PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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* Cours Polymères * RNUR DE/DLA/0854 G.DUPUIS-P.ROUBINET (novembre 1989)

PROCEDES DE FABRICATION DES PIECES PROTOTYPES ET D'ESSAI

1  L'AIDE A LA CONCEPTION

2  CAS D'UNE PIECE DONT LA DEFINITION EST FIGEE

3  REALISATION DE FORMES OU DE PIECES A L'UNITE

4  REALISATION DE PIECES EN PETITES SERIES.

5  CAS DES COMPOSITES A HAUTES PERFORMANCES

6  ASPECT DES PIECES


1 - L'AIDE A LA CONCEPTION

Que ce soit au niveau de la Recherche ou des Études, il est nécessaire à un moment ou à un autre de réaliser rapidement un ou plusieurs objets pour différentes raisons:

Les pièces dites " prototypes" ainsi réalisées peuvent se classer en plusieurs catégories en fonction de leur destination:

- PIECES DE PRESENTATION opaques ou transparentes, style, expositions
- VOLUMES D'ENCOMBREMENT maquettes techniques, contrôle géométrique d'un ensemble
- PIÈCES FONCTIONNELLES matériaux et procédés limités, mulets, premiers prototypes
- PIÈCES REPRÉSENTATIVE matériaux et procédés similaires à ceux de série, prototypes ZC
- PIÈCES D'ESSAI études des phénomènes thermiques, aérodynamiques, acoustiques
- PIÈCES EXPÉRIMENTALE matériaux, procédés, et/ou concepts nouveau


Une collaboration étroite s'établit entre le demandeur et les experts en plastiques, caoutchoucs ou composites, sollicités pour participer à son projet.
La nature de l'assistance technique est fonction du niveau de définition et du niveau de risques de la pièce concernée.
La demande est accompagnée de documents (croquis, dessin, numérisation CAO, ...) et le cas échéant d'objets à reproduire ou à modifier (modèle, maquette, pièce proto ou de série, ...)

Si la définition d'une pièce ou d'un ensemble de pièces, est incomplète ou incertaine, par exemple:

il est recommandé de commencer par réaliser une maquette d'aide à la conception permettant une mise au point par des retouches rapides et peu onéreuses.
La maquette jugée bonne par le BE peut être reproduite en une dizaine d'exemplaires, notamment par le procédé de coulée sous vide décrit plus loin, pour équiper les premiers véhicules prototypes.
Ceci doit permettre de figer plus rapidement la matière, le procédé et le dessin d'une pièce destinée à être fabriquée en série.

Il existe plusieurs techniques (chap.3 à 5) pour réaliser des pièces prototypes. Le choix entre ces différentes techniques est fonction de l'importance relative donnée à chacun des objectifs:

2 - CAS D'UNE PIÈCE DONT LA DÉFINITION EST COMPLÈTE ET FIGÉE

Il s'agit tout d'abord de vérifier le dessin en ce qui concerne le choix de la matière et la faisabilité de la pièce.
En principe tous les dessins des pièces en plastique ou en caoutchouc sont visés par le Sce 0854 avant de recevoir un N°.
La désignation de la matière doit être normalisée et les N° des Cahiers des Charges doivent être indiqués.
Pour les pièces visibles l'aspect doit être précisé.

Le contrôle du dessin peut porter également sur les dépouilles, les contre-dépouilles, les angles de moulage, la définition du plan de joint, les bossages et nervures (retassures), les trous de fixation (dilatation, fluage), le choix des épaisseurs, ...

Il est évident que si le procédé choisi pour réaliser les pièces prototypes est proche du procédé de série, il devrait être possible d'en tirer des enseignements pour réduire les aléas de démarrage des outillages définitifs.

Parmi les procédés décrits plus loin certains correspondent à des techniques appliquées à la grande série:

D'autres procédés industriels sont traités dans une autre partie du cours:

Pour réduire les coûts et les délais on réalise des moules provisoires légers et simplifiés.

3 - RÉALISATION DE FORMES OU DE PIÈCES A L'UNITÉ

Les procédés permettant de réaliser des formes (surface ou volume) et des pièces (de présentation ou fonctionnelles) à l'unité sont les suivants:

3.1 - LE MODELAGE TRADITIONNEL (figure 1)

Il consiste, à partir de plans, à réaliser des modèles en bois, en plastique ou autres matériaux pouvant être facilement modelés, sculptés ou usinés.
Des supports et des calibres sont préalablement confectionnés pour aider à bâtir et à vérifier le modèle.
Certains modèles sont des volumes d'encombrement que l'on peut présenter dans l'environnement véhicule. Ils sont réalisés en matériau léger (PS expansé par exemple)

Mais la plupart des modèles sont en matériau stable et représentent la surface extérieure des pièces. Après contrôle ils servent de référence pour réaliser des outillages provisoires.

