FR3029448A1 - Procede de fabrication d'une piece de vehicule automobile en matiere thermoplastique renforcee - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece de vehicule automobile en matiere thermoplastique renforcee Download PDF

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Abstract

- Procédé de fabrication d'une pièce (1) de véhicule automobile, dans lequel on réalise d'abord ladite pièce (1) par moulage de matière thermoplastique (MTP) chargée, caractérisé en ce que l'on renforce ensuite ladite pièce (1) ainsi moulée en positionnant localement et en surface de la dite pièce (1) au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles, et en ce que l'on dépose de façon non continue les bandes (2) sur ladite pièce (1) dans au moins une zone (4) de concentration d'efforts.

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce semistructurelle de véhicule automobile, telle qu'une doublure intérieure de hayon, en matière thermoplastique renforcée. On appelle pièce semi-structurelle de véhicule automobile, une pièce permettant à 5 l'ensemble intégrant cette pièce d'être autoportant, et permettant de garantir une géométrie sous une charge donnée, sans déformation visible. On connaît, dans l'état de la technique, un hayon réalisé en matière thermoplastique comprenant une peau extérieure d'aspect et une doublure intérieure de structure réalisée en matière thermoplastique chargée. La matière thermoplastique 10 constituant la doublure est par exemple chargée de fibres de verre ou de talc pour accroître ses propriétés de résistance. Les conditions limites, auxquelles doivent faire face ces produits, sont nombreuses et se traduisent par des niveaux de contraintes et de déformations dans différentes directions de la matière et concentrés sur certaines zones. Sans 15 renforcement de ces zones, appelées zones de faiblesse, la raideur et la géométrie du produit ne seraient pas garanties et les cahiers des charges ne seraient pas satisfaits. C'est pourquoi, la doublure intérieure est renforcée par des éléments de renforcement de type inserts (métallique ou composite), surmoulés sur la doublure ou rapportés après son moulage, afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques aux points 20 les plus sollicités (charnières, rotules, serrure...). Ces inserts sont par exemple vissés, encliquetés ou rivetés. Ce procédé de fabrication d'une doublure est long et complexe du fait du nombre important d'opérations à mettre en oeuvre après le moulage de la matière plastique chargée. 25 Par ailleurs, la conception d'inserts surmoulés ou rapportés (métallique ou composite) doit prendre en compte les règles de tôlerie, d'emboutissage ou de mise en forme qui imposent souvent des géométries non optimisées pour le dimensionnement et l'allégement. En effet, cela se traduit par l'ajout de matière non nécessaire aux renforts car 30 celle-ci ne participe pas au renforcement. Pour cette raison aussi, ces renforts métalliques ou composites peuvent atteindre une masse non négligeable à l'échelle de la pièce qu'ils doivent renforcer. De plus, le process de surmoulage de cet insert contraint fortement la conception de la pièce. Ceci peut engendrer une raideur de cet insert en tôle ou en composite non 35 optimum pour pallier ces problèmes liés au procédé de surmoulage. De plus, il est connu, par exemple du document FR2908067A1, de substituer ces inserts métalliques par des renforts en matière thermodurcissable à fibres de renfort (pré imprégnés). De 3029448 -2- tels renforts sont habituellement disponibles sous forme de plaques consolidées qui peuvent être mise en forme avec des procédés adaptés (estampage, drapage, thermoformage ou autre...) avant surmoulage. Généralement, ces renforts sont surmoulés par de la matière thermoplastique.
