FR3137324A1 - Assembly of a metal part and a composite material part - Google Patents
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Abstract
Assemblage d’une pièce métallique et d’une pièce en matériau composite Procédé d’assemblage d’une pièce métallique (12) et d’une pièce en matériau composite (1) à matrice polymère thermoplastique à l’aide d’un outillage (10) comportant une première (11) et une deuxième partie (13) et pouvant prendre des configurations ouverte et fermée, le procédé comportant les étapes suivantes : positionner la pièce métallique (12) dans la première partie (11) de l’outillage (10) en configuration ouverte,positionner la pièce en matériau composite (1) entre la pièce métallique (12) et la deuxième partie (13) de l’outillage, la pièce en matériau composite (1) et la pièce métallique (12) ayant à ce stade du procédé des faces (4, 15) en regard de formes non entièrement correspondantes, amener l’outillage (10) en configuration fermée pour rapprocher la deuxième partie de la première et déformer plastiquement la pièce en matériau composite (1) sur et à la forme de la pièce métallique (12), au moins un agent de liaison (5, 22) étant présent entre la pièce métallique (12) et la pièce en matériau composite (1) avant la fermeture de l’outillage (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 3Assembly of a metal part and a part made of composite material Method of assembling a metal part (12) and a part of composite material (1) with a thermoplastic polymer matrix using tools ( 10) comprising a first (11) and a second part (13) and capable of taking open and closed configurations, the method comprising the following steps: position the metal part (12) in the first part (11) of the tooling ( 10) in open configuration, position the composite material part (1) between the metal part (12) and the second part (13) of the tooling, the composite material part (1) and the metal part (12) having at this stage of the process of the faces (4, 15) facing shapes that are not entirely corresponding, bring the tooling (10) into a closed configuration to bring the second part closer to the first and plastically deform the composite material part (1) on and the shape of the metal part (12), at least one bonding agent (5, 22) being present between the metal part (12) and the composite material part (1) before the tooling (10) is closed ). Figure for abstract: Fig. 3
Description
La présente invention concerne l’assemblage d’une pièce métallique et d’une pièce en matériau composite à matrice polymère thermoplastique, en particulier pour l’industrie automobile.The present invention relates to the assembly of a metal part and a part made of composite material with a thermoplastic polymer matrix, in particular for the automobile industry.
Pour ajouter un renfort en matériau composite à matrice polymère thermoplastique sur une pièce métallique, il est connu de coller le renfort composite sur la pièce métallique, ce renfort étant mis en forme avant le collage, comme présenté dans la demande WO 2014173669.To add a reinforcement made of composite material with a thermoplastic polymer matrix to a metal part, it is known to glue the composite reinforcement to the metal part, this reinforcement being shaped before bonding, as presented in application WO 2014173669.
Un tel procédé comporte une étape de mise en forme de la pièce composite et une étape subséquente de collage, qui nécessite un outillage supplémentaire. Ainsi, la mise en œuvre du procédé est relativement longue et mobilise différents outillages, ce qui se répercute sur le coût de fabrication et réduit la capacité de production.Such a process includes a step of shaping the composite part and a subsequent bonding step, which requires additional tooling. Thus, the implementation of the process is relatively long and requires different tools, which has an impact on the manufacturing cost and reduces production capacity.
De plus, les formes de la pièce métallique et du renfort peuvent ne pas se correspondre totalement en raison des tolérances de fabrication, ce qui peut générer des défauts dans la qualité des assemblages, voire des rebuts.In addition, the shapes of the metal part and the reinforcement may not completely match due to manufacturing tolerances, which can generate defects in the quality of the assemblies, or even rejects.
Il existe un besoin pour bénéficier d’un nouveau procédé d’assemblage d’une pièce métallique et d’une pièce en matériau composite à matrice polymère thermoplastique qui soit simple à mettre en œuvre tout en produisant un assemblage de bonne qualité.There is a need to benefit from a new process for assembling a metal part and a part made of composite material with a thermoplastic polymer matrix which is simple to implement while producing a good quality assembly.
La présente invention y répond grâce à, selon l’un de ses aspects, un procédé d’assemblage d’une pièce métallique et d’une pièce en matériau composite à matrice polymère thermoplastique à l’aide d’un outillage comportant une première partie et une deuxième partie et pouvant prendre des configurations ouverte et fermée, le procédé comportant les étapes suivantes :
- positionner la pièce métallique dans la première partie de l’outillage en configuration ouverte,
- positionner la pièce en matériau composite entre la pièce métallique et la deuxième partie de l’outillage, la pièce en matériau composite et la pièce métallique ayant à ce stade du procédé des faces en regard de formes non entièrement correspondantes,
- amener l’outillage en configuration fermée pour rapprocher la deuxième partie de la première et déformer plastiquement la pièce en matériau composite sur et à la forme de la pièce métallique, au moins un agent de liaison étant présent entre la pièce métallique et la pièce en matériau composite avant la fermeture de l’outillage.The present invention responds to this thanks to, according to one of its aspects, a method of assembling a metal part and a part made of composite material with a thermoplastic polymer matrix using tooling comprising a first part and a second part which can take open and closed configurations, the method comprising the following steps:
- position the metal part in the first part of the tool in open configuration,
- position the composite material part between the metal part and the second part of the tooling, the composite material part and the metal part having at this stage of the process facing faces of shapes that are not entirely corresponding,
- bring the tooling into a closed configuration to bring the second part closer to the first and plastically deform the composite material part on and to the shape of the metal part, at least one bonding agent being present between the metal part and the metal part composite material before closing the tooling.
Par «faces en regard de formes non entièrement correspondantes», il faut comprendre que les pièces présentent des faces qui ne sont pas de formes identiques et en particulier ne s’étendent pas parallèlement l’une par rapport à l’autre. La face de la pièce en matériau composite présente par exemple une forme généralement plane, provisoire, tandis que la pièce métallique peut avoir sa forme définitive, qui est par exemple non plane.By “ facing faces of not entirely corresponding shapes ”, it is necessary to understand that the parts have faces which are not of identical shapes and in particular do not extend parallel to each other. The face of the composite material part has for example a generally planar, provisional shape, while the metal part can have its final shape, which is for example non-planar.