Dans le cas d'un modèle destiné à servir de poinçon de thermoformage c'est la surface intérieure qui est prise en compte.

Si la matière prévue pour mouler les pièces subit un retrait de R% pendant sa mise en oeuvre, le modèle sera réalisé à l'échelle: 100/(100-R%)

3.2 - LE MAQUETTAGE (fig.2)

Dans ce procédé, une pièce modèle (appelée aussi maquette) est fabriquée avec divers matériaux découpés, coulés, thermoformés, usinés, façonnés manuellement, Une maquette peut être réalisée en plusieurs éléments collés, soudés, vissés, ajustés, ....

Cette technique est adaptée à la réalisation de petites pièces ouvragées, à l'unité.

Grâce au procédé de coulée sous vide (voir § 4.6) il est facile de reproduire une maquette en plusieurs exemplaires.

3.3 - L'USINAGE EN COMMANDE NUMÉRIQUE (fig.3)

Dans le cas de pièces dessinées en CAO, il est possible d'obtenir un modèle par fraisage d'une ébauche à l'aide d'une fraiseuse à commande numérique.

L'ébauche est un modèle grossier comportant une surépaisseur d'usinage. Elle est réalisée dans un matériau facilement usinable et présentant une bonne stabilité dimensionnelle.Le fraisage laisse des sillons plus ou moins larges et profonds suivant la taille de la fraise utilisée pour la dernière passe.

Cette technique fait donc appel au modelage traditionnel pour préparer les ébauches et finir la surface.

Il est fréquent que certains détails ne soit pas numérisés et que l'on fasse encore appel au modelage main pour retoucher ou compléter un modèle usiné en commande numérique.

3.4 - LA STEREOLITHOGRAPHIE (fig.4)

La stéréolithographie est un procédé de fabrication de prototypes assisté par ordinateur qui permet d'obtenir rapidement un objet réel à partir de sa numérisation en CAO.

Son principe est basé sur la propriété des photopolymères de passer de l'état liquide à l'état solide en présence de rayons ultra-violets.

La première machine (SLA-1 de 3D SYSTEMS) est commercialisée depuis 1988 par SPECTRA PHYSICS en Europe. D'autres modèles suivent.

Le système comporte une cuve contenant le photopolymère liquide et une plate-forme à peine immergée qui se déplace au fur et à mesure de la création du prototype vers le fond de la cuve (donc dans le sens décroissant de Z )
Le faisceau d'un rayon laser UV, dont la position en X et Y est contrôlée par un jeu de miroirs, trace sur la surface du liquide la coupe du modèle à partir des informations CAO traitées sur le micro-ordinateur associé à la machine (découpe de sections très fines, parallèles au plan de base choisi)

Le modèle SLA-250 a une capacité limitée à 25Ox25Ox250 mm.

Des machines plus importantes seront commercialisées en fonction des besoins exprimés.

Cette nouvelle technique devrait permettre:

4 - RÉALISATION DE PIÈCES EN PETITES SÉRIES

Les principaux procédés utilisés pour mouler des pièces en plastique, caoutchouc ou composite, en petite quantité et à faible cadence sont les suivants:

Les procédés marqués d'un astérisque sont également applicables à la grande série mais avec des investissements plus lourds.

Les techniques utilisées pour réaliser des pièces prototypes en composites à hautes performances figurent dans le chapitre 5.

Les procédés concernant l'aspect des pièces sont traités dans le chapitre 6.

4.1 - LA STRATIFICATION

Les résines polyesters se présentent à l'état liquide.
Leur durcissement est généralement provoqué par la décomposition, à froid ou à chaud, d'un catalyseur ajouté en faible dose avant emploi.
Les propriétés mécaniques d'un polyester durci sont faibles et le retrait de moulage est important (6 % en volume)

Toutefois quand une résine polyester est utilisée, pure ou additionnée de charges, pour imprégner des tissus ou des mats de fibres de verre, on obtient un stratifié ayant de bonnes propriétés mécaniques et thermiques, ainsi qu'un faible retrait (0,1 % linéaire)

Deux procédés manuels sont principalement utilisés pour obtenir des pièces prototypes en stratifié verre-polyester:

4.1.1 Le moulage au contact (fig.5)

Les opérateurs appliquent manuellement les différentes couches de résine et de renforcement dans un moule à une empreinte.

