EP4460416A1 - Surmoulage d'un élément en matériau polymère thermodurcissable - Google Patents

Surmoulage d'un élément en matériau polymère thermodurcissable

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Publication number
EP4460416A1
EP4460416A1 EP23700384.3A EP23700384A EP4460416A1 EP 4460416 A1 EP4460416 A1 EP 4460416A1 EP 23700384 A EP23700384 A EP 23700384A EP 4460416 A1 EP4460416 A1 EP 4460416A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
resin
cavity
robotic arm
interface
Prior art date
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Pending
Application number
EP23700384.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Benjamin MASSETEAU
Franck Bellon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Original Assignee
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut de Recherche Technologique Jules Verne filed Critical Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Publication of EP4460416A1 publication Critical patent/EP4460416A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B29C45/76—Measuring, controlling or regulating
    • B29C45/7613—Measuring, controlling or regulating the termination of flow of material into the mould

Definitions

  • the present invention relates to the production of ancillary elements in synthetic material, in particular in thermosetting polymer material, on a support.
  • the ancillary element may be made of thermosetting polymer material.
  • the present invention meets these needs by proposing a method for producing an ancillary element on a part, in particular to functionalize it, in particular a part made of composite material comprising a matrix of thermosetting polymer material, the method comprising the following steps: a ) positioning, using a robotic arm, a mold on the part, the mold comprising a cavity having a shape corresponding to the element to be produced, this cavity having an opening, the mold being positioned on the part in such a way that the opening of the mold is closed by at least one outer surface of the part, b) injecting a thermosetting resin into the mold held against the part under conditions allowing the resin to polymerize, c) unmolding the element thus overmolded on the piece.
  • the polymerization of the material forming the element is carried out in contact with the part which serves as a support.
  • This polymerization leads to a bond between the element and the part which has good mechanical resistance and above all which is slightly variable from one implementation of the process to another.
  • the part is not or very little degraded by the manufacturing process, which allows it to retain all of its original mechanical properties. In particular, no hole has to be made in the part during the process.
  • thermosetting resin makes it possible to maintain a low injection pressure (typically less than 20 bar), which is easy to counteract using a robotic arm, even of low capacity, in particular a capacity less than 100 kg, or by other means.
  • injection pressure typically less than 20 bar
  • thermoplastic resin would require much higher pressures (typically greater than 500 bar), which would be incompatible with the use of a robotic arm or an electromagnet to hold the mold during the process. 'injection.
  • the mold used for manufacturing can be small in size and easily moved by a robot arm, even of low capacity. It can be easily positioned with very good precision at different locations on the part, and with the desired orientation, depending on the needs.
  • the use of a robotic arm makes it easy to automate the manufacturing process, speed up manufacturing and provide good quality control of the assembly between the element and the part.
  • the part can be made of composite material, of polymer, thermoplastic or thermosetting material, of a metallic material, or be hybrid and comprise at least one metallic material and one polymer material.
  • the part is preferably a part made of composite material, in particular with a matrix of thermosetting polymer material, because this makes it possible to optimize the chemical affinity of the matrix of the part with the resin of the element which is overmolded in contact with it.
  • the method may comprise, before step a) of positioning, a step of localized surface treatment of the part on which the element must be overmoulded.
  • This step may include sanding, texturing, cleaning, for example with a solvent, and/or plasma treatment, this treatment being carried out manually or automatically, for example using the same robotic arm equipped with a suitable effector .
  • the method may comprise, before step a) of positioning, a preliminary step of preheating the mould, the polymerization of the resin being preferably caused by the residual heat of the mould.
  • the heat may not be produced directly in the mould.
  • the weight and size of the mold are limited, which facilitates its handling and positioning on the part.
  • the manufacturing cost of the mold is reduced, which is advantageous when you want to use several molds at the same time on one or more parts.
  • the part of the mold which defines the molding cavity is preferably metallic, so as to have a relatively high thermal inertia. It may be made of steel, in order to have a high mechanical strength, in particular of a steel qualified as “hard” to increase its lifespan.
  • step a) of positioning and/or step b) of injection the part is advantageously maintained at a temperature well below the temperature of the mold, so as not to degrade it.
  • the normal to the surface of the part on which the mold is positioned can form an angle of between 0° and 90° with the horizontal.
  • the robotic arm can be used to transport the mold between a preheating station thereof and the part.
  • the method may comprise, after or during step b) of injection, a step of heating the mould, for example using one or more heating elements present in the mould, which can make it possible to increase the glass transition temperature Tg of the resin in the mould.
  • the robotic arm can be used to counteract the resin injection pressure when filling the mold in contact with the part.
  • an electromagnet located behind the part can be used to help counteract the injection pressure.
  • the robotic arm can be separated from the mold after the resin has set in gel but before complete polymerization of the latter. This reduces the time during which the robotic arm is monopolized by the element in progress.
  • “Gel setting” means the setting by the resin of an intermediate state during the polymerization process thereof, a state in which the resin can no longer flow fluidly, the pressure exerted on the mold to press it against the part which can then be released without risk of resin leakage.
  • the mold cavity can be fed through a supply duct provided with a thermal cooler, in particular a finned passive thermal cooler.
  • the thermal cooler can also be active if necessary, for example by the forced circulation of a cooling fluid or by the use of a Peltier effect heatsink.
  • the supply duct can remain attached to the mold when the robotic arm detaches from the mold; alternatively, this supply duct remains attached to the robotic arm when the latter is detached from the mould.
  • the filling of the cavity is carried out, preferably, until the resin reaches an end-of-filling duct, preferably provided with a porous stopper letting the gases out but opposing the passage of the resin.
  • the volume of resin injected can be controlled by detecting the arrival of the resin in this end-of-filling duct, by a sensor, in particular optical.
  • the volume of resin injected can be controlled by detecting the increase in pressure in the mould.
  • the latter can be equipped with a pressure sensor, if necessary.
  • the mold can be maintained under pressure against the part by using at least one cylinder, in particular hydraulic or pneumatic, acting between the robotic arm and the mold. In an exemplary embodiment, the mold can be held against the part by a force of between 10 and 200 kg.