Grâce à l’invention, la mise en forme de la pièce en matériau composite et son assemblage sur la pièce métallique est réalisé en une seule opération et avantageusement avec un unique outillage.Thanks to the invention, the shaping of the composite material part and its assembly on the metal part is carried out in a single operation and advantageously with a single tool.
De plus, dans la présente invention, la mise en forme de la pièce en matériau composite est réalisée directement sur ou dans la pièce métallique. La pièce en matériau composite ainsi déformée a donc une forme qui s’adapte parfaitement à la pièce métallique, même dans l’éventualité de légères variations de forme d’une pièce métallique à une autre.Furthermore, in the present invention, the shaping of the composite material part is carried out directly on or in the metal part. The composite material part thus deformed therefore has a shape which adapts perfectly to the metal part, even in the event of slight variations in shape from one metal part to another.
Avantageusement, le procédé est dépourvu d’étape de correction d’état de surface, d’usinage ou d’ébavurage de l’assemblage, après l’étape de déformation de la pièce en matériau composite sur la pièce métallique.Advantageously, the method does not include a step of correcting the surface condition, machining or deburring the assembly, after the step of deforming the composite material part on the metal part.
Lors de la fermeture de l’outillage, l’une des parties de moule peut rester fixe tandis que l’autre se rapproche de celle-ci.When closing the tool, one of the mold parts can remain fixed while the other moves closer to it.
La première partie est par exemple déplacée tandis que la deuxième est fixe. Dans ce cas, la pièce en matériau composite peut être positionnée sur la deuxième partie lors de l’étape de positionnement, la pièce en matériau composite et la deuxième partie ayant à ce stade du procédé des faces en regard de formes non entièrement correspondantes.The first part is for example moved while the second is fixed. In this case, the part made of composite material can be positioned on the second part during the positioning step, the part made of composite material and the second part having at this stage of the process facing faces of shapes that are not entirely corresponding.
La pièce en matériau composite peut être positionnée et tendue dans un cadre de transfert. Cela peut permettre de tendre les fibres de la pièce en composite ce qui peut limiter la création de plissements ou de défauts lors de la déformation de la pièce en matériau composite.The composite material part can be positioned and tensioned in a transfer frame. This can make it possible to tighten the fibers of the composite part, which can limit the creation of wrinkles or defects during deformation of the composite material part.
En variante, lors de la fermeture de l’outillage, la deuxième partie est déplacée et la première partie est fixe ou est mobile.Alternatively, when closing the tool, the second part is moved and the first part is fixed or movable.
La première partie peut être au moins partiellement à la forme de la pièce métallique. De préférence, la première partie de l’outillage épouse sensiblement la forme de la face de la pièce métallique opposée à la deuxième partie. Cela permet à la première partie d’exercer une pression distribuée sur l’ensemble de la pièce métallique lors de la fermeture de l’outillage, et ainsi de limiter la déformation de la pièce métallique.The first part can be at least partially in the shape of the metal part. Preferably, the first part of the tooling substantially matches the shape of the face of the metal part opposite the second part. This allows the first part to exert a distributed pressure on the entire metal part when closing the tool, and thus limit the deformation of the metal part.
La deuxième partie est de préférence au moins partiellement à la forme désirée de la pièce en matériau composite après l’étape de déformation, idéalement exactement à la forme.The second part is preferably at least partially in the desired shape of the composite material part after the deformation step, ideally exactly in shape.
La pièce en matériau composite peut comporter un renfort fibreux constitué de fibres choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres d’aramide, les fibres naturelles, par exemple les fibres de lin ou les fibres de chanvre.The composite material part may include a fibrous reinforcement consisting of fibers chosen from the group consisting of carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, natural fibers, for example flax fibers or hemp fibers. .
La pièce en matériau composite peut comporter un renfort fibreux comportant des fibres continues et/ou courtes et/ou longues.The composite material part may include fibrous reinforcement comprising continuous and/or short and/or long fibers.
La matrice polymère thermoplastique peut comporter du polyphtalamide (PPA), du polyamide (PA), du polypropylène (PP), du polyéthylène téréphtalate (PET), du polyéthylène (PE), du polystyrène (PS), du polyaryléthercétone (PAEK), du polyétheréthercétone (PEEK), du polyéthercétonecétone (PEKK), du polysulfure de phénylène (PPS) et/ou du polyétherimide (PEI), et/ou un mélange de ces matériaux.The thermoplastic polymer matrix may comprise polyphthalamide (PPA), polyamide (PA), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polystyrene (PS), polyaryletherketone (PAEK), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK), polyphenylene sulfide (PPS) and/or polyetherimide (PEI), and/or a mixture of these materials.
La pièce en matériau composite peut avoir une épaisseur inférieure à 10 mm, notamment comprise entre 1 mm et 7 mm, de préférence entre 2 mm et 4 mm.The composite material part may have a thickness less than 10 mm, in particular between 1 mm and 7 mm, preferably between 2 mm and 4 mm.
Avant l’étape de déformation, la pièce en matériau composite peut être sensiblement plane, voire complètement plane, ce qui peut simplifier sa fabrication.Before the deformation step, the composite material part can be substantially flat, or even completely flat, which can simplify its manufacturing.
La pièce en matériau composite peut servir de renfort mécanique à la pièce métallique, et/ou apporter des fonctions supplémentaires, par exemple pour permettre la fixation sur l’assemblage d’autres éléments.The composite material part can serve as mechanical reinforcement for the metal part, and/or provide additional functions, for example to allow attachment to the assembly of other elements.