Le durcissement s'effectue à température ambiante, avec ou sans post-cuisson à l'étuve.
L'épaisseur finale de la pièce dépend de la gamme de moulage choisie (exemple: 1 mat 450 g/m² par mm)

Le moule est la réplique en négatif du modèle. Il est dans la plupart des cas en stratifié moulé également au contact.

Ce procédé artisanal assez ancien (1952), est bien adapté en automobile, à la réalisation de prototypes et à la fabrication de pièces de carrosserie en petites séries.

4.1.2 Le moulage entre moule et contremoule (fig.6)

Pour ce procédé il faut mouler un contremoule dans le moule garni soit d'une pièce modèle (celle-ci étant obtenue par moulage au contact), soit de cire calibrée à l'épaisseur de la pièce.

Une méthode consiste à mouler au contact les deux couches de surface (dans le moule et le contremoule), puis à attendre leur gélification.
Une 3ème armature (mat ou tissu) imprégnée d'un excès de résine au centre, est disposée sur le moule.
Le contremoule est alors renversé et appliqué fortement sur le moule à l'aide de serre-joints.
Le durcissement s'effectue à froid, avec ou sans post-cuisson à l'étuve.

Une autre méthode appelée parfois "moulage à la presse à froid" consiste à réaliser un moule en béton de résine et à le monter sur une presse basse pression (pression de moulage= 5 à 10 bars)
L'armature (mat à filaments continus de préférence) est d'abord disposée sur le moule, puis la résine est versée au centre, l'ensemble est ensuite comprimé et durci en une seule opération.

Cette dernière technique est utilisée, entre autre, par ALPINE.

4.2 - LE THERMOFORMAGE (fig.7)

Selon la température, les thermoplastiques se présentent réversiblement à l'état rigide, à l'état plastoélastique ou à l'état liquide.

En chauffant une plaque jusqu'à l'état plastoélastique de la matière, il est possible de la mettre en forme sur un moule par aspiration inférieure ou pression supérieure. La plaque ainsi thermoformée est maintenue en forme pendant son refroidissement.

Le thermoformage est le procédé utilisé pour réaliser les grandes pièces prototypes qui seront ultérieurement injectées, notamment les habillages intérieurs.

Il faut tenir compte que l'étirage du demi-produit pendant le formage se fait au détriment de son épaisseur.

Les détails ouvragés sont moulés à part dans des petits moules d'injection simplifiés. Les opérations de finition: détourage, ajustage, collage des détails, etc ... demandent beaucoup de soins.

Un préimprégné verre-polyester thermoformable réticulant aux rayons UV (et même à la lumière du jour) est commercialisé par BASF sous la marque PALAPREG.

La machine de thermoformage du Sce 0854 (format 2200x1200, profondeur 700) est équipée d'une rampe UV qui permet de mettre en oeuvre ce demi-produit.

Les principaux thermoplastiques disponibles sous forme de demi-produits en plaques sont les suivants :

Abréviation Matière Nom commercial Fournisseu
PMMA

PVC
ABS

AAS

PE
PP
PC
Polyméthylmétacrylate

polyvinylchlorure
acrylonitrile-butadiène-styrène
(copolymère)
acrylonitrile-styrène-acrylate
(copolymère)
polyéthylène
polypropylène
polycarbonate
PLEXIGLAS
ALTUGLAS
LUCOVYL
CYCOLAC

ASAPLEX

LACQTENE
MOPLEN
MAKROLON
LEXAN
Röhm & Haas
Altulor
Rhône-Poulenc
General Electric Plastics

Exico

Atochem
Montedison
Bayer
General Electric Pla

 

4.3 - L'INJECTION DE PRODUITS REACTIFS (RIM, RRIM) (fig.8)

Le dosage et le mélangeage de deux composants s'effectuent dans une machine spéciale qui les injecte dans le moule.
Les composants liquides mélangés réagissent entre eux et durcissent. Il peut y avoir plus ou moins d'expansion gazeuse suivant la formulation (agent gonflant)

Les matières mises en oeuvre peuvent être: des polyuréthannes, des époxydes ou des polyamides. Mais ce sont les polyuréthannes qui s'adaptent le mieux à cette méthode. Ils sont, suivant la formulation: thermoplastiques ou thermodurcissables, rigides ou souples, compacts ou cellulaires.