Cependant, l'adhérence de matières thermodurcissables sur les pièces à renforcer nécessite un accrochage mécanique, tel que des trous. De plus, les géométries souhaitées ne sont pas toujours réalisables par ces procédés et imposent un nombre considérable d'itération de faisabilités. Il est nécessaire de faire des compromis sur les différents objectifs : masse, performance, coût des matières et procédés. L'invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'une pièce semistructurelle de véhicule automobile, telle qu'un ouvrant (hayon, porte latérale, capot) ou une doublure d'ouvrant, renforcée au moins par un élément de renforcement qui ne présente pas les inconvénients des procédés connus.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce de véhicule automobile, dans lequel on réalise ladite pièce par moulage de matière thermoplastique chargée, et on renforce ladite pièce en positionnant localement au moins un élément de renforcement, dans lequel l'élément de renforcement comporte des bandes de fibres continues unidirectionnelles et en ce que l'on dépose de façon non continue les bandes sur la dite pièce dans au moins une zone de concentration d'efforts. Le procédé évite des pertes de matière car la dépose discontinue de bandes, permet d'éviter les chutes de matières, et l'on utilise que la matière nécessaire là où les renforcements sont nécessaires.
Le procédé confère à la pièce un gain en masse, car la disposition discrète des bandes uniquement dans les zones fortement sollicitées permet une consommation au plus juste de matériaux de renforcement. Enfin, contrairement au procédé basé sur des inserts en tôle, le procédé selon l'invention ne nécessite pas d'opérateur pré et post moulage, permettant ainsi un gain 30 en productivité. De façon avantageuse, on peut déposer les bandes en orientant les fibres continues selon des directions privilégiées correspondant aux contraintes principales des efforts de la zone de concentration d'efforts. Selon l'invention, on peut déposer plusieurs bandes les unes sur les autres, de 35 façon à gérer l'épaisseur des bandes sans pour autant enlever de la souplesse aux bandes déposées. De préférence, on utilise des bandes de largeur inférieure à 1,3 centimètre. 3029448 -3- Selon un mode de réalisation préféré, on utilise des bandes comportant de la résine thermoplastique. Alternativement, on peut déposer des bandes sans résine thermoplastique en même temps que l'on dépose une résine thermoplastique chauffée.
5 Selon l'invention, on utilise une résine thermoplastique ayant une température de fusion sensiblement identique à la température de fusion de la matière thermoplastique de la pièce. De façon avantageuse, on chauffe la résine thermoplastique et/ou on chauffe ladite zone de la pièce, lors de l'étape de dépose desdites bandes, de façon à favoriser 10 l'accroche des bandes sur la pièce. La matière thermoplastique peut être à base de polypropylène chargée de fibres de verre courtes, et la résine thermoplastique peut également être à base de polypropylène. On utilise de préférence une matière thermoplastique chargée de fibres de renfort 15 et/ou de talc. On peut utiliser des fibres de renfort seules ou en combinaison, parmi les fibres suivantes : fibre de verre, fibre de carbone, fibre naturelle. Selon un mode de réalisation, la pièce est une pièce semi-structurelle, telle qu'un ouvrant ou une doublure d'ouvrant. Si la pièce est une doublure intérieure de hayon, la 20 zone de concentration d'efforts peut être choisie parmi l'un quelconque des éléments de l'ensemble constitué par une zone supérieure du hayon de fixation d'une charnière, une zone latérale du hayon de reprise d'efforts de vérins, et une zone latérale inférieure du hayon de fixation de serrure. La pièce peut également être une doublure de porte latérale ou de capot.