La pièce en matériau composite avant déformation peut être non-consolidée ou partiellement consolidée, avant la mise en œuvre du procédé. Une pièce en matériau composite partiellement consolidée peut être fabriquée par un procédé de drapage automatisé, notamment à plat, à partir de plis préimprégnés de résine thermoplastique.The composite material part before deformation may be unconsolidated or partially consolidated, before implementing the process. A partially consolidated composite material part can be manufactured by an automated draping process, in particular flat, from plies pre-impregnated with thermoplastic resin.
Le procédé peut comporter une étape de chauffage de la pièce en matériau composite non-consolidée ou partiellement consolidée préalablement à la fermeture de l’outillage, notamment préalablement au positionnement de la pièce en matériau composite dans l’outillage, à une température supérieure à la température de fusion de la matrice polymère thermoplastique.The method may include a step of heating the unconsolidated or partially consolidated composite material part prior to closing the tooling, in particular prior to positioning the composite material part in the tooling, to a temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic polymer matrix.
Cette étape de chauffage permet de fondre le polymère thermoplastique de la pièce en matériau composite.This heating step melts the thermoplastic polymer of the composite material part.
Le chauffage peut être réalisé dans une zone de chauffage, notamment dans une étuve, un four infrarouge et/ou un four à induction.Heating can be carried out in a heating zone, in particular in an oven, an infrared oven and/or an induction oven.
L’outillage peut être chauffé à une température inférieure à la température de fusion de la matrice polymère thermoplastique, notamment être chauffé à la température de cristallisation de la matrice polymère thermoplastique. Une telle température permet à la fois de ralentir la vitesse de refroidissement de la pièce en matériau composite tout en favorisant la cristallisation de la matrice polymère thermoplastique. Avoir une bonne cristallisation de la matrice polymère thermoplastique permet, par exemple, d’améliorer les caractéristiques mécaniques de celle-ci.The tooling can be heated to a temperature below the melting temperature of the thermoplastic polymer matrix, in particular be heated to the crystallization temperature of the thermoplastic polymer matrix. Such a temperature makes it possible to both slow down the cooling rate of the composite material part while promoting the crystallization of the thermoplastic polymer matrix. Having good crystallization of the thermoplastic polymer matrix makes it possible, for example, to improve its mechanical characteristics.
La fermeture des deux parties de l’outillage, dans lequel la pièce en matériau composite a été positionnée, permet à la fois de déformer la pièce en matériau composite afin qu’elle ait sa forme finale, de consolider la pièce en matériau composite afin d’obtenir une bonne santé-matière, ou bonne qualité de la pièce et de créer une adhésion entre la pièce en matériau composite et la pièce métallique.Closing the two parts of the tool, in which the composite material part has been positioned, allows both to deform the composite material part so that it has its final shape, and to consolidate the composite material part in order to to obtain good material health, or good quality of the part and to create adhesion between the composite material part and the metal part.
Le procédé peut comporter, préalablement au chauffage de la pièce en matériau composite, une étape d’application d’une protection sur au moins une face, de préférence l’ensemble des faces, de la pièce en matériau composite.The method may include, prior to heating the composite material part, a step of applying protection to at least one face, preferably all of the faces, of the composite material part.
De préférence, la protection forme un isolant thermique, notamment pour le transfert de la pièce en matériau composite entre la zone de chauffage et l’outillage. Un tel isolant thermique permet de limiter les pertes de chaleur de la pièce en matériau composite et favorise ainsi une bonne répartition de la chaleur dans la pièce en matériau composite, notamment au moment de la fermeture des deux parties de l’outillage, en particulier au niveau des surfaces extérieures, par exemple formées par des plis, de la pièce en matériau composite. En effet, ces surfaces extérieures sont plus exposées aux transferts thermiques.Preferably, the protection forms a thermal insulator, in particular for the transfer of the composite material part between the heating zone and the tooling. Such a thermal insulator makes it possible to limit heat losses from the composite material part and thus promotes good heat distribution in the composite material part, in particular when closing the two parts of the tool, in particular at the level of the exterior surfaces, for example formed by folds, of the composite material part. In fact, these exterior surfaces are more exposed to heat transfer.
Une telle protection, notamment un tel isolant thermique, permet également d’améliorer la qualité de la pièce en matériau composite ainsi consolidée, c’est-à-dire qu’après consolidation la porosité de la matrice polymère thermoplastique est faible, par exemple inférieure à 2%, qu’il y a une bonne cicatrisation des plis entre eux, qu’il n’y a pas de délaminages, qu’il y a une répartition homogène de la matrice polymère thermoplastique et que l’état de surface extérieur est correct.Such protection, in particular such a thermal insulator, also makes it possible to improve the quality of the composite material part thus consolidated, that is to say that after consolidation the porosity of the thermoplastic polymer matrix is low, for example lower at 2%, that there is good healing of the folds between them, that there is no delamination, that there is a homogeneous distribution of the thermoplastic polymer matrix and that the exterior surface condition is correct.
Dans le cas où la pièce en matériau composite est composée d’un ensemble de plis, l’utilisation de la protection, notamment de l’isolant thermique, permet de réduire le risque de déconsolidation de plis lors du chauffage.In the case where the composite material part is made up of a set of plies, the use of protection, in particular thermal insulation, makes it possible to reduce the risk of deconsolidation of plies during heating.
Le procédé peut comporter, entre l’étape de chauffage et l’étape de positionnement de la pièce en matériau composite dans l’outillage, une étape de transfert de la pièce en matériau composite entre une zone de chauffage et l’outillage.The method may include, between the heating step and the step of positioning the composite material part in the tooling, a step of transferring the composite material part between a heating zone and the tooling.
La protection, notamment l’isolant thermique, peut être au moins partiellement, notamment totalement, conservée sur la pièce en matériau composite pendant l’étape de transfert.The protection, in particular the thermal insulation, can be at least partially, in particular completely, retained on the composite material part during the transfer step.
