FR3140572A1 - Procédé de fabrication d’une pièce par assemblage de pièces intermédiaires obtenues par fabrication additive par dépôt de filament - Google Patents

Procédé de fabrication d’une pièce par assemblage de pièces intermédiaires obtenues par fabrication additive par dépôt de filament Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce par assemblage de pièces intermédiaires obtenues par fabrication additive par dépôt de filament Procédé de fabrication d’une pièce par assemblage d’au moins deux pièces intermédiaires (10, 10’) en matériau thermoplastique comprenant une étape de fabrication des pièces intermédiaires (E1) dans laquelle les pièces intermédiaires sont intégralement fabriquées selon une méthode de fabrication additive par dépôt de filament, et dans laquelle chaque pièce intermédiaire comprend un volume de liaison présentant une structure tridimensionnelle (20, 20’) poreuse définissant un volume interne débouchant sur une portion de la surface extérieure de la pièce intermédiaire, une étape de disposition de la colle (E3) dans laquelle une colle est disposée dans le volume interne de chaque volume de liaison de chaque pièces intermédiaires, une étape de collage (E4) dans laquelle les volumes de liaison des pièces intermédiaires sont mis en contact et dans laquelle la colle est polymérisée. Figure pour l’abrégé : Fig. 3.

Description

Procédé de fabrication d’une pièce par assemblage de pièces intermédiaires obtenues par fabrication additive par dépôt de filament
Le présent exposé concerne un procédé de fabrication de pièces obtenues par fabrication additive selon une méthode de dépôt de filament. Plus particulièrement, ces pièces peuvent être des pièces d’intérieur de cabine d’aéronefs, ou de pièces d’habillage et/ou de support d’ensemble propulsif.
La fabrication additive permet notamment de fabriquer des pièces qui ne pourraient pas être réalisées par des moyens conventionnels. En particulier, dans le cadre des aéronefs, la fabrication additive permet, pour certains systèmes, de réduire le nombre de pièces à fabriquer car cette méthode permet de fabriquer en une seule pièce des éléments qui nécessiteraient d’être fabriqués en plusieurs pièces intermédiaires en utilisant des méthodes conventionnelles. Cela permet donc de limiter les assemblages.
Cependant, dans le cadre de fabrication additive par une méthode impliquant un dépôt de filament, par exemple la méthode FFF (de l’anglais Fused Filament Fabrication), la méthode FDM (de l’anglais Fused Deposition Modeling) ou la méthode FGF (de l’anglais Fused Granulate Fabrication), les propriétés mécaniques de la pièce obtenue par fabrication additive dépendent du chemin emprunté par les filaments lors de la fabrication de la pièce.
De plus, la fabrication additive nécessite, pour certaines géométries, l’utilisation d’un support pour déposer de la matière.
La fabrication additive implique par ailleurs l’utilisation d’une machine qui présente également des contraintes (encombrement, volume dans lequel la machine est apte à opérer…).
Il en résulte que, suite aux contraintes mentionnées ci-dessus, la fabrication de certaines pièces peut nécessiter un assemblage de pièces intermédiaires, même pour des pièces obtenues par fabrication additive.
Dans le cadre de la fabrication additive par une méthode FFF ou FDM, des pièces thermoplastiques sont obtenues. Il existe plusieurs méthodes pour assembler de telles pièces thermoplastiques.
Il est possible d’assembler mécaniquement les pièces intermédiaires, par exemple à l’aide de systèmes vis-écrou ou de rivetage. Cependant, ce type d’assemblage est lourd et encombrant.
Les pièces intermédiaires peuvent être soudées par soudage thermoplastique, en refondant localement les pièces intermédiaires et en appliquant une pression dur les corps mis en contact au niveau de la refonte. Cependant, cette méthode nécessite de précisément maitriser la diffusion de la chaleur dans les pièces intermédiaires et de la concentrer exclusivement sur la zone à refondre pour ne pas dégrader la pièce intermédiaire. Le soudage thermoplastique est donc difficile à mettre en œuvre.
Une autre méthode d’assemblage consiste à coller les pièces intermédiaires. De manière générale, ce collage implique la polymérisation d’une résine thermodurcissable placée à l’interface des deux pièces intermédiaires à assembler. Cependant, les pièces thermoplastiques contiennent souvent des additifs pour faciliter leur fabrication, ce qui peut interférer avec l’action de la colle et rendre le collage difficile.
Il existe donc un réel besoin d’amélioration des méthodes d’assemblage de pièces thermoplastiques obtenues par FFF ou FDM, dépourvues au moins en partie, des inconvénients inhérents aux méthodes connues précitée.
Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce par assemblage d’au moins deux pièces intermédiaires en matériau thermoplastique comprenant une étape de fabrication des pièces intermédiaires dans laquelle les pièces intermédiaires sont intégralement fabriquées selon une méthode de fabrication additive par dépôt de filament, et dans laquelle chaque pièce intermédiaire comprend un volume de liaison présentant une structure tridimensionnelle poreuse définissant un volume interne débouchant sur une portion de la surface extérieure de la pièce intermédiaire, une étape de disposition de la colle dans laquelle une colle est disposée dans le volume interne de chaque volume de liaison de chaque pièce intermédiaire, une étape de collage dans laquelle les volumes de liaison des pièces intermédiaires sont mis en contact.
Avantageusement, lors de l’étape de collage, une pression est apportée sur les pièces intermédiaires de sorte que les structures tridimensionnelles des pièces intermédiaires soient maintenues en contact pendant toute la durée de l’étape. Il est aussi possible de chauffer les pièces intermédiaires afin de faciliter la prise de la colle.
L’utilisation de colle est une solution facile à mettre en place et qui est avantageuse du point de vue de la masse et de l’encombrement. Cela représente donc un avantage vis-à-vis des autres techniques connues.
La présence de la structure tridimensionnelle dans les pièces intermédiaires permet à la colle de s’y infiltrer, ce qui augmente la surface de contact entre les pièces intermédiaires et la colle. L’accroche de la colle est donc meilleure, ce qui augmente la robustesse de l’assemblage des pièces intermédiaires.
Par ailleurs, l’utilisation de structures tridimensionnelles permet de contourner le désavantage lié à l’utilisation de la colle car cette dernière s’infiltre dans les structures dimensionnelles. Cela crée donc un ancrage mécanique impliquant un volume. Contrairement aux méthodes de collage classiques qui ne proposaient qu’une liaison surfacique, l’ancrage mécanique impliquant un volume est moins sensible aux additifs pouvant être présents dans les pièces intermédiaires.
Lors de la fabrication additive par dépôt de filament, des couches planes de filament sont être empilées selon une direction d’empilement. Ce type de fabrication additive est intrinsèquement avantageux car il peut permettre d'obtenir des propriétés mécaniques meilleures dans le plan des couches que dans la direction d’empilement des couches. Il est donc avantageux de construire deux pièces intermédiaires, de sorte que chaque pièce intermédiaire ait des propriétés mécaniques optimales dans les directions où elles seront préférentiellement sollicitées, puis de les assembler pour former la pièce finale dont les propriétés mécaniques sont ainsi améliorées.
Les pièces fabriquées par le présent procédé présentent de la colle généralement présente sous forme d’un film continu entre les volumes internes des deux pièces intermédiaires .
A titre d’exemple non limitatif, le film continu présente une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 1 mm , en particulier une épaisseur de 0,1 mm à 0,2 mm.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de finition prévue après l’étape de collage, dans laquelle les pièces intermédiaires assemblées sont poncées et/ou ébavurées.
L’étape de finition permet d’obtenir une pièce plus esthétique d’une part, et plus apte à coopérer avec d’autres pièces d’une plus grande structure d’autre part.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de traitement prévue avant l’étape de disposition de la colle, dans laquelle les pièces intermédiaires subissent un traitement de nettoyage de leur volume de liaison.
L’étape de traitement permet d’améliorer l’adhésion de la colle sur les pièces intermédiaires, en particulier dans leurs structures tridimensionnelles respectives.
Dans certains modes de réalisation, la structure tridimensionnelle du volume de liaison est obtenue par une superposition de couches de filaments, chaque couche de filaments comprenant des filaments orientés parallèlement et distants d’un espacement, l’espacement étant mesuré entre deux filaments parallèles consécutifs d’une même couche, dans une direction perpendiculaire à leur orientation, et deux couches de filaments consécutives présentant une direction perpendiculaire de leurs filaments respectifs.
Une telle structure tridimensionnelle est un compromis optimal entre simplicité de réalisation, perméabilité à la colle et surface de contact supplémentaire crée. Plus généralement, une telle structure tridimensionnelle prend la forme d’un treillis présentant une maille carrée. On comprend que la structure tridimensionnelle comprend au moins deux couches de filaments.
Dans certains modes de réalisation, l’espacement est compris entre 50 µm et 500 µm.
Un tel espacement permet de garantir une création de surface de contact supplémentaire suffisante tout en garantissant une bonne infiltration de la colle.