25 Selon un mode particulier de réalisation, préalablement à l'étape de moulage de ladite pièce dans un moule, on dépose localement sur des parois du moule au moins un élément de renforcement comportant des bandes de fibres continues unidirectionnelles, les bandes étant déposées de façon non continue sur le moule dans au moins une zone, correspondant à une zone de concentration d'efforts de la future pièce moulée dans ledit moule, et l'étape de dépose de bandes sur la surface de la dite pièce est optionnelle. Selon un autre mode particulier de réalisation, préalablement à l'étape de moulage de ladite pièce dans un moule, on dépose localement sur les parois d'une préforme au moins un élément de renforcement comportant des bandes de fibres continues unidirectionnelles, les bandes étant déposées de façon non continue sur la préforme dans au moins une zone correspondant à une zone de concentration d'efforts de la future pièce moulée dans ledit moule, puis l'on positionne la préforme ainsi 3029448 -4- obtenue dans le moule, et l'étape de dépose de bandes sur la surface de la dite pièce est optionnelle. L'invention concerne également une pièce de véhicule automobile, réalisée par moulage de matière thermoplastique chargée et comprenant au moins un élément de 5 renforcement dans au moins une zone de concentration d'efforts. L'élément de renforcement est un ensemble de bandes discontinues de fibres continues unidirectionnelles imprégnées de résine thermoplastique rapporté en surface de la dite pièce. Les fibres des bandes peuvent être orientées selon des directions privilégiées 10 correspondant à des contraintes principales des efforts de la zone de concentration d'efforts. Enfin la pièce peut être une pièce semi-structurelle, telle qu'un ouvrant ou une doublure d'ouvrant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite 15 uniquement en se référant aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 illustre une bande de fibres continues unidirectionnelles utilisée dans le procédé selon l'invention. - La figure 2 illustre une vue en perspective d'un hayon obtenu par le procédé de l'invention, et indiquant les zones de fortes sollicitations sur lesquelles ont été 20 disposées des bandes. L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (1) de véhicule automobile, telle qu'une pièce semi-structurelle, renforcée par au moins un élément de renforcement. Le procédé comporte les étapes suivantes : - dans un premier temps, on réalise la pièce au moyen d'un procédé de moulage 25 de matière thermoplastique chargée ; - dans un second temps, on renforce cette pièce (1) ainsi moulée, en positionnant localement et en surface de la pièce (1) au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles. Ces bandes (2) sont déposées de façon non continue sur la pièce (1) déjà moulée dans au moins une 30 zone (4) de concentration d'efforts. On entend par zone (4) de concentration d'efforts une zone à fortes sollicitations. Dans une telle zone, il existe donc des contraintes principales d'effort, correspondant à des directions selon lesquelles la zone subit le plus grand effort. Par exemple (figure 2), dans le cas d'une doublure de hayon, la zone de 35 concentration d'efforts peut être choisie parmi l'un quelconque des éléments de l'ensemble constitué par une zone supérieure du hayon de fixation d'une charnière (4a), une zone latérale du hayon de reprise d'efforts de vérins (4b), et une zone latérale 3029448 -5- inférieure du hayon de fixation de la serrure (4c). De façon préférée, on dépose les bandes (2) de façon à orienter les fibres (3) continues qu'elles comportent selon des directions privilégiées, correspondant aux contraintes principales d'effort subit dans la zone.
5 La pièce (1) est réalisée par moulage de matière thermoplastique (MTP) chargée, par exemple au moyen d'un procédé de moulage par injection. On entend par matière thermoplastique (MTP) chargée une matière thermoplastique contenant des charges minérales, telles que du talc, et/ou contenant des fibres de renfort. Les fibres de renfort sont choisies seules ou en combinaison, 10 parmi les fibres suivantes : fibre de verre, fibre de carbone, fibre naturelle (telle que le lin par exemple). Avantageusement la pièce est une pièce semi-structurelle, telle qu'un ouvrant de véhicule automobile, tel qu'un hayon, une portière latérale ou un capot. Il peut également s'agir d'une doublure d'un tel ouvrant (doublure intérieure de hayon, de 15 porte latérale ou de capot). La description qui suit, se réfère à l'exemple d'une doublure intérieure de hayon, telle que représentée sur la figure 2. Une bande (« tape » en anglais) constitue un ensemble de fibres (3) continues orientées selon une même direction (figure 1). Les fibres de renfort sont choisies seules ou en combinaison, parmi les fibres suivantes : fibre de verre, fibre de carbone, fibre 20 naturelle (telle que le lin par exemple). Une bande (3) est définie par son format dont la largeur est petite par rapport à la longueur. Avantageusement, pour le drapage de pièce de véhicule automobile, on utilise des bandes dont la largeur est inférieure à 1,3 centimètre, de préférence inférieure à 1,27cm. La figure 1 illustre une bande (2) vue de dessus, ainsi qu'une 25 coupe (AA) pour illustrer l'épaisseur de la bande (2) et l'agencement des fibres (3). On utilise des bandes (2) d'épaisseur suffisamment fine pour conserver une souplesse suffisante pour permettre le drapage sur toute forme. Au besoin, il est possible de draper des bandes les unes sur les autres pour renforcer davantage la zone à renforcer.