La protection, notamment l’isolant thermique, peut être au moins partiellement, notamment totalement, conservée sur la pièce en matériau composite pendant l’étape de déformation.The protection, in particular the thermal insulation, can be at least partially, in particular completely, retained on the composite material part during the deformation stage.
De préférence, au moins la protection, notamment l’isolant thermique, disposée sur la ou les faces de la pièce en matériau composite destinées à être en opposition (c’est-à-dire du côté opposé) avec la pièce métallique après l’étape de déformation est conservée pendant l’étape de transfert et l’étape de déformation.Preferably, at least the protection, in particular the thermal insulator, arranged on the face or faces of the composite material part intended to be in opposition (that is to say on the opposite side) with the metal part after the deformation step is retained during the transfer step and the deformation step.
La conservation de la protection pendant le transfert et/ou pendant l’étape de déformation, permet de protéger la pièce de l’environnement extérieur, par exemple des chocs ou des polluants.Maintaining the protection during the transfer and/or during the deformation stage allows the part to be protected from the external environment, for example from shocks or pollutants.
Le cas échéant, la conservation de la protection, lorsqu’elle constitue un isolant thermique, pendant le transfert et/ou pendant l’étape de déformation, permet de réduire la vitesse de refroidissement de la pièce en matériau composite, ce qui améliore considérablement la qualité de la pièce en matériau composite déformée après refroidissement.Where appropriate, retaining the protection, when it constitutes a thermal insulator, during the transfer and/or during the deformation stage, makes it possible to reduce the cooling speed of the composite material part, which considerably improves the quality of the composite material part deformed after cooling.
En variante, au moins une partie de la protection, notamment l’isolant thermique, est retirée de la pièce en matériau composite pendant ou à la fin de l’étape de transfert, notamment sur la ou les faces de la pièce en matériau composite destinées à être en regard de la pièce métallique après l’étape de déformation.Alternatively, at least part of the protection, in particular the thermal insulator, is removed from the composite material part during or at the end of the transfer step, in particular on the face or faces of the composite material part intended to be facing the metal part after the deformation step.
La protection, notamment l’isolant thermique, peut comporter au moins un film en matériau polymère recouvrant au moins partiellement une ou plusieurs faces de la pièce en matériau composite.The protection, in particular the thermal insulation, may comprise at least one film of polymer material covering at least partially one or more faces of the part of composite material.
Le film a de préférence une épaisseur comprise entre 25 µm et 200 µm.The film preferably has a thickness of between 25 µm and 200 µm.
En variante, la protection, notamment l’isolant thermique, est appliquée sous une forme fluide sur la pièce en matériau composite.Alternatively, the protection, in particular the thermal insulation, is applied in a fluid form to the composite material part.
La protection, notamment l’isolant thermique, peut comporter au moins un matériau polymère miscible avec la matrice polymère thermoplastique, notamment un film en un tel matériau.The protection, in particular the thermal insulation, may comprise at least one polymer material miscible with the thermoplastic polymer matrix, in particular a film made of such a material.
Le matériau polymère miscible peut être disposé sur une face de la pièce en matériau composite destinée à être en regard de la pièce métallique après l’étape de déformation, le matériau miscible sur cette face formant alors au moins partiellement, notamment en totalité, l’agent de liaison.The miscible polymer material can be placed on one face of the composite material part intended to face the metal part after the deformation step, the miscible material on this face then forming at least partially, in particular entirely, the liaison agent.
Le matériau polymère miscible peut être un matériau compris dans la matrice polymère thermoplastique. Par exemple, si la matrice polymère thermoplastique comporte du polyphtalamide, le matériau polymère miscible peut être en polyphtalamide. Dans un autre exemple si la matrice polymère thermoplastique comporte un polymère de la famille des polyaryléthercétones (PAEK), le matériau polymère miscible peut être du polyétheréthercétone (PEEK) et/ou du polyéthercétonecétone (PEKK). Le matériau miscible peut être disposé sur l’ensemble des faces de la pièce en matériau composite.The miscible polymer material may be a material included in the thermoplastic polymer matrix. For example, if the thermoplastic polymer matrix comprises polyphthalamide, the miscible polymer material may be polyphthalamide. In another example, if the thermoplastic polymer matrix comprises a polymer from the polyaryletherketone (PAEK) family, the miscible polymer material may be polyetheretherketone (PEEK) and/or polyetherketoneketone (PEKK). The miscible material can be placed on all the faces of the composite material part.
La protection, notamment l’isolant thermique, peut comporter au moins un matériau polymère non-miscible avec la matrice polymère thermoplastique ou dont la température de fusion ou de dégradation est supérieure à celle de la matrice polymère thermoplastique, par exemple un polyimide, notamment un film en un tel matériau, de préférence disposé sur une face de la pièce en matériau composite destinée à être en opposition avec la pièce métallique après l’étape de déformation, notamment l’ensemble de ses faces.The protection, in particular the thermal insulator, may comprise at least one polymer material which is immiscible with the thermoplastic polymer matrix or whose melting or degradation temperature is higher than that of the thermoplastic polymer matrix, for example a polyimide, in particular a film of such a material, preferably placed on one face of the part of composite material intended to be in opposition to the metal part after the deformation step, in particular all of its faces.
Une protection, notamment un isolant thermique, miscible peut permettre de créer un enrichissement de surface, c’est-à-dire apporter un supplément de matériau polymère dans la matrice de la pièce en matériau composite. Cela permet de faciliter l’adhésion des deux pièces et d’augmenter la ténacité de l’interface.A miscible protection, in particular a thermal insulator, can create surface enrichment, that is to say, provide additional polymer material in the matrix of the composite material part. This facilitates the adhesion of the two parts and increases the toughness of the interface.
Le matériau non-miscible peut être disposé sur l’ensemble des faces de la pièce en matériau composite lors de l’étape de chauffage.The immiscible material can be placed on all the faces of the composite material part during the heating step.