  • the mould when metallic, can be made of a ferromagnetic material, in order to allow it to be held in contact with the part by the action of a magnetic field passing through it, caused by an electromagnet, which can allow to release the robotic arm more quickly.
  • the pressure exerted by the mold on the part can be reduced during injection.
  • the maintenance of a pressing pressure of the mold on the part can cease after step b) of injection, in particular after a predetermined duration after the end of the injection.
  • This predetermined duration can be between 2 min and 10 min, in particular between 4 min and 7 min.
  • the duration chosen is preferably that which is sufficient to ensure that the resin gels in the mould.
  • Sealing between the mold and the part can be obtained using a metal lip forming a projection on the mold and pressing against the part.
  • This metal lip preferably has a thickness of less than 1 mm, in particular between 0.1 mm and 0.5 mm. Such a thickness prevents damage to the part while ensuring the required seal between the mold and the part.
  • the fact that the part of the mold used to produce the molding cavity is made of steel allows the lip to have good mechanical strength over time.
  • the robotic arm can carry an interface provided with a resin supply system provided with a first fluidic connector, and the mold can include a second fluidic connector suitable for coupling with the first when the mold is coupled to the interface, to allow the injection of resin into the mould.
  • the mechanical coupling between the mold and the interface is carried out for example with a system with one or more locking pins, the interface carrying the locking mechanism.
  • the feed system may include a check valve to prevent resin from flowing when the mold is moved by the robotic arm.
  • the method may comprise, before step a) of positioning and/or before step c) of unmolding, a step consisting in coupling the mold to the robotic arm.
  • a step consisting in coupling the mold to the robotic arm.
  • the resin can be injected into the cavity of the mold at a pressure of between 0.5 bar and 5 bar, in particular at a pressure of 2 bar ⁇ 0.2.
  • the injection pressure of a thermoplastic material is typically several hundred or even several thousand bars.
  • thermosetting polymer resin can be chosen from the group consisting of polyepoxide resins, crosslinked polyurethane resins, polyester resins, vinyl ester resins, cyanate ester resins, phenolic resins, polyurethane resins or a mixture of those -this.
  • the resin injected in step b) can be filled, in particular with mineral, metallic or ceramic particles or fibers, for example of glass or carbon.
  • the filler can in particular make it possible to modulate the fire resistance, the electrical and/or thermal conductivity and/or the mechanical properties of the element.
  • the use of a filler makes it possible to limit the importance of the shrinkage of the resin during its polymerization. Indeed, if the volume shrinkage is too high, the mechanical quality of the connection at the interface between the element and the part can be degraded.
  • the volume shrinkage of the resin during its polymerization is less than or equal to 2% and ideally less than 1%.
  • Step c) of unmolding the element can be carried out using the robotic arm.
  • Step c) of demolding the element can be carried out between 10 min and 30 min, in particular between 12 min and 20 min after the end of step b) of injection. These times vary according to the resins used as well as according to the temperature of the mold.
  • Step c) of stripping can be carried out by the robot along a predetermined stripping axis, in particular along an axis normal to the surface of the part on which the mold is positioned.
  • the stripping operation can be more complex in the presence of undercuts, and involve a more complex movement of the mold and/or an opening of the mold involving the movement of at least one drawer.
  • the stripping operation may be accompanied by the breaking of a core formed by the resin having polymerized in the end of filling pipe and/or in the supply line.
  • the end-of-filling conduit and/or the supply conduit may comprise a narrowing in section intended to constitute a preferential rupture zone during the stripping operation.
  • the method may comprise, after step c) of demoulding, a step of putting the mold back into service.
  • the mold can be cleaned to remove any traces of resin. If necessary, the supply pipe and/or the end of filling pipe can be cleaned and/or at least partially replaced.
  • the mold can be reused to form a new element by again implementing the method according to the invention.
  • the overmolded element may include, where appropriate, an insert, for example placed in the cavity of the mold before positioning the latter on the part.
  • an insert for example placed in the cavity of the mold before positioning the latter on the part.
  • the method can be implemented successively with several moulds.
  • Another subject of the invention is an installation for implementing the method as defined above, for producing at least one element on a part using at least one mold comprising a cavity having a shape corresponding to the element to be produced, this cavity having an opening, the installation comprising: a system for supplying the mold with thermosetting resin, a system for heating the mold, a robotic arm making it possible to move the mold.
  • the installation allows the manufacture of at least one element on the part, in a simple and reliable way.
  • the facility is also very adaptive as it can be easily used to fabricate different elements on different parts.
  • the mold heating system can be separated from the mold, comprising for example a heating surface on which the mold can be placed while waiting to be used.
  • the mold heating system can also include a closed heated enclosure in which the mold is placed before being used.
  • the mold or molds can thus be placed, in particular by the robotic arm, on the heating surface or in the enclosure before being positioned on the part for the manufacture of the element or elements.
  • the mold can be detachable from the robotic arm. It is then easy to modify the mold and/or to prepare it, and the time of occupation of the robot by the mold can be reduced.
  • the robotic arm can, once the resin has gelled in the mold, uncouple from a first mold and go find a second mold to make a second element, the polymerization continuing in the first mold.
  • the time required to manufacture these elements is then reduced.
  • the robotic arm can carry an interface provided with the resin supply system, the latter being provided with a first fluidic connector suitable for coupling with a second fluidic connector present on the mold, when the mold is coupled to the interface .
  • the facility may also include a used mold storage area in which the mold(s) can be placed after an item has been manufactured pending return to service.
  • the installation may include a control system for the robotic arm, for example a computer or an automaton, and various mechanical systems for implementing the process.
  • the installation may include an electromagnet used to hold the mold against the part, the magnetic field being exerted through the thickness of the part.
  • Another subject of the invention is a mold for producing an element on a part, for implementing the method as defined previously and/or used in the installation as defined above, the mold comprising a cavity having a shape corresponding to the element to be produced, this cavity having an opening to be arranged facing the part.