30 Selon un mode de réalisation privilégié, les bandes (2) comportent de la résine thermoplastique (RTP), dans laquelle les fibres (3) sont noyées (figure 1). Selon ce mode de réalisation, et avantageusement, on chauffe la résine thermoplastique (RTP) avant de l'appliquer contre la pièce (1). Ceci permet en effet de fluidifier la bande (2), et de faciliter sa dépose sur toutes formes de la pièce (1), 35 favorisant ainsi le drapage de cette bande (2). De préférence, on chauffe également, ou alternativement, la zone (4) de la pièce sur laquelle la bande (2) doit être déposée. De cette façon, la résine (RTP) de la bande 3029448 -6- et la matière thermoplastique (MTP) de la pièce fondent, favorisant ainsi le maintien de la bande (2) sur la pièce (1), car la résine (RTP) et la matière thermoplastique (MTP) se mélangent, et par compatibilité puis refroidissement, forment une structure unique. Dans ce cas, on utilise de préférence des bandes (2) dont la résine (RTP) a une 5 température de fusion sensiblement identique à la température de fusion de la matière thermoplastique (MTP) de la pièce. Par exemple, on peut utiliser de la matière thermoplastique (MTP) à base de polypropylène chargée de fibres de verre courtes pour constituer la pièce (1), et utiliser de la résine thermoplastique (RTP) également à base de polypropylène pour constituer 10 les bandes (2). En fonction du besoin en renforcement de la zone (4), c'est-à-dire en fonction de la contrainte subie par la zone (4), on dépose des bandes (2) de largeur et d'épaisseur variable. Ainsi, plus le besoin sera important, plus on utilisera un bande épaisse. Par 15 ailleurs, selon le procédé, on peut déposer plusieurs bandes (2) les unes sur les autres, de façon à accentuer l'épaisseur du renfort formé par ces bandes (2), et ainsi augmenter le renfort dans la zone (4) sélectionnée. Selon un mode de réalisation, des bandes (2) sèches, c'est-à-dire sans résine thermoplastique, sont déposées sur la zone (4) en même temps que l'on dépose une 20 résine thermoplastique (RTP) chauffée. La résine thermoplastique (RTP) utilisée peut être la même que celle utilisée pour les bandes imprégnées de résine thermoplastique. Les bandes (2) sont déposées de façon automatique au moyen d'un outil, permettant de draper les bandes sur les formes de la pièce (1). L'outil est un système automatisé, par exemple un robot, disposant d'un bras muni 25 d'un applicateur de bande (2), par exemple cylindrique, comprenant une forme adaptée à draper la bande (2) sur la zone (4) de la pièce à renforcer, et qui peut se déplacer sur celle-ci. La bande (2) peut être déroulée en continue, et couper selon la longueur nécessaire. L'outil dispose également d'un galet, permettant d'appliquer une pression, de 30 manière à prendre en sandwich la bande (2) entre l'applicateur et la paroi de la pièce (1). Selon un mode de réalisation, c'est l'applicateur lui-même qui permet d'appliquer la pression nécessaire. L'outil dispose également d'un moyen pour couper la bande (2), tel que des lames, de façon à pouvoir déposer des morceaux de bandes (2) et non une bande en 35 continue. Enfin, l'outil dispose préférentiellement d'un moyen de chauffage de la bande (2) lorsque celle-ci comporte de la résine (RTP). Ce moyen permet de fluidifier la bande 3029448 -7- (2), et de l'étaler sur la pièce (1) grâce à l'applicateur et au galet. Ce moyen peut être directement intégré dans l'applicateur. De préférence ce moyen permet également, ou alternativement, de chauffer la zone (4) de la pièce à renforcer.