Après l’étape de déformation, le matériau polymère non-miscible peut être retiré de la pièce en matériau composite.After the deformation step, the immiscible polymer material can be removed from the composite material part.
La protection, notamment l’isolant thermique, peut comporter au moins un matériau polymère miscible avec la matrice polymère thermoplastique, notamment un film en un tel matériau, disposé sur la ou les faces de la pièce en matériau composite destinées à être en regard de la pièce métallique après l’étape de déformation, et au moins un matériau polymère non-miscible avec la matrice polymère thermoplastique ou dont la température de fusion ou de dégradation est supérieure à celle de la matrice polymère thermoplastique, notamment un film en un tel matériau, disposé sur la ou les faces de la pièce en matériau composite destinées à être en opposition avec la pièce métallique après l’étape de déformation.The protection, in particular the thermal insulator, may comprise at least one polymer material miscible with the thermoplastic polymer matrix, in particular a film of such a material, placed on the face or faces of the composite material part intended to face the metal part after the deformation step, and at least one polymer material immiscible with the thermoplastic polymer matrix or whose melting or degradation temperature is higher than that of the thermoplastic polymer matrix, in particular a film made of such a material, arranged on the face or faces of the composite material part intended to be in opposition to the metal part after the deformation step.
Une protection, notamment un isolant thermique, disposé sur une face de la pièce en matériau composite destinée à être en regard de la pièce métallique après l’étape de déformation peut former une couche de protection contre la corrosion galvanique. Avantageusement la protection, notamment l’isolant thermique, en particulier sous forme de film, présente une épaisseur d’au moins 50 µm, avantageusement au moins 100 µm, pour protéger les pièces de l’assemblage de cette corrosion galvanique.A protection, in particular a thermal insulator, placed on one face of the composite material part intended to face the metal part after the deformation step can form a layer of protection against galvanic corrosion. Advantageously the protection, in particular the thermal insulation, in particular in the form of a film, has a thickness of at least 50 µm, advantageously at least 100 µm, to protect the parts of the assembly from this galvanic corrosion.
Sans protection, la vitesse de refroidissement des surfaces extérieures de la pièce en matériau composite, notamment formées par des plis, peut être comprise entre de 3°C/s à 10°C/s, ce qui baisse la température en surface sous la fenêtre de température idéale pour déformer la pièce en matériau composite. Grâce à la protection, la vitesse de refroidissement des surfaces extérieures de la pièce en matériau composite, notamment formées par des plis, peut être comprise entre 1°C/s à 3°C/s, ce qui garantit une température suffisamment élevée et permet une bonne consolidation de la pièce en matériau composites. Without protection, the cooling speed of the exterior surfaces of the composite material part, in particular formed by folds, can be between 3°C/s to 10°C/s, which lowers the surface temperature under the window. ideal temperature to deform the composite material part. Thanks to the protection, the cooling speed of the external surfaces of the composite material part, in particular formed by folds, can be between 1°C/s to 3°C/s, which guarantees a sufficiently high temperature and allows good consolidation of the composite material part.
La matrice polymère thermoplastique de la pièce en matériau composite peut être consolidée avant la mise en œuvre du procédé.The thermoplastic polymer matrix of the composite material part can be consolidated before implementing the process.
Le procédé peut comporter une étape de consolidation de l’assemblage de la pièce en matériau composite et de la pièce métallique après l’étape de déformation, notamment sous presse, autoclave et/ou étuve. Cette étape de consolidation permet d’améliorer la qualité de la pièce en matériau composite et de réduire les éventuelles contraintes mécaniques résiduelles dans celle-ci.The process may include a step of consolidating the assembly of the composite material part and the metal part after the deformation step, in particular under press, autoclave and/or oven. This consolidation step makes it possible to improve the quality of the composite material part and reduce any residual mechanical stresses therein.
La pièce métallique peut être un acier, notamment un acier AHSS (en anglais « advanced high strength steel »), notamment comportant du bore et du manganèse.The metal part can be a steel, in particular an AHSS steel (in English “advanced high strength steel”), in particular containing boron and manganese.
Par exemple, la pièce métallique peut être en acier 22MnB5, matériau très utilisé pour les pièces structurelles dans l’industrie automobile.For example, the metal part can be made of 22MnB5 steel, a material widely used for structural parts in the automobile industry.
La pièce métallique peut être tri-dimensionnelle.The metal part can be three-dimensional.
La pièce métallique peut être obtenue à partir d’un emboutissage à chaud d’une tôle métallique, notamment plane.The metal part can be obtained from hot stamping of a metal sheet, particularly a flat one.
La température d’emboutissage du métal utilisé pour réaliser la pièce métallique peut être supérieure à 800°C, notamment à 900°C pour un acier bore / manganèse. Cette température est largement supérieure à la température de fusion de la matrice polymère thermoplastique, qui est généralement inférieure à 400°C, et largement supérieure à la température de dégradation de ces mêmes polymères, qui est généralement inférieure à 450°C. Ces spécifications thermiques ne permettent pas un emboutissage et une déformation du composite en une seule et même étape, par exemple pour un acier Bore/Manganèse.The stamping temperature of the metal used to make the metal part can be higher than 800°C, in particular 900°C for a boron/manganese steel. This temperature is well above the melting temperature of the thermoplastic polymer matrix, which is generally below 400°C, and well above the degradation temperature of these same polymers, which is generally below 450°C. These thermal specifications do not allow stamping and deformation of the composite in a single step, for example for a Boron/Manganese steel.
La partie de la pièce métallique recouverte par la pièce en matériau composite déformée peut être peu ou pas déformée par la fermeture de l’outillage.The part of the metal part covered by the deformed composite material part may be little or not deformed by the closing of the tool.
La pièce métallique, lors de la fermeture de l’outillage, peut être froide ou à une température bien inférieure à sa température d’emboutissage, par exemple à une température permettant la cristallisation de la matrice polymère thermoplastique, inférieure à la température de fusion dudit polymère.The metal part, when the tool is closed, may be cold or at a temperature well below its stamping temperature, for example at a temperature allowing the crystallization of the thermoplastic polymer matrix, lower than the melting temperature of said polymer.
