FR3095366A1 - Procédé et dispositif de fabrication d’une pièce composée d’un matériau stratifié - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce composée d’un matériau stratifié, ledit procédé comprenant : une étape de dépôt, à l’aide d’une filière d’extrusion, dudit matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle d’un moule, une étape de moulage de ladite pièce par compression dudit matériau stratifié entre ladite partie femelle et la partie male du moule. Figure 1

Description

Procédé et dispositif de fabrication d’une pièce composée d’un matériau stratifié
Le secteur technique de la présente invention concerne les procédés de fabrication de pièces composées d’un matériau stratifié.
Les matériaux stratifiés ont l’avantage de présenter une des qualités mécaniques accrues par rapport à un matériau unique. Ainsi, il est possible de fabriquer des pièces de matériau stratifié présentant une résistance importante aux forces de compression mais également aux forces de cisaillements.
Des procédés de fabrication de pièces composées de matériau stratifié sont connus parmi lesquels on peut citer l’impression 3D mais également les procédés de moulages tels que les procédés SMC (Sheet Molding Coumpound) et BMC (Bulk Molding Compound).
L’impression 3D permet de réaliser n’importe quelle pièce par exemple en modélisant une pièce à partir d’un fil d’un matériau stratifié. Durant l’impression 3D, il est possible que les couches successives du matériau stratifié ne se lient pas parfaitement entre elles ce qui peut créer des interstices dans la pièce. La pièce ainsi fabriquée présente des défauts de fabrication qui engendrent des zones de faiblesse mécanique dans la pièce. De plus, les procédés de fabrication de pièces par impression 3D sont relativement longs.
Généralement, la mise en forme de couches superposées d’un matériau stratifié dans un moule est le plus couramment faite à la main. Le temps d’application est extrêmement long ce qui affaiblit la cohésion des couches entre elles. La pièce ainsi moulée présente une résistance mécanique affaiblie.
Les procédés SMC et BMC sont également utilisés dans l’industrie car plus rapides. Cependant, pendant la compression le matériau stratifié déposé dans le moule doit se repartir le long de la paroi interne du moule ce qui crée des hétérogénéités dans la pièce dans le cas du procédé BMC. Dans le cas du procédé SMC, les inter-plis du matériau stratifié peuvent également se délaminer.
Il existe un besoin de disposer d’un procédé de fabrication rapide d’une pièce composée d’un matériau stratifié et présentant des propriétés mécaniques élevées tout en minimisant les défauts de fabrication.
L’invention concerne donc procédé de fabrication d’une pièce composée d’un matériau stratifié, ledit procédé comprenant :
  • une étape de dépôt, à l’aide d’une filière d’extrusion, dudit matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle d’un moule,
  • une étape de moulage de ladite pièce par compression dudit matériau stratifié entre ladite partie femelle et la partie male du moule.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dépôt du matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle est réalisé par un mouvement relatif entre la filière d’extrusion et la partie femelle du moule.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la partie femelle du moule est mobile dans les trois directions de l’espace par rapport à la filière d’extrusion.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, l’étape de dépôt est réalisée par dépôt de couches successives du matériau stratifié du fond de la partie femelle du moule vers son extrémité.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, le matériau stratifié est déposé sur la partie interne de la partie femelle de façon homogène en plis unidirectionnels ou croisés.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, un gaz ionisé est injecté dans la partie femelle du moule simultanément au dépôt du matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle du moule.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, l’étape de moulage est réalisée dans un moule à une température comprise entre 80°C et 120°C.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, le matériau stratifié est déposée par la filière d’extrusion sous la forme d’un fil bi-composant.
L’invention concerne également une pièce composée d’un matériau stratifié obtenue selon le procédé selon l’invention, le matériau stratifié étant un matériau bi-composant.
Avantageusement, le matériau stratifié se présente sous la forme d’un fil bi-composant constitué d’un cœur d’un premier composant entouré d’une gaine d’un deuxième composant.
Avantageusement encore, le premier composant est constitué par un matériau présentant des caractéristiques élastiques tel que le Polyéthylène téréphtalate additionné de fibres minérales et/ou végétales.
Avantageusement encore, le deuxième matériau est représenté par un polymère ou un élastomère présentant des caractéristiques d’absorption des chocs tel que le Polyéthylène, le polyéthylène basse densité ou le Polybutyral de vinyle ou le Polyuréthane.