  • the mold may include a metal lip forming a projection on the mold and surrounding the opening of the cavity, the metal lip having in particular a thickness less than or equal to 1 mm, in particular between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • the mold may, if necessary, comprise a seal surrounding said opening of the cavity, in particular outside the aforementioned metal lip, this seal providing an additional barrier by preventing resin leaks if the seal obtained with the lip is not not complete.
  • This seal may be an elastomer bead.
  • the mold may include a coupling system with the robotic arm. This coupling system may comprise one or more pins on the mold, and one or more corresponding housings on the interface, or vice versa.
  • the mold may comprise a supply duct provided with a thermal cooler making it possible to supply the cavity with resin, in particular a passive finned thermal cooler.
  • This supply conduit can be a consumable, that is to say be replaced at least partially after each use of the mold.
  • the part of the supply duct located at the level of the thermal cooler can be used for several overmouldings, the thermal cooler preventing or limiting the freezing of the resin in this part.
  • the mold may include an end-of-filling duct, preferably provided with a porous plug allowing the gases to escape but preventing the passage of the resin, the end-of-filling duct being in particular provided with a thermal cooler, in particular a finned passive thermal cooler.
  • the porous plug makes it possible to evacuate the gases trapped in the cavity of the mold and can make it possible to pressurize the resin at the end of filling the mold in order to be able to carry out compacting steps. This can be done for example by adding 1 ml of resin, twice with an interval of 20s, which makes it possible to compensate for the shrinkage of the resin when it crosslinks.
  • the end of filling duct can be a consumable, that is to say be replaced at least partially after each use of the mould.
  • the end-of-filling duct may comprise at least one part made of a transparent plastic material, so as to allow optical detection of the resin through its wall, this detection being able to provide information on the end of filling of the mould.
  • the mold cavity can have a shape without undercut, that is to say allowing the demolding of the element by a simple traction exerted on it.
  • the mold can also be more complex and formed of different parts assembled together in a removable manner, for example to form a cavity having an undercut.
  • the part of the mold which defines the molding cavity is advantageously made of metal, in particular of steel. This has the advantage of giving the mold good thermal inertia, necessary to maintain a temperature allowing polymerization resin in the absence of proper heating means.
  • the temperature of the mold is thus for example 130° C. at the start of injection and 100° C. at the end of injection.
  • an interface configured to be coupled to a robotic arm and to a mold as defined above, comprising a fluidic connector capable of being coupled with a fluidic connector complementary to the mold when the latter is coupled to the interface and at least one jack making it possible to maintain the mold under pressure on the part.
  • This cylinder can be instrumented in order to allow the system to know the pressure actually applied.
  • the interface may include a system for supplying thermosetting resin to the mould.
  • the interface may comprise an end-of-filling detector of the mold cavity, in particular an end-of-filling detector intended to detect the arrival of the resin in the above-mentioned conduit at the end of filling of the mold.
  • This detector can be optical, as mentioned previously.
  • the interface may comprise a system for coupling to the mould, for example a system comprising one or more pins adapted to engage in corresponding housings or vice versa, provided with a mechanism for locking the pins in their housings.
  • Another subject of the invention is a system comprising a plurality of molds as defined above and an installation as defined above.
  • the system includes for example between 2 and 50 molds to form one or more types of elements on one or more parts.
  • the molds can be identical, if necessary.
  • Figure 1 illustrates, in side view, schematically, a first step of an exemplary method according to the invention, implemented using a system according to the invention
  • Figure 2 illustrates, in side view, schematically, the coupling of the robotic arm and a mold of Figure 1,
  • FIG 3 is an enlargement of Figure 2 according to III,
  • Figure 4 is a view similar to Figure 2,
  • Figure 5 is a view similar to Figure 1 illustrating another step of the method
  • Figure 6 is a view similar to Figure 1 illustrating another step of the method
  • Figure 7 is a view similar to Figure 1 illustrating another step of the method
  • Figure 8 illustrates, in side view, schematically, another step of the process
  • Figure 9 illustrates, in side view, schematically, a part comprising an overmolded element according to the method of the invention
  • FIG 10 is a schematic perspective view of the element of Figure 9,
  • FIG 11 figure 11 illustrates, in side view, schematically, another step of the method according to the invention
  • figure 12 illustrates, in perspective, schematically, another example of a part comprising several overmolded elements according to the method according to the invention.
  • Figure 13 illustrates, in side view, schematically, another example of installation according to the invention.
  • FIG. 1 a system 1 according to the invention, comprising a plurality of molds 10 and an installation 2 allowing the implementation of the method according to the invention to overmold in situ an element E annex on a part P to functionalize .
  • Part P is, in this example, positioned on a support T.
  • the part P is, for example, a part made of composite material with a thermosetting polymer matrix.
  • the installation 2 comprises a system for heating the molds 10 comprising, for example, a heating surface 11 on which they are placed awaiting use.
  • the installation 2 comprises a robotic arm 3, with several axes, for example with 6 axes, to which an interface 5 is coupled via a connection system 4.
  • the robotic arm has, for example, a capacity of less than 100 kg.
  • the interface 5 comprises a frame 110, visible more particularly in figure 2.
  • the interface 5 includes at least one hydraulic cylinder 20, shown schematically, acting between the robotic arm 3 and the frame 110 of the mold 10.
  • the interface 5 includes connectors 6 able to mate with connectors 7 of the mold 10 to hold the mold 10 secured to the frame 110.
  • Connectors 6 and 7 are for example of the matching pin/socket type, configured to mate together.
  • a controlled locking mechanism keeps the connectors 6 and 7 coupled.
  • This locking mechanism comprises, for example, movable locks 9.
  • the locks 9 When the robotic arm 3 and the mold 10 are uncoupled, the locks 9 are in a retracted position. Conversely, when they are coupled, the locks 9 are in an extended position and engage through corresponding passages 8 of the connectors 6 and 7 to ensure that they are maintained in the coupled configuration.
  • the robotic arm 3 can carry, on the interface 5, a resin supply system 21 provided with a first fluidic connector 22 secured to the frame 110, coupling with a second fluidic connector 23 secured to the mold 10. This coupling between the two fluidic connectors 22 and 23 takes place automatically when the robotic arm 3 and the mold 10 are coupled and comes apart when their separation.