L’agent de liaison peut comporter une résine polymère thermodurcissable.The bonding agent may include a thermosetting polymer resin.
La réticulation de la résine polymère thermodurcissable peut être amorcée avant la fermeture de l’outillage. Cela permet d’augmenter la viscosité de la résine afin de limiter le fluage vers l’extérieur de celle-ci lors de la fermeture du moule. La réticulation ne doit toutefois pas être trop avancée avant la fermeture de l’outillage, afin de conserver une capacité de mise en œuvre.The crosslinking of the thermosetting polymer resin can be initiated before closing the tooling. This increases the viscosity of the resin in order to limit its outward creep when closing the mold. However, the reticulation must not be too advanced before closing the tool, in order to maintain processing capacity.
La réticulation de la résine polymère thermodurcissable peut être amorcée par la chaleur de l’outillage lorsque celui-ci est chauffé.The crosslinking of the thermosetting polymer resin can be initiated by the heat of the tooling when it is heated.
En variante, la réticulation de la résine polymère thermodurcissable peut être amorcée par un moyen externe, par exemple une lampe infrarouge ou UV.Alternatively, crosslinking of the thermosetting polymer resin may be initiated by an external means, for example an infrared or UV lamp.
Après la déformation de la pièce, l’outillage peut être maintenu fermé pendant la durée nécessaire à la réticulation de la résine polymère thermodurcissable, par exemple pendant 1 à 2 mn ou plus longtemps.After deformation of the part, the tooling can be kept closed for the time necessary for the crosslinking of the thermosetting polymer resin, for example for 1 to 2 minutes or longer.
L’agent de liaison peut être déposé sous forme fluide par extrusion et/ou pulvérisation.The bonding agent can be deposited in fluid form by extrusion and/or spraying.
L’agent de liaison peut être déposé sous la forme d’un film.The bonding agent can be deposited in the form of a film.
L’agent de liaison est, de préférence, déposé sur la pièce métallique avant la fermeture du moule.The bonding agent is preferably deposited on the metal part before closing the mold.
L’agent de liaison peut être déposé sur la pièce en matériau composite avant la fermeture du moule, notamment avant que la pièce en matériau composite soit chauffée.The bonding agent can be deposited on the composite material part before closing the mold, in particular before the composite material part is heated.
L’agent de liaison peut former une couche d’épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm, notamment de 0,1 mm.The bonding agent can form a layer with a thickness of between 0.05 mm and 0.5 mm, in particular 0.1 mm.
L’agent de liaison peut contribuer à protéger la pièce métallique contre la corrosion galvanique.The bonding agent can help protect the metal part from galvanic corrosion.
L’agent de liaison, lors de la fermeture du moule, peut fluer dans les cavités de la rugosité de la pièce métallique.The bonding agent, when closing the mold, can flow into the cavities of the roughness of the metal part.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequelThe invention can be better understood on reading the detailed description which follows, non-limiting examples of its implementation, and on examining the appended drawing, in which
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.In the remainder of the description, identical elements or identical functions bear the same reference sign. For the purposes of conciseness of the present description, they are not described with regard to each of the figures, only the differences between the embodiments being described.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas nécessairement été respectées, dans un souci de clarté.In the figures, the actual proportions have not necessarily been respected, for the sake of clarity.
On a illustré aux figures 1 à 4 différentes étapes d’un premier exemple de procédé selon l’invention.Figures 1 to 4 illustrate different stages of a first example of a process according to the invention.
Dans une première étape, illustrée sur la
Avant cette étape de chauffage, la pièce en matériau composite 1 peut être plane et non-consolidée.Before this heating step, the composite material part 1 may be flat and unconsolidated.
La pièce en matériau composite 1 comporte, par exemple, des fibres longues de carbone disposées dans différents plis.The composite material part 1 comprises, for example, long carbon fibers arranged in different folds.
La matrice de la pièce en matériau composite 1 est, par exemple, composée de polyphtalamide(PPA).The matrix of the composite material part 1 is, for example, composed of polyphthalamide (PPA).
La pièce en matériau composite 1 a par exemple une épaisseur de 5 mm.The composite material part 1 has for example a thickness of 5 mm.
Une protection, dans cet exemple un isolant thermique 5 sous forme de film, par exemple de 100 µm d’épaisseur, est disposée, préalablement au chauffage, sur la face supérieure 3 et sur la face inférieure 4 de la pièce 1.A protection, in this example a thermal insulator 5 in the form of a film, for example 100 µm thick, is placed, prior to heating, on the upper face 3 and on the lower face 4 of the part 1.
Dans cet exemple, l’isolant thermique 5 est miscible avec la matrice polymère thermoplastique, étant par exemple réalisé dans le même matériau.In this example, the thermal insulator 5 is miscible with the thermoplastic polymer matrix, being for example made of the same material.
La pièce en matériau composite 1 et l’isolant thermique 5 sont chauffés dans le four 2 à une température supérieure à la température de fusion du matériau constitutif de la matrice thermoplastique, en veillant toutefois à ne pas dégrader pas un chauffage excessif la matrice thermoplastique.The composite material part 1 and the thermal insulator 5 are heated in the oven 2 to a temperature higher than the melting temperature of the material constituting the thermoplastic matrix, taking care not to degrade the thermoplastic matrix by excessive heating.
Une fois la pièce en matériau composite 1 chauffée, elle est transférée dans un outillage 10 comportant une première partie 11 (encore appelée coquille), dans laquelle une pièce métallique 12 y a été préalablement positionnée, et une deuxième partie 13, comme illustré sur la
Lors de ce transfert, l’isolant thermique 5 est laissé en place sur la pièce en matériau composite 1. Le transfert peut être réalisé à l’aide d’un bras robotisé.During this transfer, the thermal insulator 5 is left in place on the composite material part 1. The transfer can be carried out using a robotic arm.
