous les deux commandés par une électrovanne. La partie inférieure 12 du moule 1 présente au niveau de son plan de joint avec la partie supérieure 11 des moyens d'étanchéité tels qu'un boudin 10 en gonflable sous pression, par exemple en caoutchouc, s'étendant autour de l'empreinte à la périphérie du moule 1. Ces moyens d'étanchéité 10 permettent une phase de fermeture rapide du moule 1 en abaissant la partie supérieure 11 sur la partie inférieure 12 jusqu'à ce que la partie supérieure 11 entre en contact avec le boudin 10 créant ainsi l'étanchéité du moule (cf. figure 5). Puis, la partie supérieure 11 continuant d'être abaissée, on définit alors une phase de fermeture lente au cours de laquelle la compression se poursuit dans la chambre de compression 2 définie entre les parties 11 et 12 du moule 1 (figure 8). Par ailleurs, les parties supérieure 11 et inférieure 12 du moule 1 sont pourvues de moyens de régulation thermique, c'est-à-dire des moyens de chauffage permettant d'atteindre une température supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique pour permettre l'imprégnation d'une préforme de renfort 3 avec ladite matière thermoplastique 6 et des moyens de refroidissement pour permettre le démoulage de la pièce ainsi réalisée (figure 7). Ces moyens de régulation thermique sont de type connus en soi et peuvent être des moyens de chauffage par induction, par exemple, et pour les moyens de refroidissement un circuit de fluide de refroidissement. Ils ne seront donc pas décrits plus en détails. De manière à permettre la consolidation de la préforme imprégnée 3, le moule 1 présente au niveau du plan de joint, à la périphérie de la chambre de compression 2 des moyens de refroidissement 13. Ces moyens de refroidissement 13 sont présents tout autour de la chambre de compression 2 (et en constituent une partie voir la figure 8)) de sorte que lesdits moyens 13 permettent la solidification de la bavure de matière thermoplastique fondue générée dans la chambre de compression 2, ce qui permet la consolidation de la pièce ainsi réalisée. De préférence ces moyens de refroidissement 13 sont constitués d'une enceinte métallique en forme de paroi verticale à l'intérieur de laquelle circule un fluide de refroidissement. Ces moyens de refroidissement peuvent être également constitués, par exemple, d'un bloc acier usiné comportant des canaux dans lesquels circule de l'eau froide, formant une paroi verticale 13 entourant la chambre de compression 2 et logée dans une rainure 14 de la partie inférieure 12, cette paroi 13 s'étendant en saillie au-dessus du plan de joint du moule 1 depuis la partie inférieure 12 et se logeant dans une rainure 15 ménagée en correspondance dans la partie supérieure 11 du moule. Un isolant 16 est logé dans le fond de la rainure 14. On décrira maintenant un procédé de fabrication d'une pièce composite utilisant un moule 1 selon l'invention selon la variante décrite à la figure 3. Lors du procédé de fabrication, moule 1 ouvert, on met en place une préforme en fibre de renfort 3 sur l'empreinte de la partie inférieure 12 du moule et on dépose un extrudat 6 thermoplastique par une extrudeuse (cf. figure 3). On pourrait également déposer un film en matière thermoplastique (cf. figure 2) ou mettre en place une préforme imprégnée de poudre de matière thermoplastique ou même pré imprégnée de matière thermoplastique non consolidée. On ouvre l'électrovanne de soufflage de N2 9 avant de fermer rapidement le moule en abaissant la partie supérieure 11 sur la partie inférieure 12 jusqu'au contact avec le boudin gonflable sous pression 10, voir les figures 4 et 5, le moule étant ainsi fermé de manière étanche. On introduit alors la matière thermoplastique par injection quand on utilise un moule selon la figure 1. La paroi verticale 13 s'est logée également dans la rainure 15 de la partie supérieure 11 du moule 1 et la chambre de compression 2 est ainsi fermée de manière étanche. On ferme alors l'électrovanne de soufflage de N2 9 et on ouvre la prise de vide 8. 3002 4 77 10 Les moyens de chauffage du moule 1 ont été mis en oeuvre et la matière thermoplastique 6 est ainsi chauffée à une température supérieure à sa température de fusion, ladite matière thermoplastique 6 devenant ainsi liquide. 5 Le moule 1 est agencé de manière à appliquer une pression homogène sur toute la surface de la pièce pendant que la matière thermoplastique 6 est à l'état liquide. Une fois la partie supérieure 11 du moule abaissée rapidement sur le boudin 10, est créée une étanchéité du moule 1 et le vide est instauré tandis que la paroi verticale 13 (qui constitue en partie la chambre de compression 2) en tant que moyens de 10 refroidissement clôt également la chambre de compression 2. On poursuit alors la fermeture du moule 1 selon une phase lente jusqu'à l'épaisseur nominale du moule 1 tandis que les moyens de refroidissement 13 prévus à la périphérie de la chambre de compression 2 permettent de figer immédiatement la bavure thermoplastique 16 lorsque de la matière thermoplastique 6 liquide s'infiltre dans la chambre de 15 compression 2 alors que le reste de l'empreinte du moule 1 est maintenue à une température supérieure à la température de fusion du thermoplastique 6 (cf. figures 6 et 8). L'imprégnation de la préforme de renfort 3 est de ce fait réalisée par l'application 20 d'une pression homogène dans la chambre de compression 2 du moule 1 qui, lui, est porté à une température supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique 6 employée alors que la chambre de compression 2 est refroidie à sa périphérie en permanence par les moyens de refroidissement 13. 25 Le boudin 1 est logé dans une rainure 10a ménagée sur le plan de joint de la face inférieure 12 et dans une rainure 10b complémentaire ménagée en regard sur le plan de joint de la partie supérieure 11. Les dimensions de ces rainures 10a et 10b sont appropriées pour permettre l'écrasement du boudin 10 jusqu'à la fermeture quasi complète du moule 1 comme on peut le voir à la figure 6. 30 On assure ainsi une bonne imprégnation des fibres par la matière ou résine thermoplastique. On arrête alors la prise de vide. L'imprégnation des fibres est consolidée en appliquant une pression homogène sur la pièce, ce qui est très important pour la qualité des composites ainsi réalisé.
Puis, on procède au refroidissement du moule 1 à une température inférieure à la température de fusion de la matière thermoplastique pour permettre le démoulage de la pièce en baissant la force de fermeture jusqu'à O. On ouvre ensuite le moule 1 pour extraire la pièce (figure 7) et on effectue une remontée en température du moule 1 à une température supérieure à la température de fusion du thermoplastique pour pouvoir reprendre un cycle sur une autre préforme. La figure 9 représente l'évolution de la pression dans l'empreinte du moule 1 et de la température de l'outillage lors d'un cycle de mise en oeuvre. Ainsi, pendant la première partie, le moule est chauffé à une température T 15 supérieure à la température de fusion de la matière thermoplastique, le moule est ouvert et la pression est donc nulle. Puis on ferme le moule 1 et la pression P monte, jusqu'à la fermeture du moule 1 et est alors maintenue pour procéder à l'imprégnation et consolider la pièce. Puis, on baisse la température T et on ouvre le moule 1 faisant chuter la pression P à O. Ceci permet l'extraction de la pièce, ensuite 20 on peut remettre une préforme pendant que le moule remonte en température pour reprendre un autre cycle. Au début du cycle le moule doit être porté à une température > à la température de fusion de la matière thermoplastique pour porter ou maintenir cette matière thermoplastique à cette température pendant la mise en oeuvre pour permettre l'imprégnation des fibres. 25 10