Dans certains modes de réalisation, les filaments ont une épaisseur comprise entre 100 µm et 310 µm.
Préférentiellement, les filaments ont une épaisseur comprise entre 190 µm et 250µm. Alternativement, les filaments ont préférentiellement une épaisseur comprise entre 300 µm et 310µm.
Cette configuration est avantageuse sur deux aspects. Dans un premier temps, l’épaisseur des filaments permet de prévoir une structure tridimensionnelle plus éclatée, ce qui laisse à la colle des espaces plus grands occasionnant un meilleur ancrage de la colle. D’autre part, un filament épais permet de déposer plus de matière dans un même laps de temps, ce qui représente une économie de moyens.
Dans certains modes de réalisation, le volume de matière de la structure tridimensionnelle est compris entre 30% et 85% du volume de liaison.
On comprend que le volume de liaison présente 15% à 70% d’espace vide.
Une telle densité de matière permet d’optimiser le compromis entre d’une part la création d’espace pour que la colle puisse s’infiltrer et d’autre part la robustesse de la structure tridimensionnelle.
Dans certains modes de réalisation, l’étape de collage comprend un traitement thermique et les pièces intermédiaires subissent un recuit lors du traitement thermique.
Cette configuration avantageuse représente une économie de moyens, et donc de coût, car si les pièces intermédiaires nécessitent un recuit, il peut être opérée en même temps que la polymérisation de la colle, dans l’exemple d’une colle thermodurcissable. Dans le cas où la colle est thermoplastique, le recuit peut permettre d’améliorer la cristallinité de la colle ou d’éliminer des contraintes résiduelles.
Dans certains modes de réalisation, le volume de liaison des pièces intermédiaires est compris dans une portion de coopération, et les portions de coopération des pièces intermédiaires sont configurées coopérer par complémentarité de forme.
Ainsi, les portions de coopération renforce l’action de la colle ce qui améliore l’assemblage entre les deux pièces intermédiaires. En d’autres termes, les portions de coopération et les structures tridimensionnelles ont un effet synergique, augmentant la robustesse et la fiabilité de l’assemblage des pièces intermédiaires.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif et du procédé proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.
Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
La représente schématiquement un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
La représente une vue partielle et schématique d’une structure tridimensionnelle d’une pièce intermédiaire selon un mode de réalisation.
La représente une vue partielle et schématique de deux pièces intermédiaires présentant des structures tridimensionnelles selon le mode de réalisation de la .
La représente une vue en coupe des pièces intermédiaires représentées sur la une fois assemblées, selon le plan IV de la .
Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple de dispositif est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
La représente schématiquement un procédé selon un mode de réalisation de l’invention. Le procédé comprend une étape de fabrication des pièces intermédiaires E1, une étape de traitement E2, une étape de disposition de la colle E3, une étape de collage E4 et une étape de finition E5. Les étapes de traitement E2 et de finition E5 sont optionnelles.
Lors de l’étape de fabrication des pièces intermédiaires E1, deux pièces intermédiaires 10, 10’ sont intégralement fabriquées par une méthode de fabrication additive par dépôt de filament. Par exemple, les pièces intermédiaires 10, 10’ peuvent être fabriqués par méthode FFF ou FDM. Les polymères fondus en filaments peuvent être du polyetherimide (PEI), du polysulfure de phénylène (PPS), du polyamide (PA), du polyaryléthercétone (PAEK conformément au signe en anglais polyaryletherketon), du polyphénylsulfone (PPSU), du polyethersulfone (PESU) ou du Nylon. Ces filaments peuvent être chargés ou non. S’ils sont chargés, ils peuvent être chargés de fibres courtes, longues ou continues. Une fibre est considérée comme courte si sa longueur est inférieure à 100 µm. L'utilisation de fibres courtes et plus aisée à mettre en œuvre, mais des fibres longues ou continues peuvent améliorer davantage les propriétés mécaniques. Typiquement ils peuvent être chargés de fibres de verre, de carbone ou d’aramide. Optionnellement, les pièces intermédiaires 10, 10’ peuvent être fabriquées dans des polymères différents.
Les pièces intermédiaires 10, 10’ sont configurées pour pouvoir être assemblées afin de former une pièce thermoplastique, par exemple pour une utilisation dans la conception d’un aéronef.
Chaque pièce intermédiaire 10, 10’ est fabriquée de sorte à comprendre un volume de liaison présentant en son sein une structure tridimensionnelle 20, 20’ poreuse. Par la suite, nous décrivons la structure tridimensionnelle 20 en relation avec la pièce intermédiaire 10. Cette description s’applique mutatis mutandis à la structure tridimensionnelle 20’ de la pièce intermédiaire 10’.