La pièce métallique 12 est par exemple tri-dimensionnelle et la première partie 11 est à la forme de la pièce métallique 12. Comme illustré, la pièce métallique 12 peut être entièrement reçue dans la première partie 11, sans en dépasser.The metal part 12 is for example three-dimensional and the first part 11 is in the shape of the metal part 12. As illustrated, the metal part 12 can be entirely received in the first part 11, without extending beyond it.
La pièce métallique 12 est, dans cet exemple, réalisée en un acier 22MnB5, étant emboutie à chaud à partir d’une tôle métallique.The metal part 12 is, in this example, made of 22MnB5 steel, being hot stamped from a metal sheet.
Comme illustré, la face inférieure 4 de la pièce 1 et la face supérieure 15 de la pièce métallique 12 en regard sont, à ce stade du procédé, de formes non entièrement correspondantes. Par exemple, la face 15 présente un renfoncement 16 tandis que la pièce 1 est sensiblement plane.As illustrated, the lower face 4 of the part 1 and the upper face 15 of the metal part 12 facing each other are, at this stage of the process, of shapes that are not entirely corresponding. For example, face 15 has a recess 16 while part 1 is substantially flat.
L’opération de transfert entre le four 2 et l’outillage 10 est réalisée suffisamment rapidement afin de limiter les pertes thermiques dans la pièce en matériau composite 1, et maintenir la température de celle-ci à une valeur suffisamment élevée pour qu’elle conserve une déformabilité suffisante et une capacité d’adhésion à la pièce métallique 12. Le transfert s’effectue par exemple en moins de 30s, de préférence en moins de 10 s.The transfer operation between the oven 2 and the tooling 10 is carried out sufficiently quickly in order to limit the heat losses in the composite material part 1, and maintain the temperature thereof at a sufficiently high value so that it retains sufficient deformability and adhesion capacity to the metal part 12. The transfer is carried out for example in less than 30 s, preferably in less than 10 s.
Le procédé comporte ensuite une étape dans laquelle l’outillage 10 est actionné pour prendre une configuration fermée, où les deux parties se sont rapprochées et ont amené la pièce en matériau composite 1 à se déformer contre la pièce métallique 12 pour en épouser la forme.The method then includes a step in which the tooling 10 is actuated to take a closed configuration, where the two parts have come together and caused the composite material part 1 to deform against the metal part 12 to match its shape.
Ce rapprochement peut s’effectuer par un mouvement de l’une des parties relativement à l’autre, l’une restant par exemple fixe, ou les deux se déplaçant.This rapprochement can be carried out by a movement of one of the parts relative to the other, one remaining fixed for example, or both moving.
Par exemple, la première partie 11 est fixe et tandis que la deuxième 13 descend vers la première comme illustré par la flèche D.For example, the first part 11 is fixed and while the second 13 descends towards the first as illustrated by arrow D.
L’outillage 10 ainsi fermé est représenté sur la
On voit que la fermeture de l’outillage a déformé plastiquement la pièce en matériau composite 1 sur et à la forme de la pièce métallique 12. Comme illustré, la pièce en matériau composite 1 est ici déformée à la forme du renfoncement 16 de la pièce métallique 12.We see that the closure of the tool has plastically deformed the composite material part 1 on and to the shape of the metal part 12. As illustrated, the composite material part 1 is here deformed to the shape of the recess 16 of the part metallic 12.
La deuxième partie 13 contribue à donner sa forme à la pièce en matériau composite 1 après l’étape de déformation. Comme visible, l’isolant thermique 5 est conservé et déformé durant la fermeture.The second part 13 contributes to giving its shape to the composite material part 1 after the deformation step. As visible, the thermal insulator 5 is preserved and deformed during closure.
L’outillage 10 peut être préchauffé et/ou chauffé à la température de cristallisation de la matrice polymère thermoplastique.The tooling 10 can be preheated and/or heated to the crystallization temperature of the thermoplastic polymer matrix.
Comme illustré sur la
L’isolant thermique 5 disposé sur la face inférieure 4 en regard de la face 15 de la pièce métallique 12 forme, en refroidissant, un agent de liaison qui accroît l’adhésion des pièces 1 et 12 entre elles. Il forme également une protection contre la corrosion galvanique, permettant ainsi de protéger la pièce métallique 12.The thermal insulator 5 placed on the lower face 4 facing the face 15 of the metal part 12 forms, as it cools, a bonding agent which increases the adhesion of the parts 1 and 12 to each other. It also forms a protection against galvanic corrosion, thus making it possible to protect the metal part 12.
Dans l’exemple considéré, l’assemblage 20 comporte l’isolant thermique 5, qui s’est mélangé à la matrice polymère thermoplastique.In the example considered, the assembly 20 comprises the thermal insulator 5, which is mixed with the thermoplastic polymer matrix.
Un tel procédé permet d’atteindre un taux de porosité de la pièce en matériau composite inférieur à 2% si cela est recherché.Such a process makes it possible to achieve a porosity rate of the composite material part of less than 2% if this is desired.
Dans la variante illustrée à la
La réticulation de la résine polymère thermodurcissable est amorcée par la chaleur de la première partie 11 qui est chauffée à la température de cristallisation de la matrice polymère thermoplastique. Ce chauffage permet ainsi d’augmenter la viscosité de la résine pour limiter son fluage lors de la fermeture de l’outillage 10.The crosslinking of the thermosetting polymer resin is initiated by the heat of the first part 11 which is heated to the crystallization temperature of the thermoplastic polymer matrix. This heating thus makes it possible to increase the viscosity of the resin to limit its creep when closing the tool 10.
Par exemple, la couche 21 est déposée par extrusion sur la pièce métallique 12. Elle a une épaisseur de 0,1 mm par exemple.For example, layer 21 is deposited by extrusion on metal part 12. It has a thickness of 0.1 mm for example.