  • the first fluidic connector 22 comprises, for example, a non-return valve making it possible to prevent the resin from flowing when the mold 10 is moved by the robotic arm 3.
  • the mold 10 comprises a cavity 12 having a shape corresponding to the element E to be produced and having an opening 13.
  • the part of the mold 10 which defines the cavity 12 is preferably metallic, in particular steel.
  • the mold 10 comprises a metal lip 14, visible in FIG. 3, forming a projection on the mold 10.
  • This metal lip 14 has, for example, a thickness e of between 0.1 mm and 0.5 mm. It may have, as shown, a section of substantially triangular shape.
  • the mold 10 comprises a supply conduit 25.
  • the supply conduit 25 may comprise a tube 26, carrying the fluidic connector 23, and a nozzle 27 connecting the tube 26 to a channel supply 29 of the cavity 12 of the mold 10.
  • the tube 26 is, for example, made of silicone or polymer resistant to the temperature to which the resin is heated.
  • the nozzle 27 is, for example, made of a metallic material and comprises a passive thermal cooler 28 comprising fins.
  • the mold 10 comprises an end of filling duct 30, opening in this example at the top of the cavity 12.
  • the end of filling pipe 30 comprises, for example, a tube 31 and a vent 32 between the tube 31 and an evacuation channel 35 of the cavity 12.
  • the tube 31 is for example made of silicone or polymer resistant to the temperature to which the resin is heated.
  • the vent 32 can be made of a metallic material and comprise a passive thermal cooler 33, fitted with fins.
  • the end of filling conduit 30 is closed by a porous plug 34 letting the gases out but preventing the passage of the resin.
  • This porous plug 34 makes it possible to evacuate the gases present in the cavity 12 and which could otherwise form bubbles degrading the quality of the element E.
  • the interface 5 may include an optical detector 36 to detect the arrival of the resin in the end of filling conduit 30.
  • an optical detector 36 to detect the arrival of the resin in the end of filling conduit 30.
  • advantage is taken of the fact that the tube 31 is made of transparent silicone. This tube 31 is held in the mold 10 in such a way that it is positioned close to the detector 36 when the mold 10 is coupled to the interface 5.
  • the molds 10 are preheated at the heating station, for example using the heating surface 11 on which they have been placed.
  • the molds 10 are thus preheated to a temperature of 140°C.
  • the robotic arm 3 of the installation 2 is coupled with one of the molds 10 which has been heated.
  • the coupling between the mold 10 and the robotic arm 3 is carried out using the interface 5 carried by the robotic arm 3.
  • the robotic arm 3 moves the mold 10 and positions it on the part P, for example so that the normal n to the surface S of the part on which the mold 10 is positioned form with the horizontal H an angle of 90 °.
  • the mold 10 is positioned on the part P in such a way that the opening 13 of the mold 10 is closed by the outer surface S of the part P.
  • the seal between the mold 10 and the part P is, in this example, obtained using the metal lip 14 applied against the part P.
  • the mold 10 is kept under pressure against the part P using the hydraulic cylinder(s) 20, acting between the robotic arm 3 and the mold 10.
  • the mold 10 can be maintained in pressure against the part P by the action of a magnetic field passing through the latter, the mold 10 being in this case made of a ferromagnetic material, as will be described later. far.
  • thermosetting resin is injected into the mold 10 held against the part P. At this time, the temperature of the metal part which defines the cavity 12 of the mold is still relatively high, due to the thermal inertia of the latter, and for example greater than or equal to 130°C.
  • Resin from supply system 21 passes through supply conduit 25 of mold 10.
  • the thermal cooler 28 makes it possible to evacuate the heat and thus prevent the heat from propagating beyond it into the tube 26. In this way, the resin does not polymerize in the supply system 21, which makes it possible to perform several injections without having to clean or change the supply system 21.
  • the filling of the cavity 12 is done by the injection of a resin coming from the supply system 21 and passing through the supply conduit 25 and the supply channel 29.
  • the injection of the resin can be done as illustrated from the bottom of the cavity 12 of the mold 10.
  • the filling of the cavity 12 takes place until the resin reaches the end of filling conduit 30, positioned for example at the top of the cavity 12.
  • the thermal cooler 33 makes it possible to evacuate the heat upstream of the vent 32 and thus prevent the resin from polymerizing in the latter.
  • the volume of resin injected is controlled by the optical detection, using the detector 36, of the arrival of the resin in the end of filling conduit 30.
  • the temperature of the metal part of the mold 10 is for example about 100°C.
  • the part of the mold 10 used to define the cavity 12 gives it sufficient heat capacity for the temperature in the cavity 12 of the mold 10 to be high enough to fully polymerize the resin.
  • the robotic arm 3 makes it possible to counteract the injection pressure of the resin during the filling of the mold 10 in contact with the part P.
  • the resin is injected, for example, at a pressure of 2 bar.
  • the injection of the resin into the cavity 12 of the mold 10 lasts for example 2 min.
  • the resin is, for example, a polyepoxy resin loaded with particles giving the resin fire resistance.
  • the polymerization of the resin in the cavity 12 of the mold is caused by the residual heat of the mold 10, resulting from the mold preheating step 10.
  • the maintenance under pressure of the mold 10 on the part P can be reduced, because the resin has gelled.
  • the mold 10 is left on the part P and the polymerization of the resin in the cavity 12 continues.
  • the robotic arm 3 After being separated from the mold 10, the robotic arm 3 is for example moved in order to couple with a second mold 10 present at the preheating station. This second mold 10 will in turn be positioned on part P to produce a second element E.
  • This demoulding can be carried out by a movement of the robotic arm 3 along an axis D.
  • This movement of the robotic arm 3 makes it possible to break the core of resin which has polymerized in the supply channel 29 and in the evacuation channel 35, and thus to release the element E from the mold 10.
  • This demoulding step occurs, for example, approximately 15 min after the end of the injection.
  • the element E obtained after demolding is for example as illustrated in Figures 9 and 10.