La structure tridimensionnelle 20 définit un volume interne à l’intérieur de la pièce intermédiaire 10, débouchant sur une portion de sa surface extérieure. En d’autres termes, le volume interne défini par la structure tridimensionnelle 20 est accessible depuis la surface de la pièce intermédiaire 10.
La représente une vue partielle et schématique de la structure tridimensionnelle 20 de la pièce intermédiaire 10, selon un exemple. Selon cet exemple, la structure tridimensionnelle 20 a une forme de treillis à maille carrée. Cependant, d’autres formes de structure peuvent être envisagées, comme par exemple une structure à maille hexagonale, ou un motif alvéolaire aléatoire.
La structure tridimensionnelle 20 est obtenue par une superposition de couches de filaments, chaque couche de filaments comprenant des filaments orientés parallèlement et distants d’un espacement P, l’espacement P étant mesuré entre deux filaments parallèles consécutifs d’une même couche, dans une direction perpendiculaire à leur orientation, et deux couches de filaments consécutives présentant une direction perpendiculaire de leurs filaments respectifs.
Les filaments présentent une épaisseur D et on note A comme étant la distance entre le milieu deux filaments parallèles consécutifs d’une même couche, dans une direction perpendiculaire à la direction d’extension des filaments. On en déduit la relation A=P+D.
Le tableau suivant donne différents exemples des valeurs de A, P et D.
A (µm) P (µm) D (µm)
350 150 200
270 70 200
650 450 200
532 228 304
374 70 304
754 450 304
Plus généralement, A est compris entre 240 µm et 810 µm, P est compris entre 50 µm et 500 µm, et D est compris entre 190 µm et 310 µm, tout en respectant la relation A=P+D.
Lors de l’étape de traitement E2, prévue avant l’étape de disposition de la colle E3, les pièces intermédiaires 10, 10’ subissent traitement de nettoyage de leur volume de liaison. Ce traitement peut par exemple être un traitement plasma ou un versage d’alcool dans le volume interne des pièces intermédiaires 10, 10’ suivi d’un séchage. Cette étape de traitement est optionnelle.
Lors de l’étape de disposition de la colle E3, les volumes internes des structures tridimensionnelles 20, 20’ de chacune des pièces intermédiaires 10, 10’ sont remplis de colle.
Dans le présent exemple, la colle est une résine époxyde telle que l’AF191 ®, la rédux 322 ® ou la 9365 FST ®. D’autres types de colles pourraient être envisagés, notamment des colles de type thermoplastiques.
Lors de l’étape de collage E4, les pièces intermédiaires 10, 10’ sont mises en contact au niveau de leur structure tridimensionnelle 20, 20’ respectives remplies de colle. Optionnellement, les pièces intermédiaires 10, 10’ mises en contact peuvent être maintenues par un outillage adéquat, par exemple par serrage. Ce serrage peut optionnellement appliquer une pression au niveau du contact entre les pièces intermédiaires 10, 10’. Un joint d’étanchéité au niveau des structures tridimensionnelles 20, 20’ peut optionnellement être prévu pour limiter la migration de la colle en dehors des structures tridimensionnelles 20, 20’.
Ensuite, la colle disposée dans les structures tridimensionnelles 20, 20’ des pièces intermédiaires 10, 10’ mises en contact est polymérisée (ou consolidée dans le cas d’une colle thermodurcissable). Dans l’exemple du présent mode de réalisation, les pièces intermédiaires 10, 10’ sont chauffées dans une étuve, sous une bâche à vide, afin de polymériser la colle.
De manière optionnelle, pendant l’étape de collage E4, les pièces intermédiaires peuvent subir un recuit.
Une fois la colle polymérisée et les pièces intermédiaires 10, 10’ assemblées, les pièces intermédiaires 10, 10’ subissent l’étape de finition E5. Dans cette étape, les pièces intermédiaires 10, 10’ assemblées sont poncées et/ou ébavurées, et plus particulièrement au niveau de leur contact, à l’endroit où la colle a polymérisé. De cette façon, la colle qui a bavé est enlevée, de sorte que la surface post collage soit maitrisée.
La représente une vue partielle et schématique de deux pièces intermédiaires présentant des structures tridimensionnelles selon le mode de réalisation de la .