Les propriétés peuvent être modifiées par ajout de fibres de verre courtes (RRIM)

Ce procédé adapté à la petite série est parfois utilisé pour la grande série, malgré son coût élevé, quand on désire des éléments de carrosserie déformables sans dommages apparents, et aptes à la peinture (ex: boucliers haut de gamme et version USA, choc 5 mph)

La même technique mais simplifiée, appelée RIM basse pression, est utilisée pour réaliser des pièces prototypes.

on obtient d'assez bons résultats avec des moules rigides à condition de multiplier les évents afin que les fuites de matière évacuent les bulles d'air.

Quelques pièces prototypes ouvragées, telles que les calandres, sont moulées depuis quelques années suivant ce procédé. Toutefois, les matières disponibles étant fragiles au choc et/ou se déformant à chaud, nous les renforçons avec du mat de verre.

4.4 - L'INJECTION DE RÉSINE SUR MAT (RTM) (fig.9)

L'armature en fibres de verre est disposée entre les parties mâle et femelle du moule, qui est ensuite fermé. La résine est alors injectée de façon à imprégner tout le verre sans le déplacer.

Il est courant d'utiliser un système catalytique à froid permettant une prise rapide (5 à 10 mn) Les pièces démoulées doivent être ensuite détourées.

Comme les machines RIM, les machines à injection de résine comportent des systèmes de distribution, de dosage, et de mélangeage de 2 constituants + 1 circuit de nettoyage.

Des résines polyesters sont principalement utilisées, mais également des résines époxydes.

Le moulage par injection de résine permet d'obtenir des pièces présentant un assez bon état de surface (sans bulle) et des propriétés mécaniques relativement bonnes.

Quand les moules en béton de résine sont trop lourds à manipuler, on les monte sur une presse basse pression. Il est alors possible d'essayer concurremment le procédé de moulage à la presse à froid (ex: ALPINE, § 4.1.2)

4.5 - LA MOUSSE POLYURETHANNE (PU) (fig.10)

La mousse polyuréthanne (PU) est obtenue par réaction d'un polyol et d'un isocyanate auxquels on a ajouté des catalyseurs, un agent gonflant, et un colorant.

L'alimentation, le dosage, et le mélangeage des deux composants sont effectués par une machine haute pression ou basse pression.

Dans les machines haute pression le mélange est effectué par l'interpénétration de 2 jets antagonistes. Il en résulte une meilleure homogénéité du mélange et pas de rinçage après chaque injection.

Le mélange liquide est coulé dans un moule fermé et occupe environ le tiers du volume. L'expansion commence 20 secondes plus tard, et le moule est totalement rempli en 1 minute.
Au bout de 15 minutes le durcissement de la pièce est suffisant pour la démouler et l'ébavurer.
Le durcissement se poursuit pendant quelques jours. Il peut être accéléré par un passage à l'étuve.

Suivant la formulation et les conditions de mise en oeuvre, il est possible d'obtenir une grande variété de mousses différentes:

Les principales applications sont :

4.6 - LA COULÉE SOUS VIDE (fig.11)

La nouveauté du procédé de coulée sous vide que nous développons depuis 1987 est d'allier, comme son nom l'indique, les avantages de la coulée et du vide.

Il s'agit d'une technique japonaise que nous avons adaptée à nos besoins.

Une maquette très soignée est réalisée et présentée au BE. Les anomalies sont détectées à ce niveau et les retouches sont effectuées immédiatement.

Après acceptation de la géométrie et de l'aspect, cette maquette doit nous être rendue pour en réaliser des copies.

Les différentes étapes de la reproduction par coulée sous vide sont les suivantes:

  1. La maquette est collée sur un petit support positionné au centre d'un coffrage. Les plans de joint ont été préalablement amorcés par des rubans adhésifs très fins.
  2. La quantité de silicone nécessaire à la réalisation du moule est préparée puis débullée sous vide.
  3. La coulée du moule commencée à l'air libre est terminée sous vide, puis la pression atmosphérique est rétablie.
  4. La découpe des joints imposés par les contre-dépouilles s'effectue au scalpel. La maquette est récupérée.
  5. Le moule est reconstitué, ses éléments sont solidarisés par du tiro. Il est retourné de bas en haut, le logement du support devenant ainsi le canal de remplissage.
  6. Les matières utilisées pour la coulée des pièces sont des systèmes bi-composants (à base époxy ou PU) Les constituants A et B préparés pour la coulée d'une pièce sont débullés sous vide.
  7. Le mélangeage de A et de B est effectué sous vide.
  8. La coulée de la pièce est effectuée sous vide, la pression atmosphérique est ensuite rétablie lentement.
  9. Après un passage de quelques heures à l'étuve, la pièce est démoulée.