  • the element E comprises for example a base 40 of substantially circular shape, which can comprise openings allowing screws to be placed in the applications where intended.
  • a base 40 of substantially circular shape, which can comprise openings allowing screws to be placed in the applications where intended.
  • On this base 40 extends a cylinder 42 which has at its base reinforcing ribs 43, for example four, of substantially triangular shape.
  • a seventh step illustrated in FIG. 11, the mold 10 is moved into a zone 45 for re-preparing the molds used to be put back into service after cleaning.
  • the cavity 12, the supply channel 29 and the evacuation channel 35 of the mold 10 can be cleaned to remove any traces of resin.
  • the nozzle 27 and the vent 32 are also cleaned to remove any traces of resin and thus be reused. If necessary, the nozzle 27 and the vent 32 could also constitute low cost consumables which would be replaced for each new part.
  • the tubes 26 and 34 can, for their part, be replaced by new ones.
  • part P comprises two beams 100 on which the elements E have been overmolded.
  • the part can be of any shape, for example have a curvature or comprise another material, for example metal.
  • the mold 10 may include a cavity of a different shape.
  • the system can include more moulds, for example between 3 and 50 moulds.
  • An electromagnet 200 can be used to hold the mold 10 applied against the part P after separation from the robotic arm 3, as illustrated in FIG. 13.
  • the magnetic field is exerted by F electromagnet through the part P. It is then possible, once the mold 10 has been correctly positioned by the robotic arm on the part, to activate the electromagnet, to proceed with the injection of the resin, then to uncouple the robotic arm and the mold as soon as the injection is finished , the mold being held in place against the workpiece by an electromagnet.

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Abstract

Procédé de réalisation d'un élément (E) annexe sur une pièce (P), notamment pour la fonctionnaliser, en particulier une pièce (P) en matériau composite comportant une matrice en matériau polymère thermodurcissable, le procédé comportant les étapes suivantes : a) positionner à l'aide d'un bras robotisé (3) un moule (10) sur la pièce (P), le moule (10) comportant une cavité (12) ayant une forme correspondant à l'élément (E) à réaliser, cette cavité (12) présentant une ouverture (13), le moule (10) étant positionné sur la pièce (P) de telle manière que l'ouverture (13) du moule (10) soit fermée par au moins une surface extérieure (S) de la pièce (P), b) injecter une résine thermodurcissable dans le moule (10) maintenu contre la pièce (P) dans des conditions permettant à la résine de polymériser, c) démouler l'élément (E) ainsi surmoulé sur la pièce (P).

Description

Description
Titre : Surmoulage d’un élément en matériau polymère thermodurcissable
Domaine technique
La présente invention concerne la réalisation d’éléments annexes en matière synthétique, notamment en matériau polymère thermodurcissable, sur un support.
Technique antérieure
Sur certaines pièces, d’aéronefs par exemple, il est souvent nécessaire de rapporter des éléments annexes, ayant une fonction déterminée, par exemple de fixation ou de guide pour des câbles.
Ces éléments ne peuvent pas toujours être fabriqués directement avec la pièce de par leur localisation ou leur forme. De plus, le besoin d’un tel élément peut apparaître seulement après la fabrication de la pièce.
L’élément annexe peut être en matériau polymère thermodurcissable.
Il est connu de faire l’ajout par collage de l’élément sur la pièce. Cependant, la tenue mécanique de la liaison entre l’élément et la pièce dépend de l’opérateur et n’est donc pas toujours optimale dans le cas d’un collage. De plus, le collage, pour qu’il soit de bonne qualité, demande un temps d’opération très long.
Il est également connu de fixer mécaniquement l’élément annexe par vissage, notamment en complément du collage pour assurer un minimum de tenue mécanique. Ce dernier offre généralement une meilleure tenue mécanique que le collage mais peut dégrader la résistance mécanique de la pièce car des trous y sont pratiqués pour positionner les vis, en particulier lorsque celle-ci est en matériau composite. Le vissage implique une opération supplémentaire d’étanchéification des trous et de l’interface entre la pièce et l’élément annexe, par exemple un ajout de mastic. De plus, la fixation par vissage accroît la masse de l’ensemble car ce sont des éléments métalliques lourds, ce qui n’est pas souhaitable dans les secteurs de l’aéronautique ou du spatial.
Par ailleurs, le collage ou le vissage s’accompagnent souvent d’un nombre important d’opérations manuelles.
Exposé de l’invention
Il existe un besoin pour faciliter l’ajout d’un ou plusieurs éléments annexes en matériau polymère thermodurcissable sur une pièce déjà fabriquée. Il existe également un besoin pour réduire la variabilité de la résistance mécanique de la liaison entre l’élément collé et la pièce.
Résumé de l’invention
La présente invention répond à ces besoins en proposant un procédé de réalisation d’un élément annexe sur une pièce, notamment pour la fonctionnaliser, en particulier une pièce en matériau composite comportant une matrice en matériau polymère thermodurcissable, le procédé comportant les étapes suivantes : a) positionner à l’aide d’un bras robotisé un moule sur la pièce, le moule comportant une cavité ayant une forme correspondant à l’élément à réaliser, cette cavité présentant une ouverture, le moule étant positionné sur la pièce de telle manière que l’ouverture du moule soit fermée par au moins une surface extérieure de la pièce, b) injecter une résine thermodurcissable dans le moule maintenu contre la pièce dans des conditions permettant à la résine de polymériser, c) démouler l’élément ainsi surmoulé sur la pièce.
Grâce à l’invention, la polymérisation du matériau formant l’élément est réalisée au contact de la pièce qui sert de support. Cette polymérisation conduit à une liaison entre l’élément et la pièce qui présente une bonne résistance mécanique et surtout qui est faiblement variable d’une mise en œuvre du procédé à une autre.
De plus, la pièce n’est pas ou que très peu dégradée par le procédé de fabrication, ce qui lui permet de conserver toutes ses propriétés mécaniques d’origine. En particulier, aucun trou n’a à être réalisé dans la pièce au cours du procédé.