La représente une vue en coupe des pièces intermédiaires représentées sur la une fois assemblées, selon le plan IV de la . Les parties hachurées correspondent aux parties où la colle a été polymérisée. Une couche de colle 30 est optionnellement prévue entre les deux pièces intermédiaires 10, 10’. Elle présente une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm. La présence de la couche 30 permet d’améliorer le collage des structures tridimensionnelles 20, 20’, améliorant ainsi la robustesse de l’assemblage.
A titre d’exemple non limitatif, chaque volume de liaison présente une forme de pavé. La surface sur laquelle la structure tridimensionnelle 20, 20’ débouche est de 50 mm², et la structure tridimensionnelle 20, 20’ pénètre la pièce intermédiaire sur une épaisseur de 1 mm. Le volume du volume de liaison est donc de 50 mm3pour chaque pièce intermédiaire 10, 10’. Le volume de matière de la structure tridimensionnelle est de 75%. En d’autres termes, la matière occupe 37,5 mm3du volume de liaison. Le volume interne de chaque pièce intermédiaire (correspondant au volume rempli de colle) est donc de 12,5 mm3. Par conséquent, le volume combiné des volumes internes des deux pièces intermédiaires 10, 10’ est de 25 mm3. Selon cet exemple, une épaisseur de la couche de colle 30 entre les pièces est de 0,1 mm, sur toute la surface des volumes internes. Cela correspond donc à 5 mm3de colle à l’interface des pièces intermédiaires 10, 10’, qui est en dehors des volumes internes des pièces intermédiaires 10, 10’. Au total, 30 mm3de colle sont utilisés.
Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, les pièces intermédiaires ont été représentées schématiquement par des parallélépipèdes rectangles et le volume de liaison de chaque pièce intermédiaire est également représenté schématiquement par un parallélépipède rectangle. Toutefois, on comprend que ces formes ne sont pas limitatives.
Ainsi, la forme des pièces intermédiaires peut être tel que pièces intermédiaires sont configurées coopérer par complémentarité de forme et le volume de liaison des pièces intermédiaires est compris dans une portion de coopération des pièces intermédiaires.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce par assemblage d’au moins deux pièces intermédiaires (10, 10’) en matériau thermoplastique comprenant
    une étape de fabrication des pièces intermédiaires (E1) dans laquelle les pièces intermédiaires (10, 10’) sont intégralement fabriquées selon une méthode de fabrication additive par dépôt de filament, et dans laquelle chaque pièce intermédiaire (10, 10’) comprend un volume de liaison présentant une structure tridimensionnelle (20, 20’) poreuse définissant un volume interne débouchant sur une portion de la surface extérieure de la pièce intermédiaire (10, 10’),
    une étape de disposition de la colle (E3) dans laquelle une colle est disposée dans le volume interne de chaque volume de liaison de chaque pièce intermédiaire (10, 10’),
    une étape de collage (E4) dans laquelle les volumes de liaison des pièces intermédiaires (10, 10’) sont mis en contact.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une couche de colle (30) est présente sous forme d’un film continu entre les volumes internes des deux pièces intermédiaires (10, 10’).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une étape de finition (E5) prévue après l’étape de collage (E4), dans laquelle les pièces intermédiaires assemblées (10, 10’) sont poncées et/ou ébavurées.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une étape de traitement (E2) prévue avant l’étape de disposition de la colle (E3), dans laquelle les pièces intermédiaires (10, 10’) subissent un traitement de nettoyage de leur volume de liaison.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la structure tridimensionnelle (20, 20’) du volume de liaison est obtenue par une superposition de couches de filaments, chaque couche de filaments comprenant des filaments orientés parallèlement et distants d’un espacement, l’espacement étant mesuré entre deux filaments parallèles consécutifs d’une même couche, dans une direction perpendiculaire à leur orientation, et deux couches de filaments consécutives présentant une direction perpendiculaire de leurs filaments respectifs.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’espacement est compris entre 50 µm et 500 µm.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les filaments ont une épaisseur comprise entre 100 µm et 310 µm.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le volume de matière de la structure tridimensionnelle (20, 20’) est comprise entre 30% et 85% du volume de liaison.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape de collage (E4) comprend un traitement thermique et les pièces intermédiaires (10, 10’) subissent un recuit lors du traitement thermique.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le volume de liaison des pièces intermédiaires (10, 10’) est compris dans une portion de coopération, et les portions de coopération des pièces intermédiaires sont configurées coopérer par complémentarité de forme.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180290423A1 (en) * 2017-04-05 2018-10-11 United Technologies Corporation Surface geometry for adhesive bonding of polymer components
US20200147684A1 (en) * 2018-11-08 2020-05-14 Divergent Technologies, Inc. Systems and methods for adhesive-based part retention features in additively manufactured structures

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