En regroupant les produits japonais et les produits européens il est possible de couvrir la gamme d'applications suivantes:

Autre application:

Les prises d'empreintes dans les moteurs effectuées sous vide permettent d'obtenir des moulages dépourvus de bulles et de porosités. Les volumes des canalisations d'admission ou d'échappement d'un moteur ainsi moulés sont repositionnés dans des cavités préparées dans un autre moteur. Un alliage métallique fondant à 190°C est coulé autour. Le moteur ainsi modifié pourra tourner plusieurs jours au banc.

4.7 - LA COMPRESSION DE PRÉIMPRÉGNÉS VERRE-POLYESTER (SMC,...) (fig.12)

Le SMC (Sheet Molding Compound = préimprégné verre-polyester) est un semi-produit en feuille dont la composition est complexe mais qui peut grossièrement se résumer comme suit :

A l'état cru le SMC est un produit assez mou, non poisseux, facile à découper, avec lequel on prépare des ébauches qui sont déposées dans le moule ouvert.

La fermeture du moule sous pression modérée entraîne le fluage de la matière dans toutes les cavités du moule jusqu'à son remplissage complet.

Le moule et le chariot sur lequel il a été bridé sont introduits dans une étuve dont la montée en température est programmée.

Parmi les adjuvants divers présents à faible dose, signalons la présence d'un catalyseur dont le rôle est de déclencher le durcissement sous l'action de la chaleur.

Le durcissement correspond à la réticulation des chaînes polyesters insaturées et du styrène en présence, ce phénomène étant accompagné d'une contraction en volume et d'une réaction exothermique.

Il est donc possible de suivre le changement d'état du matériau en plaçant un thermocouple à la surface du moule.

Dans le cas de la grande série, le procédé de moulage par compression à la presse à chaud fait appel au même principe, mais l'utilisation de moules en acier permet des pressions et des températures plus élevées, et donc des temps de cycle nettement plus courts.

Le procédé de moulage basse pression de SMC développé par le service des matériaux et produits organiques (0854) est bien adapté à la mise au point de pièces travaillantes.

Les pièces en SMC réalisées suivant ce procédé peuvent être soumises à des essais mécaniques (statiques et dynamiques) ce qui permet de vérifier des concepts et des calculs avant de lancer les outillages définitifs pour la série.

Les délais de réalisation de l'outillage sont relativement courts; les prix restent modérés; l'investissement capacitaire se limite à une table de serrage mobile, une cabine d'aspiration une étuve et un enregistreur.

Par rapport aux procédés utilisés à l'extérieur pour les prototypes et la petite série (squeeze molding ou SMC spéciaux basse pression + moule métallisé + presse), celui que nous venons de décrire est le seul à notre connaissance qui mette en oeuvre les SMC adaptés à la grande série.

4.8 - L'ESTAMPAGE DE THERMOPLASTIQUES ARMÉS (TRE, GMT, ...) (fig.13)

Les mats de verre imprégnés d'un thermoplastique (ou TRE thermoplastiques renforcés estampables) constituent des demi-produits stables. Ce sont des composites qui par leur structure entrent dans la catégorie des stratifiés, tout comme les préimprégnés verre-polyester (SMC) Les types de moule et de presse utilisés sont les mêmes, mais les conditions de mise en oeuvre industrielles sont différentes:

  SMC TRE
- Température de l'ébauche
(1 ébauche = n flans empilés)
- Température du moule
- Pression de moulage
- Temps de pressage
Ambiante

140 à 160°C
75 à 100 bars
16 à 20 s/mm
> fusion du TP

< à fusion du TP
150 à 200 bars
8 à 10 s/mm

La réalisation de pièces prototypes en TRE peut s'effectuer selon 2 méthodes, suivant les besoins du BE :

4.9 - LES PLASTISOLS (fig.14)

Un plastisol est une émulsion de résine en particules de l'ordre de 1 µm, dans un plastifiant (ex: PVC + DOP)

Le moule est une empreinte métallique mâle ou femelle que l'on doit préchauffer (130 à 180°C suivant épaisseur)

Le moule est trempé dans le plastisol dans le cas d'une empreinte mâle, puis égoutté.