L’emploi d’une résine thermodurcissable permet de conserver une pression d’injection faible (typiquement inférieur à 20 bar), qu’il est facile de contrecarrer à l’aide d’un bras robotisé, même de faible capacité, notamment une capacité inférieure à 100 kg, ou par d’autres moyens. Par comparaison, l’injection d’une résine thermoplastique nécessiterait des pressions nettement plus élevées (typiquement supérieur à 500 bar), qui seraient incompatibles avec l’emploi d’un bras robotisé ou d’un électro-aimant pour maintenir le moule durant l’injection.
Le moule servant à la fabrication peut être de taille réduite et facilement déplaçable par un bras robot, même de faible capacité. Il peut être aisément positionné avec une très bonne précision à différents endroits sur la pièce, et avec l’orientation voulue, en fonction des besoins.
L’utilisation d’un bras robotisé permet d’automatiser facilement le procédé de fabrication, d’accélérer la fabrication et offre un bon contrôle de la qualité de l’assemblage entre l’élément et la pièce.
La pièce peut être en matériau composite, en matériau polymère, thermoplastique ou thermodurcissable, en un matériau métallique, ou être hybride et comporter au moins un matériau métallique et un matériau polymère.
La pièce est de préférence une pièce en matériau composite, notamment à matrice en matériau polymère thermodurcissable, car cela permet d’optimiser l’affinité chimique de la matrice de la pièce avec la résine de l’élément qui est surmoulé à son contact.
Le procédé peut comprendre, avant l’étape a) de positionnement, une étape de traitement de surface localisé de la pièce sur laquelle l’élément doit être surmoulé. Cette étape peut comporter un ponçage, un texturage, un nettoyage, par exemple avec un solvant, et/ou un traitement plasma, ce traitement étant réalisé manuellement ou de manière automatique, par exemple en utilisant le même bras robotisé muni d’un effecteur adapté.
Le procédé peut comporter, avant l’étape a) de positionnement, une étape préalable de préchauffage du moule, la polymérisation de la résine étant de préférence provoquée par la chaleur résiduelle du moule. Dans ce cas, la chaleur peut ne pas être produite directement dans le moule. De cette façon, le poids et l’encombrement du moule sont limités, ce qui facilite sa manipulation et son positionnement sur la pièce. De plus, le coût de fabrication du moule est réduit, ce qui est avantageux lorsque l’on souhaite utiliser plusieurs moules à la fois sur une ou plusieurs pièces. La partie du moule qui définit la cavité de moulage est de préférence métallique, de façon à présenter une inertie thermique relativement importante. Elle peut être en acier, afin de présenter une résistance mécanique élevée, notamment en un acier qualifié de « dur » pour augmenter sa durée de vie.
Au cours de l’étape a) de positionnement et/ou de l’étape b) d’injection, la pièce est avantageusement maintenue à une température bien en-dessous de la température du moule, afin de ne pas la dégrader.
Au cours de l’étape a) de positionnement, la normale à la surface de la pièce sur laquelle le moule est positionné peut former avec l’horizontale un angle compris entre 0° et 90°. Le bras robotisé peut être utilisé pour transporter le moule entre un poste de préchauffage de celui-ci et la pièce.
En variante, ou additionnellement, le procédé peut comporter, après ou pendant l’étape b) d’injection, une étape de chauffage du moule, par exemple à l’aide d’un ou plusieurs éléments chauffants présents dans le moule, ce qui peut permettre d’augmenter la température de transition vitreuse Tg de la résine dans le moule.
Le bras robotisé peut être utilisé pour contrecarrer la pression d’injection de la résine lors du remplissage du moule au contact de la pièce. En variante, un électroaimant disposé derrière la pièce peut être utilisé pour aider à contrecarrer la pression d’injection.
Le bras robotisé peut être séparé du moule après prise en gel de la résine mais avant polymérisation complète de celle-ci. Cela permet de réduire la durée pendant laquelle le bras robotisé est monopolisé par l’élément en cours de réalisation.
Par « prise en gel », on entend la prise par la résine d’un état intermédiaire lors du processus de polymérisation de celle-ci, état dans lequel la résine ne peut plus s’écouler de manière fluide, la pression exercée sur le moule pour le presser contre la pièce pouvant alors être relâchée sans risque de fuite de résine.
La cavité du moule peut être alimentée au travers d’un conduit d’alimentation pourvu d’un refroidisseur thermique, notamment un refroidisseur thermique passif à ailettes. Le refroidisseur thermique peut également être actif le cas échéant, par exemple par la circulation forcée d’un fluide de refroidissement ou par l’utilisation de dissipateur à effet Peltier. Le conduit d’alimentation peut rester solidaire du moule lorsque le bras robotisé se détache du moule ; en variante, ce conduit d’alimentation reste solidaire du bras robotisé lorsque ce dernier se détache du moule.
Le remplissage de la cavité s’effectue, de préférence, jusqu’à ce que la résine atteigne un conduit de fin de remplissage, muni de préférence d’un bouchon poreux laissant sortir les gaz mais s’opposant au passage de la résine.
Dans ce cas, le volume de résine injecté peut être contrôlé par la détection de l’arrivée de la résine dans ce conduit de fin de remplissage, par un capteur, notamment optique.
En variante ou en complément, le volume de résine injecté peut être contrôlé par la détection de l’augmentation de la pression dans le moule. Ce dernier peut être muni d’un capteur de pression, le cas échéant. Le moule peut être maintenu en pression contre la pièce en utilisant au moins un vérin, notamment hydraulique ou pneumatique, agissant entre le bras robotisé et le moule. Dans un exemple de réalisation, le moule peut être maintenu en appui sur la pièce par une force comprise entre 10 et 200 kg.
Le moule, lorsque métallique, peut être réalisé dans un matériau ferromagnétique, afin de lui permettre d’être maintenu en appui contre la pièce par l’action d’un champ magnétique traversant celle-ci, provoqué par un électroaimant, ce qui peut permettre de libérer plus rapidement le bras robotisé.