L’invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, ledit dispositif comprenant au moins une partie femelle d’un moule, au moins une presse comprenant une partie mâle complémentaire de ladite au moins une partie femelle et au moins une filière d’extrusion d’un matériau stratifié dans ladite au moins une partie femelle du moule.
Avantageusement, le dispositif comprend également un réacteur plasma disposé de façon coaxiale par rapport à la au moins une filière d’extrusion.
Avantageusement encore, la au moins une partie femelle du moule est fixée sur un plateau mobile par rapport à la filière d’extrusion.
Avantageusement encore, la au moins une partie femelle est fixée sur le plateau mobile au moyen d’une pompe à vide créant une dépression entre ladite partie femelle et ledit plateau mobile.
Un avantage de la présente invention réside dans la fabrication d’une pièce comprenant un matériau stratifié présentant une résistance mécanique accrue.
Un autre avantage de la présente invention réside dans l’obtention d’une pièce composée d’un matériau stratifié non déstructuré.
Un autre avantage encore de la présente invention réside dans l’obtention d’une pièce composée d’un matériau stratifié réparti de façon homogène dans la pièce.
Un autre avantage encore de la présente invention réside dans la rapidité de réalisation du procédé selon l’invention.
Un autre avantage encore de la présente invention réside dans le dépôt homogène et parfaitement contrôlé d’un matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle d’un moule.
Un autre avantage de la présente invention réside dans la possibilité d’utilisation d’un nombre varié de fil de compositions différentes.
Un autre avantage réside dans la possibilité d’adapter la composition du fil en fonction de la résistance mécanique voulue pour la pièce finie.
Un autre avantage encore de la présente invention réside dans la composition du fil dont les composants présentent des propriétés mécano-thermiques complémentaires.
D’autres caractéristiques, avantages et détails de l’invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre en rapport avec les dessins dans lesquels :
est une vue de la filière d’extrusion en regard de la partie femelle du moule du dispositif de fabrication, et
est une vue de la presse en regard de la partie femelle du moule comprenant le matériau stratifié.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
Comme indiqué précédemment, l’invention repose sur la fabrication de pièces composées d’un matériau stratifié.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par matériau stratifié tout matériau comprenant au moins deux composants. Le matériau stratifié selon l’invention peut notamment se présenter sous la forme d’un matériau bi composant et plus particulièrement d’un fil bi-composant comprenant un cœur d’un premier composant entouré d’une gaine d’un deuxième composant. Le matériau stratifié selon l’invention peut également se présenter sous la forme d’un matériau comprenant au moins deux couches superposées d’au moins deux composants différents.
Le procédé selon l’invention comprend une étape de dépôt dudit matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle d’un moule. Le matériau stratifié est déposé à l’aide d’une filière d’extrusion. Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention, le matériau stratifié est déposé sous la forme d’un fil bi-composant. Le fil bi-composant est par exemple un fil bi-composant coaxial composé d’un cœur d’un premier composant entouré d’une gaine d’un deuxième composant.
Le premier composant peut être un composant présentant des caractéristiques élastiques élevées. Les composants susceptibles d’être utilisés comme premier composant sont les polymères thermoplastiques extrudables parmi lesquels on peut citer le Polyéthylène téréphtalate, additionné ou non de fibres minérales et/ou végétales. Par polymère thermoplastique extrudable on entend les polymères dont les caractéristiques thermomécaniques permettent leur extrusion par une filière d’extrusion par exemple.
Le deuxième composant peut être un composant présentant des caractéristiques d’absorption des chocs physiques élevés. Les composants susceptibles d’être utilisés comme deuxième composant sont les composés choisis parmi le groupe des polymères ou des élastomères parmi lesquels on peut citer le Polyéthylène, le Polyéthylène basse densité, le Polyuréthane, le Polybutyral de Vinyle.
Dans ce mode de réalisation du procédé selon l’invention, les deux composants du fil bi-composant sont extrudés simultanément par la filière d’extrusion. Le fil bi-composant est ainsi formé à la sortie de la filière d’extrusion et est directement déposé sur la partie interne de la partie femelle du moule.
De manière à déposer uniformément le matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle du moule, le dépôt est réalisé par un mouvement relatif entre la filière d’extrusion et la partie femelle du moule. Cela permet de contrôler de façon précise le dépôt du matériau stratifié. Selon un mode de réalisation du procédé selon l’invention, la partie femelle du moule est mobile dans les trois directions de l’espace par rapport à la filière d’extrusion. Selon un mode de réalisation, la partie femelle du moule est animée de mouvements dans les trois directions de l’espace selon un profil défini par un programme de commande numérique.