Le plastisol est versé dans le moule dans le cas d'une empreinte femelle, puis l'excédent est évacué.

Le moule garni de plastisol passe dans une étuve de gélification (ex: 200°C) puis est refroidi. La pièce est ensuite facilement démoulée en jouant sur son élasticité.

Pour éviter des traces de coulure il est recommandé de mettre le moule en rotation suivant 2 axes jusqu'à ce que la gélification soit suffisamment avancée.

Des pièces prototypes souples comme les soufflets de levier de vitesse, sont fabriquées suivant ce procédé.

5 - CAS DES COMPOSITES A HAUTES PERFORMANCES (HP)

Les applications des composites à matrice organique dans l'automobile font l'objet d'une autre partie du Cours Polymères. Nous ne parlons ici que de leur mise en oeuvre.

La réalisation de pièces en composites sous forme de stratifiés a déjà été abordée dans le chapitre 4 (contact, moule et contremoule, RTM, SMC, TRE)

Pour que des composites présentent de hautes performances il faut réunir les conditions suivantes:

Les procédés permettant de réaliser des pièces en composites HP sont principalement:

Ceux marqués d'un astérisque sont applicables à la grande série.

5.1 - LE DRAPAGE (fig.15)

Dans le procédé de moulage au contact (§ 4.1.1), les opérations d'imprégnation, de drapage, et de compactage (débullage), sont faites simultanément.

Quand on utilise des renforts préimprégnés, le moulage n'est plus que du drapage et du compactage.

Le drapage se fait généralement dans un moule femelle en évitant la formation de plis.

Le compactage consiste à tirer le vide entre le moule et une membrane déformable ("moulage au sac")

Le dégazage peut être amélioré par l'interposition d'un tissu de drainage entre le composite et la membrane formant contremoule.

Une variante consiste à draper des renforts secs dans le moule et à utiliser le vide pour faire cheminer la résine à travers l'armature, la pression atmosphérique étant appliquée extérieurement sur l'ensemble.

La polymérisation en autoclave permet d'appliquer une pression plus élevée (3 à 15 bars) et de programmer la température.

Nous avons adopté (0854) une technique de drapage simplifiée qui nous a permis, entre autre, de réaliser un plancher sandwich avec des semelles en composite carbone-époxy et une âme en nid d'abeille pour VESTA (Véhicule Expérimental de Systèmes et Techniques Avancés)

5.2 - L'ENROULEMENT FILAMENTAIRE (fig.16)

C'est un procédé utilisé principalement pour le moulage de corps creux tels que des enveloppes de fusée, des citernes, des silos, et des tuyaux de grand diamètre,
Il consiste à enrouler des mèches de fibres imprégnées de résine autour d'un mandrin représentant la forme intérieure de la pièce.
Après cuisson, il faut extraire le mandrin qui est récupérable (mandrin démontable) ou perdu (mandrin en matière fusible, soluble ou friable)

Il existe des machines perfectionnées permettant l'enroulement de mèches préimprégnées, suivant un programme préétabli, avec un contrôle de la tension des filaments.
Mais nous avons pu réaliser des lames de pare-chocs et des poutres de sécurité expérimentales par enroulement à la main.

5.3 - LA PULTRUSION (fig.17)

La pultrusion est un procédé de fabrication en continu de profilés en plastique armé (=composite)

Le principe en est le suivant:

Les matières les plus utilisées sont les fibres de verre et les résines polyesters insaturées.

Les fibres de carbone et les résines époxydes (ainsi que d'autres matières à hautes propriétés et à niveau de prix élevé) sont réservées aux rares applications où le bénéfice de l'allègement est suffisamment important.

Des recherches concernant le procédé (pultrusion courbe, pultrusion thermoplastique) et des expériences d'applications automobiles (pare-chocs, renforts de porte, tubes absorbeurs d'énergie, cornières de batterie, traverses) ont été effectuées avec succès, mais n'ont pas été suivies de développement (liberté de dessin très limitée)

Une application récente de la pultrusion dans l'automobile est l'antenne radio, avec un fil de cuivre au milieu des fibres de verre.

Une machine de pultrusion capable de fabriquer des petits profilés existe au Sce 0854.

5.4 - LA COMPRESSION SUR RUP (fig.18)

Le procédé que nous avons adopté pour fabriquer les lames de ressort prototypes s'apparente à l'enroulement-compression, mais en utilisant des nappes de fibres de verre préimprégnées.