5 Le procédé est automatisé et l'outil se déplace suivant une trajectoire définie préalablement, permettant de disposer une ou plusieurs épaisseurs de bande (2) dans une zone (4), puis de poursuivre, après découpe, en disposant des bandes dans une autre zone (4) à renforcer. Le procédé de dépose de bande est donc discontinu, dans le sens où l'outil ne dépose pas une bande en continue, mais au contraire, dépose des 10 morceaux de bandes (2), à différentes endroits de la pièce (1). Un tel outil permet de draper in situ la bande (2) sur des formes complexes de la pièce (1), tout en réduisant l'intervention humaine, améliorant ainsi la productivité. Il est possible de produire en grande quantité des pièces renforcées avec un temps de cycle réduit.
15 L'invention concerne également une pièce (1) de véhicule automobile issue du procédé selon l'invention. Ainsi, l'invention concerne une pièce (1) réalisée par moulage de matière thermoplastique chargée et comprenant au moins un élément de renforcement. L'élément de renforcement est un ensemble de bandes (2) discontinues 20 de fibres (3) continues unidirectionnelles imprégnées de résine thermoplastique (RTP), rapporté en surface de la pièce (1). De préférence, les fibres (3) des bandes sont orientées selon des directions privilégiées correspondant aux contraintes « principales » des efforts de la zone de concentration d'efforts.
25 Selon des exemples de réalisation, la pièce (1) est une pièce semi-structurelle, telle qu'un ouvrant de véhicule automobile, tel qu'un hayon, une portière latérale ou un capot. Il peut également s'agir d'une doublure d'un tel ouvrant (doublure intérieure de hayon, de porte latérale ou de capot).
30 Selon une première variante de réalisation, on dépose les bandes (2) directement dans le moule dans lequel la pièce (1) sera moulée, puis on ferme le moule et l'on injecte la matière thermoplastique (MTP) servant à fabriquer la pièce (1). Ainsi le procédé de fabrication d'une pièce (1) de véhicule automobile comporte les étapes suivantes : 35 - on dépose localement sur les parois d'un moule au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles, les bandes (2) étant déposées de façon non continue sur le moule dans au moins une 3029448 -8- zone, correspondant à une zone (4) de concentration d'efforts de la future pièce (1) moulée dans ledit moule ; - on ferme le moule, puis l'on injecte une matière thermoplastique (MTP) chargée, de façon à fabriquer la pièce (1).
5 L'étape de dépose de bandes (2) sur la surface de la pièce (1) moulée étant alors optionnelle. Selon une seconde variante de réalisation, on dépose les bandes (2) sur une préforme de façon à obtenir au moins un renfort préformé. Ainsi le procédé de fabrication d'une pièce (1) de véhicule automobile comporte les étapes suivantes : 10 - on dépose localement sur les parois d'une préforme au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles, les bandes (2) étant déposées de façon non continue sur la préforme dans au moins zone, correspondant à une zone (4) de concentration d'efforts de la future pièce (1) moulée dans ledit moule ; 15 - on positionne la ou les préformes ainsi obtenues dans un moule ; - on ferme le moule, puis l'on injecte une matière thermoplastique (MTP) chargée, de façon à fabriquer la pièce (1). L'étape de dépose de bandes (2) sur la surface de la pièce moulée étant alors optionnelle.