La pression exercée par le moule sur la pièce peut être réduite au cours de l’injection. Le maintien d’une pression d’appui du moule sur la pièce peut cesser après l’étape b) d’injection, notamment après une durée prédéterminée après la fin de l’injection. Cette durée prédéterminée peut être comprise entre 2 min et 10 min, notamment entre 4 min et 7 min. La durée choisie est de préférence celle qui suffit pour assurer la prise en gel de la résine dans le moule.
L’étanchéité entre le moule et la pièce peut être obtenue à l’aide d’une lèvre métallique formant saillie sur le moule et s’appliquant contre la pièce. Cette lèvre métallique a de préférence une épaisseur inférieure à 1 mm, notamment comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. Une telle épaisseur permet d’éviter d’endommager la pièce tout en permettant d’assurer l’étanchéité requise entre le moule et la pièce. Le fait que la partie du moule servant à réaliser la cavité de moulage soit réalisée en acier permet à la lèvre de présenter une bonne résistance mécanique dans le temps.
Le bras robotisé peut porter une interface munie d’un système d’alimentation en résine pourvu d’un premier connecteur fluidique, et le moule peut comporter un deuxième connecteur fluidique apte à s’accoupler avec le premier lorsque le moule est accouplé à l’interface, pour permettre l’injection de résine dans le moule. L’accouplement mécanique entre le moule et l’interface s’effectue par exemple avec un système à une ou plusieurs broches verrouillables, l’interface portant le mécanisme de verrouillage.
Le système d’alimentation peut comporter un clapet anti-retour permettant d’éviter que la résine ne coule lorsque le moule est déplacé par le bras robotisé.
Le procédé peut comporter, avant l’étape a) de positionnement et/ou avant l’étape c) de démoulage, une étape consistant à accoupler le moule au bras robotisé. Lorsque la mise en pression du moule sur la pièce est réduite au cours ou après l’étape b) d’injection, le moule peut être désaccouplé du bras robotisé après réduction de la pression.
Au cours de l’étape b) d’injection, la résine peut être injectée dans la cavité du moule à une pression comprise entre 0,5 bar et 5 bar, notamment à une pression de 2 bar ± 0,2. A titre de comparaison, la pression d’injection d’une matière thermoplastique est typiquement de plusieurs centaines voire plusieurs milliers de bars.
La résine polymère thermodurcissable peut être choisie dans le groupe constitué par les résines de polyépoxydes, les résines de polyuréthanes réticulées, les résines de polyesters, les résines de vinylesters, les résines cyanate esters, les résines phénoliques, les résines polyuréthanes ou un mélange de celles-ci.
La résine injectée à l’étape b) peut être chargée, notamment de particules minérales, métalliques ou céramiques ou de fibres, par exemple de verre ou de carbone. La charge peut notamment permettre de moduler la résistance au feu, la conductivité électrique et/ou thermique et/ou les propriétés mécaniques de l’élément.
De plus, l’utilisation d’une charge permet de limiter l’importance du retrait de la résine lors de sa polymérisation. En effet, si le retrait volumique est trop important, la qualité mécanique de la liaison à l’interface entre l’élément et la pièce peut être dégradée.
De préférence, le retrait volumique de la résine lors de sa polymérisation est inférieur ou égal à 2% et idéalement inférieur à 1%.
L’étape c) de démoulage de l’élément peut être réalisée à l’aide du bras robotisé.
L’étape c) de démoulage de l’élément peut être réalisée entre 10 min et 30 min, notamment entre 12 min et 20 min après la fin de l’étape b) d’injection. Ces temps varient en fonction des résines utilisées ainsi qu’en fonction de la température du moule.
L’étape c) de démoulage peut être réalisée par le robot selon un axe de démoulage prédéterminé, notamment selon un axe normal à la surface de la pièce sur laquelle le moule est positionné.
En variante, l’opération de démoulage peut être plus complexe en présence de contredépouilles, et impliquer un mouvement plus complexe du moule et/ou une ouverture du moule impliquant le déplacement d’au moins un tiroir.
L’opération de démoulage peut s’accompagner de la rupture d’une carotte formée par la résine ayant polymérisée dans le conduit de fin de remplissage et/ou dans le conduit d’alimentation. Pour faciliter cette rupture, le conduit de fin de remplissage et/ou celui d’alimentation peuvent comporter un rétrécissement de section destiné à constituer une zone de rupture préférentielle lors de l’opération de démoulage.
Le procédé peut comporter, après l’étape c) de démoulage, une étape de remise en service du moule. Dans cette étape de remise en service, le moule peut être nettoyé pour enlever les éventuelles traces de résine. Le cas échéant, le conduit d’alimentation et/ou le conduit de fin de remplissage peuvent être nettoyés et/ou au moins partiellement remplacés.
Après l’étape de remise en service, le moule peut être réutilisé pour former un nouvel élément en mettant en œuvre à nouveau le procédé selon l’invention.
L’élément surmoulé peut comporter, le cas échéant, un insert, par exemple disposé dans la cavité du moule avant le positionnement de ce dernier sur la pièce. On pense notamment à l’utilisation d’une préforme fibreuse 3D.
Le procédé peut être mis en œuvre successivement avec plusieurs moules.
Installation
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation pour la mise en œuvre du procédé tel que défini précédemment, pour la réalisation d’au moins un élément sur une pièce à l’aide d’au moins un moule comportant une cavité ayant une forme correspondant à l’élément à réaliser, cette cavité présentant une ouverture, l’installation comportant : un système d’alimentation en résine thermodurcissable du moule, un système de chauffage du moule, un bras robotisé permettant de déplacer le moule.
L’installation permet la fabrication d’au moins un élément sur la pièce, de manière simple et fiable. L’installation est également très adaptative car elle peut être facilement utilisée pour fabriquer différents éléments sur différentes pièces.
Le système de chauffage du moule peut être dissocié du moule, comportant par exemple une surface chauffante sur laquelle le moule peut être posé en attente d’utilisation. Le système de chauffage du moule peut aussi comporter une enceinte fermée chauffée dans laquelle le moule est placé avant d’être utilisé.