Pour la fabrication en série, nous avons mis au point un procédé de compression à chaud à partir d'ébauches.
Ces ébauches sont obtenues en assemblant plusieurs bandes de renforts unidirectionnels préimprégnés (RUP) verre-époxy.
La mise en forme est terminée par la fermeture de la presse, laquelle est pilotée par un microprocesseur.
Le temps de cuisson est fonction de la température du moule, de l'épaisseur de la lame et de la réactivité du préimprégné.
Une post-cuisson à l'étuve améliore ensuite les propriétés thermomécaniques.

Des pièces prototypes peuvent être rapidement obtenues avec des moules en béton de résine ou en aluminium

Outre des lames de ressorts, nous avons réalisé des bras de roue, et des traverses de sécurité, selon ce procédé.

ASPECT DES PIÈCES

Avant de démarrer la fabrication d'une pièce il est important de connaître ses parties visibles, les épaisseurs à respecter, et l'aspect désiré (teinte, état de surface)

Ces renseignements permettent de choisir la face de référence pour les modèles, et de déterminer comment procéder pour obtenir l'aspect désiré:

Ces aspects peuvent être obtenus sur les pièces plastiques en grande série, avec des moyens industriels appropriés.

La caractérisation des différents traitements ou revêtements, de surface des plastiques est traitée dans une autre partie du Cours Polymères.

6.1 - ASPECT VENANT DE MOULAGE

Le choix de la matière et de ses additifs éventuels permet d'obtenir des pièces moulées:

Un tissu, un feutre, un papier décor, du bois de plaquage, etc., peuvent être incorporés dans certains cas au moulage.

Une couche de matière teintée (gel-coat) est parfois appliquée sur le moule avant l'opération de moulage.

Dans le cas des pièces de carrosserie moulées par compression en préimprégné à retrait compensé (SMC LP), l'état de surface est amélioré par une opération de surmoulage (IMC) incluse dans le cycle de moulage sous presse.

Il est possible d'obtenir des pièces moulées:

en donnant aux empreintes des moules l'état de surface négatif correspondant (procédés mécaniques, photogravure, revêtement électrolytique, ... )

En ce qui concerne les pièces prototypes, il est courant de revêtir le modèle avec un simili cuir (ou autre matériau en feuille présentant l'aspect désiré) Par stratification (§ 4.1), un moule et des pièces dont l'état de surface est la réplique de celui du modèle sont ainsi réalisés.

6.2 - PEINTURE GRENÉE

Sur des pièces prototypes telles que des boucliers, des planches de bord, des ébénisteries, etc. ... l'aspect final (grain et teinte) est souvent obtenu par application d'une peinture.

La grosseur, la brillance et la densité des grains sont fonction de la formulation du produit, de sa préparation, du réglage du pistolet et de l'habileté de l'opérateur.

Cette technique qui donne des résultats remarquables est souvent utilisée pour la petite et la moyenne série.

6.3 - THERMOGAlNAGE

Le thermogainage consiste à thermoformer (§ 4.2) une peau de surface (PVC, ABS/PVC, tissu ou tricot enduit, ...) sur une pièce plastique préencollée.
Les colles polyuréthannes utilisées n'ont aucun pouvoir adhésif à la température ambiante mais sont réactivées au contact de la peau encore chaude à la fin de son thermoformage.
La pièce à revêtir (ou insert) doit être soutenue par un support épousant sa forme intérieure.

Ce procédé est appliqué sur des planches de bord, des consoles, des panneaux de porte , en grande série, mais également au stade prototype avec un outillage provisoire.

6.4 - MÉTALLISATION

Dans un but décoratif, mais aussi éventuellement mécanique, thermique ou électrique, il est possible d'appliquer un métal à la surface d'un objet.

On distingue plusieurs procédés de métallisation:

6.4.1 - La métallisation par collage

Elle est réalisée à l'aide d'une suspension de poudre métallique dans un liquide pouvant dissoudre superficiellement l'objet. Après évaporation le métal reste à la surface de l'objet.

Dans les cas de surfaces planes ou développables on peut coller directement un film métallique sur l'objet.

6.4.2 - La métallisation chimique

Elle est effectuée en appliquant sur l'objet un bain de métallisation (sel d'argent par exemple) qui libère le métal par une réaction chimique.

Il est malheureusement de nombreux cas où l'adhésivité du métal est trop faible, sinon nulle.