Ainsi, le procédé selon l’invention permet en outre le dépôt de couches successives selon toutes les configurations possibles. Par exemple, l’étape de dépôt est réalisée par dépôt de couches successives de matériau stratifié du fond de la partie femelle du moule vers son extrémité. Le matériau stratifié est ainsi déposé sur la partie interne de la partie femelle de façon homogène. Par exemple, le matériau stratifié est déposé en plis unidirectionnels horizontaux ou verticaux par rapport au fond de la partie femelle du moule. Le matériau peut également être déposé de façon croisé. Cela permet de maitriser de façon précise l’agencement des fils du matériau stratifié dans la pièce et à terme, la résistance mécanique de la pièce finie. On peut par exemple prévoir un ou plusieurs passages permettant le dépôt d’une première couche de matériau stratifié sur la partie interne de la partie femelle du moule puis un deuxième dépôt de matériau sur la première couche. Cela permet de réaliser des pièces d’une grande complexité comprenant des épaisseurs différentes de matériau. Les pièces ainsi créées peuvent également présenter des zones de résistance mécanique plus élevée ainsi que des zones de faiblesse contrôlées selon la destination finale de la pièce.
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape supplémentaire consistant à injecter un gaz ionisé dans la partie femelle du moule simultanément au dépôt du matériau stratifié. Le gaz ionisé injecté présente une température comprise entre 150°C et 250°C. L’injection du gaz ionisé est par exemple réalisée à l’aide d’un réacteur plasma. Cette étape permet d’assurer une bonne liaison entre les couches successives du matériau stratifié lors de son dépôt dans la partie femelle.
Une fois les étapes décrites précédemment réalisées, la partie femelle du moule comprenant le matériau stratifié est mise en regard d’une presse comprenant la partie male du moule. L’étape de moulage de la pièce est réalisée par compression du matériau stratifié entre ladite partie femelle du moule et la partie male du moule.
Toutes les étapes du peuvent être réalisées à l’aide d’un moule thermorégulé. La partie femelle du moule, lors de l’étape de dépôt mais également lors de l’étape de moulage peut présenter une température comprise entre 80°C et 120°C. Il va de soi que la partie mâle présente la même température que la partie femelle lors d l’étape de moulage. La température du moule est définie selon les caractéristiques du matériau stratifié utilisé et notamment sa température de fusion. On notera également que le matériau stratifié en sortie de la filière d’extrusion présente une température comprise entre 230°C et 285°C. La température dépend du matériau stratifié utilisé et notamment de sa température de fusion.
Ainsi, le procédé selon l’invention permet la fabrication d’une pièce selon un laps de temps compris entre 30 secondes et 60 secondes.
On a représenté sur les figures 1 et 2 un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
Le dispositif de fabrication d’une pièce composée d’un matériau stratifié selon invention comprend en outre un poste de dépôt, représenté sur la figure 1, du matériau stratifié 9 dans une partie femelle 1 d’un moule. Il comprend également un poste de moulage de la pièce représentée sur la figure 2.
Ainsi, le dispositif comprend au moins une partie femelle 1 d’un moule présentant une paroi interne, un fond et une extrémité ouverte. Le dispositif comprend également au moins une filière d’extrusion 4du matériau stratifié 9 dans ladite au moins une partie femelle 1 du moule. Le dispositif comprend également au moins une presse 2 comprenant la partie mâle 3 complémentaire de ladite au moins une partie femelle 1.
Au niveau du poste de dépôt représenté sur la figure 1, la partie femelle 1 du moule est située en regard de la filière d’extrusion 4 ce qui permet le dépôt de la matière stratifié 9 sur les parois interne de la partie femelle 1. Optionnellement, le dispositif comprend un réacteur plasma 5 disposé de façon coaxiale par rapport à la filière d’extrusion 4. Comme expliqué précédemment, le réacteur plasma 5 permet l’injection d’un gaz ionisé dans la partie femelle 1 de façon à faciliter la cohésion des couches du matériau stratifié. Préférentiellement, la température du gaz ionisé est située entre 150°C et 250°C.