Afin de permettre une bonne réticulation de la résine polymère thermodurcissable, la position fermée de l’outillage pendant l’étape de déformation est maintenue pendant environ 2 min par exemple.In order to allow good crosslinking of the thermosetting polymer resin, the closed position of the tooling during the deformation step is maintained for approximately 2 min for example.
Dans cette variante, l’assemblage 20 final comporte la couche 21.In this variant, the final assembly 20 includes layer 21.
Dans une autre variante, illustrée sur la
De plus, lors de la fermeture de l’outillage 10, la deuxième partie 13 est fixe et la première partie 11 descend selon la direction D2 vers la deuxième partie 13.In addition, when the tool 10 is closed, the second part 13 is fixed and the first part 11 descends in direction D2 towards the second part 13.
Dans l’une ou l’autre des variantes, inversée ou non, la pièce en matériau composites 1 peut être maintenue et transférée sur un cadre 60, illustré sur la
On a illustré sur la
Dans cette variante, l’isolant thermique 5 disposé sur la face supérieure 3 de la pièce en matériau composite 1 est un film 30 en un matériau non-miscible avec la matrice polymère thermoplastique, par exemple du polyimide. Ce film 30 est, comme précédemment pour l’isolant thermique 5, appliqué préalablement au chauffage du matériau composite dans le four 2.In this variant, the thermal insulator 5 placed on the upper face 3 of the composite material part 1 is a film 30 made of a material immiscible with the thermoplastic polymer matrix, for example polyimide. This film 30 is, as previously for the thermal insulator 5, applied prior to heating the composite material in the oven 2.
Comme illustré, dans cette variante, le film 30 de matériau non-miscible est conservé durant le transfert de la pièce en matériau composite 1 dans l’outillage 10 et lors de la fermeture de celui-ci.As illustrated, in this variant, the film 30 of immiscible material is preserved during the transfer of the composite material part 1 into the tooling 10 and during its closing.
Après l’étape de déformation et l’ouverture de l’outillage 10, le film 30 est retiré de la pièce en matériau composite 1, et donc de l’assemblage 20, sans que cela n’endommage la pièce en matériau composite 1.After the deformation step and the opening of the tooling 10, the film 30 is removed from the composite material part 1, and therefore from the assembly 20, without this damaging the composite material part 1.
On a illustré sur la
Dans cette variante, l’isolant thermique 5 présent sur la face inférieure 4 dans le procédé de la
Le film 31 n’est pas transféré avec la pièce en matériau composite 1 dans l’outillage 10.The film 31 is not transferred with the composite material part 1 in the tooling 10.
Comme illustré, dans cette variante le film 30 de matériau non-miscible est quant à lui conservé durant le transfert de la pièce en matériau composite 1 dans l’outillage 10 et lors de la fermeture de celui-ci.As illustrated, in this variant the film 30 of immiscible material is preserved during the transfer of the composite material part 1 into the tooling 10 and during its closing.
Après l’étape de déformation et l’ouverture de l’outillage 10, le film 30 est retiré de la pièce en matériau composite 1, et donc de l’assemblage 20, sans que cela n’endommage la pièce en matériau composite 1.After the deformation step and the opening of the tooling 10, the film 30 is removed from the composite material part 1, and therefore from the assembly 20, without this damaging the composite material part 1.
Dans cette variante, un agent de liaison 22, par exemple une résine polymère thermodurcissable, est appliqué sur la pièce métallique 12, comme dans l’exemple des figures 5 et 6.In this variant, a bonding agent 22, for example a thermosetting polymer resin, is applied to the metal part 12, as in the example of Figures 5 and 6.
Dans la variante illustrée sur la
La pièce en matériau composite 1 est positionnée à froid dans l’outillage 10.The composite material part 1 is positioned cold in tooling 10.
Une couche 21 de résine polymère thermodurcissable est appliquée dans le renfoncement 16 de la pièce métallique 12.A layer 21 of thermosetting polymer resin is applied in the recess 16 of the metal part 12.
Après la fermeture de l’outillage 10 et la déformation plastique de la pièce en matériau composite 1, le procédé comporte une étape de consolidation dans un autoclave 35. Cette étape de consolidation permet de réduire les éventuelles contraintes mécaniques résiduelles dans la pièce en matériau composite 1 au sein de l’assemblage 20.After closing the tool 10 and plastic deformation of the composite material part 1, the process includes a consolidation step in an autoclave 35. This consolidation step makes it possible to reduce any residual mechanical stresses in the composite material part. 1 within assembly 20.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.The invention is not limited to the examples which have just been described.
En particulier, la pièce métallique peut avoir une forme différente.In particular, the metal part may have a different shape.
Claims (16)
- positionner la pièce métallique (12) dans la première partie (11) de l’outillage (10) en configuration ouverte,
- positionner la pièce en matériau composite (1) entre la pièce métallique (12) et la deuxième partie (13) de l’outillage, la pièce en matériau composite (1) et la pièce métallique (12) ayant à ce stade du procédé des faces (4, 15) en regard de formes non entièrement correspondantes,
- amener l’outillage (10) en configuration fermée pour rapprocher la deuxième partie de la première et déformer plastiquement la pièce en matériau composite (1) sur et à la forme de la pièce métallique (12), au moins un agent de liaison (5, 22) étant présent entre la pièce métallique (12) et la pièce en matériau composite (1) avant la fermeture de l’outillage (10).
- position the metal part (12) in the first part (11) of the tooling (10) in open configuration,
- position the composite material part (1) between the metal part (12) and the second part (13) of the tooling, the composite material part (1) and the metal part (12) having at this stage of the process faces (4, 15) facing shapes that are not entirely corresponding,
- bring the tooling (10) into a closed configuration to bring the second part closer to the first and plastically deform the composite material part (1) on and to the shape of the metal part (12), at least one bonding agent (5 , 22) being present between the metal part (12) and the composite material part (1) before closing the tool (10).
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