6.4.3 - La métallisation électrolytique

Elle est faite en déposant le métal sur l'objet rendu conducteur par l'un ou l'autre des procédés ou par une graphitisation préalable.

6.4.4 - La métallisation sous vide

Elle consiste à condenser à la surface de l'objet refroidi, les vapeurs d'un métal émises dans une enceinte sous vide.

Généralement un fil de métal est porté à une température convenable par le passage d'un courant électrique et se trouve ainsi volatilisé.

Il faut appliquer sur les pièces un vernis d'accrochage et un vernis de protection (cuisson vers 80°C)

6.5 - LA DÉCORATION

L'imagination pour décorer des pièces est sans limite. Nous citerons simplement 3 principes pouvant englober l'ensemble des procédés:

6.5.1 - La décoration par enlèvement de matière

Réalisation de motifs décoratifs par: gravure, découpage, perforation, etc...

6.5.2 - La décoration par apport de matière

Fixation à la surface d'un objet d'éléments décoratifs par incrustation à chaud ou soudage.

6.5.3 - La décoration par impression

Application, à l'aide d'encres spéciales, de motifs décoratifs ou d'inscriptions diverses sur la surface des objets.

Une encre comporte un colorant, un solvant volatil et une résine compatible avec celle du support.

L'impression est difficile sur des matériaux à forte cristallinité, peu attaquables par les solvants, tels que le polyéthylène et le polytétrafluoréthylène.

Suivant l'effet recherché, l'impression sera effectuée:

Tous les procédés de décoration cités peuvent être appliqués sur les pièces dès le stade prototype.

7 - CONCLUSION

Nous avons passé en revue les procédés dont nous disposons pour fabriquer des pièces prototypes en plastique, en caoutchouc ou en composite.

Des efforts sont faits pour que ces procédés rapides et économiques représentent le mieux possible ceux appliqués à la grande série.

La réalisation des pièces prototypes est accompagnée d'une aide technique à la conception :

C'est également l'occasion pour le laboratoire de détecter suffisamment tôt les problèmes qui risquent d'apparaître en clientèle.

L'ensemble < laboratoire + ateliers > constituant le Service des Produits et Matériaux Organiques (0854), regroupe les connaissances sur les propriétés des matériaux, et sur leurs conditions de mise en oeuvre. C'est également depuis toujours un foyer d'innovations au service des Études et de la Recherche :

G.DUPUIS - P.ROUBINET

PJ : Tableau des abréviations utilisées.

Ce document a servi pour des cours de formation continue à l'intérieur et à l'extérieur de Renault.
Dernière mise à jour en 1990.
Archivage PR sur le fichier word « PiecesPlastiquesProto.doc » le 4 février 2004.
Conversion en fichier HTLM "piecesplastiquesproto.htm" le 6 mai 2011.

 

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TABLEAU DES ABRÉVIATIONS UTILISÉES

ABS = Copolymère Acrylonitrile-Butadiène-Styrène

ASA = Copolymère Acrylonitrile-Styrène-Acrylate

BMC = Bulk Molding Compound = prémélange [fibres de verre + résine polyester + charges]

DOP = Dioctylphtalate

GMTs = Glass fiber Mat Thermoplastic sheet TRE

IMC = In Mold Coating = couche de surface (gel coat) surmoulée

OHR = préimprégné Orienté à Haute Résilience = présence de fils de verre continus orientés sens chaîne, dans un SMC

PA = Polyamide

PC = Polycarbonate

PE = Polyéthylène

PET = Polyéthylène téréphtalate

PMMA = Polyméthylméthacrylate

PP = Polypropylène

PU = Polyuréthanne

PVC = Polyvinylchlorure

RIM = Reaction Injection Molding = injection simultanée de 2 produits réagissant dans le moule (ex: polyol + isocyanate   > polyuréthanne)

RRIM = Reinforced RIM = RIM + fibres de renforcement

RUP = Renfort Unidirectionnel Préimprégné (polyester ou époxy)

RTM = Resin Transfert Molding = moulage par injection de résine sur du mat prédéposé dans le moule

SMC = Sheet Molding Compound = préimprégné [mat de verre + résine polyester + charges ], le mat étant généralement confectionné in-situ

SMC LS = SMC Low Shrink = SMC à faible retrait

SMC LP = SMC Low Profile = SMC à retrait compensé

TRE = Thermoplastique Renforcé Estampable = GMTs

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