Selon un mode de réalisation du dispositif selon l’invention, la partie femelle 1 est fixée de façon amovible sur un plateau mobile 6 par rapport à la filière d’extrusion 4. Cela permet d’imposer un mouvement à la partie femelle 1 de sorte à déposer le matériau stratifié de la façon souhaitée. La fixation de la partie femelle 1 peut être réalisée en créant une dépression entre cette partie femelle 1 et le plateau mobile 6. Cette dépression est réalisée en disposant une pompe en vide 7 en regard d’un orifice 8 du plateau mobile 6. L’orifice 8 débouche sur une chambre 10 située entre le plateau mobile 6 et la partie femelle 1. Dans la chambre 10 se créée une dépression par l’intermédiaire de la pompe à vide 7.
Outre sa fonction de fixation de la partie femelle 1 sur le plateau mobile 6, la pompe à vide 7 permet également de créer une surpression dans la chambre 10 et ainsi de détacher la partie femelle 1 du plateau mobile 6. Ainsi, une fois le dépôt du matériau stratifié 9 effectué, la pompe à vide est fournit alors de l’air dans la chambre 10 et la partie femelle 1 n’est plus fixée au plateau mobile 6.
Il est alors possible de transférer la partie femelle 1 contenant le matériau stratifié 9 au niveau du poste de moulage du dispositif. Ce transfert est réalisé sur tapis roulant ou par transfert sur coussin d’air par exemple.
On distingue alors sur la figure 2 la partie femelle 1 du moule comprenant le matériau stratifié 9 en regard de la partie male 3 du moule complémentaire de la partie femelle 1. La partie mâle est solidaire d’une presse 2 et le moulage de la pièce peut alors être effectué par compression du matériau stratifié9entre ladite partie femelle 1 et la partie male 3du moule.
Il va de soi que le dispositif décrit n’est pas limitatif et que l’homme du métier peut envisager d’autres modes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention. On peut notamment concevoir un dispositif comprenant plusieurs parties femelles 1 chacune disposée en regard d’une filière d’extrusion 4 puis transférée en regard de plusieurs parties mâles 3.

Claims (16)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce composée d’un matériau stratifié, ledit procédé comprenant :
    • une étape de dépôt, à l’aide d’une filière d’extrusion, dudit matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle d’un moule,
    • une étape de moulage de ladite pièce par compression dudit matériau stratifié entre ladite partie femelle et la partie male du moule.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt du matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle est réalisé par un mouvement relatif entre la filière d’extrusion et la partie femelle du moule.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie femelle du moule est mobile dans les trois directions de l’espace par rapport à la filière d’extrusion.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de dépôt est réalisée par dépôt de couches successives du matériau stratifié du fond de la partie femelle du moule vers son extrémité.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau stratifié est déposé sur la partie interne de la partie femelle de façon homogène en plis unidirectionnels ou croisés.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un gaz ionisé est injecté dans la partie femelle du moule simultanément au dépôt du matériau stratifié sur la paroi interne de la partie femelle du moule.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de moulage est réalisée dans un moule à une température comprise entre 80°C et 120°C.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau stratifié est déposée par la filière d’extrusion sous la forme d’un fil bi-composant.
  9. Pièce composée d’un matériau stratifié obtenue selon le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau stratifié est un matériau bi-composant.
  10. Pièce selon la revendication 9, caractérisée en ce que le matériau stratifié se présente sous la forme d’un fil bi-composant constitué d’un cœur d’un premier composant entouré d’une gaine d’un deuxième composant.
  11. Pièce selon la revendication 10, caractérisée en ce que le premier composant est constitué par un matériau présentant des caractéristiques élastiques tel que le Polyéthylène téréphtalate additionné de fibres minérales et/ou végétales.
  12. Pièce selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le deuxième matériau est représenté par un polymère ou un élastomère présentant des caractéristiques d’absorption des chocs tel que le Polyéthylène, le polyéthylène basse densité ou le Polybutyral de vinyle ou le Polyuréthane.
  13. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une partie femelle (1) d’un moule, au moins une presse (2) comprenant une partie mâle (3) complémentaire de ladite au moins une partie femelle (1) et au moins une filière d’extrusion (4) d’un matériau stratifié(9) dans ladite au moins une partie femelle (1) du moule.
  14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu’il comprend également un réacteur plasma (5) disposé de façon coaxiale par rapport à la au moins une filière d’extrusion (4).
  15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la au moins une partie femelle (1) du moule est fixée sur un plateau mobile (6) par rapport à la filière d’extrusion (4).
  16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la au moins une partie femelle (1) est fixée sur le plateau mobile (6) au moyen d’une pompe à vide (7) créant une dépression entre ladite partie femelle(1) et ledit plateau mobile (6).
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