Claims (19)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (1) de véhicule automobile, dans lequel on réalise d'abord ladite pièce (1) par moulage de matière thermoplastique (MTP) chargée, caractérisé en ce que l'on renforce ensuite ladite pièce (1) ainsi moulée en positionnant localement et en surface de la dite pièce (1) au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles, et en ce que l'on dépose de façon non continue les bandes (2) sur ladite pièce (1) dans au moins une zone (4) de concentration d'efforts.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on dépose les bandes (2) en orientant les fibres (3) continues selon des directions privilégiées correspondant aux contraintes principales des efforts de la zone (4) de concentration d'efforts.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on dépose plusieurs bandes (2) les unes sur les autres.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise des bandes (2) de largeur inférieure à 1,3 centimètre.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise des bandes (2) comportant de la résine thermoplastique (RTP).
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on dépose des bandes (2) sans résine thermoplastique en même temps que l'on dépose une résine thermoplastique (RTP) chauffée.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel on utilise une résine thermoplastique (RTP) ayant une température de fusion sensiblement identique à la température de fusion de la matière thermoplastique (MTP) de la pièce.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel on chauffe la résine thermoplastique (RTP) et/ou on chauffe ladite zone (4) de la pièce, lors de l'étape de dépose desdites bandes (2).
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel la matière thermoplastique (MTP) est à base de polypropylène chargée de fibres de verre courtes, et la résine thermoplastique (RTP) est également à base de polypropylène.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise une matière thermoplastique (MTP) chargée de fibres de renfort et/ou de talc.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise des fibres de renfort seules ou en combinaison, parmi les fibres suivantes : fibre de verre, fibre de carbone, fibre naturelle.
  12. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pièce (1) est 3029448 1a une pièce semi-structurelle, telle qu'un ouvrant ou une doublure d'ouvrant.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la pièce (1) est une doublure intérieure de hayon, et la zone (4) de concentration d'efforts est choisie parmi l'un quelconque des éléments de l'ensemble constitué par une zone supérieure du 5 hayon de fixation d'une charnière (4a), une zone latérale du hayon de reprise d'efforts de vérins (4b), et une zone latérale inférieure du hayon de fixation de serrure(4c).
  14. 14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la pièce (1) est une doublure de porte latérale ou de capot. 10
  15. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de moulage de ladite pièce (1) dans un moule, on dépose localement sur des parois du moule au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles, les bandes (2) étant déposées de façon non continue sur le moule dans au moins une zone, 15 correspondant à une zone (4) de concentration d'efforts de la future pièce (1) moulée dans ledit moule, et l'étape de dépose de bandes sur la surface de la dite pièce est optionnelle.
  16. 16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de moulage de ladite pièce (1) dans un moule, on dépose 20 localement sur les parois d'une préforme au moins un élément de renforcement comportant des bandes (2) de fibres (3) continues unidirectionnelles, les bandes (2) étant déposées de façon non continue sur la préforme dans au moins une zone correspondant à une zone (4) de concentration d'efforts de la future pièce (1) moulée dans ledit moule, puis l'on positionne la préforme ainsi obtenue dans le 25 moule, et l'étape de dépose de bandes sur la surface de la dite pièce est optionnelle.
  17. 17. Pièce (1) de véhicule automobile, réalisée par moulage de matière thermoplastique (MTP) chargée et comprenant au moins un élément de renforcement dans au moins une zone (4) de concentration d'efforts, caractérisé en ce que l'élément de 30 renforcement est un ensemble de bandes (2) discontinues de fibres (3) continues unidirectionnelles imprégnées de résine thermoplastique (RTP) rapporté en surface de la dite pièce (1).
  18. 18. Pièce selon la revendication 17, dans laquelle les fibres (3) des bandes sont orientées selon des directions privilégiées correspondant à des contraintes 35 principales des efforts de la zone (4) de concentration d'efforts.
  19. 19. Pièce selon l'une des revendications 17 et 18, dans laquelle la pièce (1) est une pièce semi-structurelle, telle qu'un ouvrant ou une doublure d'ouvrant.
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