Le ou les moules peuvent ainsi être placés, notamment par le bras robotisé, sur la surface chauffante ou dans l’enceinte avant d’être positionnés sur la pièce pour la fabrication du ou des éléments. Le moule peut être détachable du bras robotisé. Il est alors facile de modifier le moule et/ou de le préparer, et le temps d’occupation du robot par le moule peut être réduit.
Ainsi, le bras robotisé peut, une fois la résine gélifiée dans le moule, se désaccoupler d’un premier moule et aller chercher un second moule pour réaliser un second élément, la polymérisation continuant dans le premier moule. Lorsque plusieurs éléments doivent être fabriqués sur une même pièce, le temps nécessaire pour fabriquer ces éléments est alors réduit.
Le bras robotisé peut porter une interface munie du système d’alimentation en résine, ce dernier étant pourvu d’un premier connecteur fluidique apte à s’accoupler avec un deuxième connecteur fluidique présent sur le moule, lorsque le moule est accouplé à l’interface.
L’installation peut également comporter une zone de stockage des moules utilisés dans laquelle le ou les moules peuvent être placés après la fabrication d’un élément dans l’attente d’être remis en service.
L’installation peut comporter un système de pilotage du bras robotisé, par exemple un ordinateur ou un automate, et divers systèmes mécaniques pour la mise en œuvre du procédé.
L’installation peut comporter un électroaimant servant à maintenir le moule contre la pièce, le champ magnétique s’exerçant à travers l’épaisseur de la pièce.
Moule
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un moule pour la réalisation d’un élément sur une pièce, pour la mise en œuvre du procédé tel que défini précédemment et/ou utilisé dans l’installation telle que définie précédemment, le moule comportant une cavité ayant une forme correspondant à l’élément à réaliser, cette cavité présentant une ouverture à disposer en regard de la pièce.
Le moule peut comporter une lèvre métallique formant saillie sur le moule et entourant l’ouverture de la cavité, la lèvre métallique ayant notamment une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm, notamment comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm.
Le moule peut le cas échéant comporter un joint d’étanchéité entourant ladite ouverture de la cavité, notamment extérieur à la lèvre métallique précitée, ce joint assurant une barrière supplémentaire en empêchant les fuites de résine si l’étanchéité obtenue avec la lèvre n’est pas complète. Ce joint d’étanchéité peut être un cordon en élastomère. Le moule peut comporter un système d’accouplement avec le bras robotisé. Ce système d’accouplement peut comporter une ou plusieurs broches sur le moule, et un ou plusieurs logements correspondant sur l’interface, ou inversement.
Le moule peut comporter un conduit d’alimentation pourvu d’un refroidis seur thermique permettant d’alimenter la cavité en résine, notamment un refroidisseur thermique passif à ailettes. Ce conduit d’alimentation peut être un consommable, c’est-à-dire être remplacé au moins partiellement après chaque utilisation du moule.
La partie du conduit d’alimentation située au niveau du refroidisseur thermique peut être utilisée pour plusieurs surmoulages, le refroidisseur thermique empêchant ou limitant la prise en gel de la résine dans cette partie.
Le moule peut comporter un conduit de fin de remplissage, muni de préférence d’un bouchon poreux laissant sortir les gaz mais s’opposant au passage de la résine, le conduit de fin de remplissage étant notamment pourvu d’un refroidisseur thermique, notamment un refroidisseur thermique passif à ailettes. Le bouchon poreux permet d’évacuer les gaz piégés dans la cavité du moule et peut permettre de mettre en pression la résine en fin de remplissage du moule pour pouvoir réaliser des étapes de compactage. Cela peut se faire par exemple par l’ajout de 1 ml de résine, 2 fois avec un intervalle de 20s, ce qui permet de compenser le retrait de la résine quand elle réticule. Le conduit de fin de remplissage peut être un consommable, c’est-à-dire être remplacé au moins partiellement après chaque utilisation du moule. Le conduit de fin de remplissage peut comporter au moins une partie réalisée dans une matière plastique transparente, de manière à permettre une détection optique de la résine à travers sa paroi, cette détection pouvant renseigner sur la fin de remplissage du moule.
La cavité du moule peut avoir une forme sans contre-dépouille, c’est-à-dire permettant le démoulage de l’élément par une simple traction exercée dessus.
Le moule peut aussi être plus complexe et formé de différentes parties assemblées entre elles de manière amovible, par exemple pour former une cavité ayant une contre-dépouille .
La partie du moule qui définit la cavité de moulage est avantageusement réalisée en métal, notamment en acier. Cela présente l’avantage de conférer au moule une bonne inertie thermique, nécessaire pour conserver une température permettant la polymérisation de la résine en l’absence de moyens de chauffage propres. La température du moule est ainsi par exemple de 130°C en début d’injection et de 100°C en fin d’injection.
Interface
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une interface configurée pour être accouplée à un bras robotisé et à un moule tel que défini précédemment, comportant un connecteur fluidique apte à s’accoupler avec un connecteur fluidique complémentaire du moule lorsque ce dernier est accouplé à l’interface et au moins un vérin permettant de maintenir le moule en pression sur la pièce. Ce vérin peut être instrumenté afin de permettre au système de connaître la pression réellement appliquée.
L’interface peut comporter un système d’alimentation en résine thermodurcissable du moule.
L’interface peut comporter un détecteur de fin de remplissage de la cavité du moule, notamment un détecteur de fin de remplissage destiné à détecter l’arrivée de la résine dans le conduit précité de fin de remplissage du moule. Ce détecteur peut être optique, comme mentionné précédemment.
L’interface peut comporter un système d’accouplement au moule, par exemple un système comportant une ou plusieurs broches adaptées à s’engager dans des logements correspondants ou inversement, muni d’un mécanisme de verrouillage des broches dans leurs logements.
Système
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un système comportant une pluralité de moules tels que définis précédemment et une installation telle que définie précédemment.
Le système comporte par exemple entre 2 et 50 moules pour former un ou plusieurs types d’éléments sur une ou plusieurs pièces.
Les moules peuvent être identiques, le cas échéant.
Brève description des dessins
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 lequel [Fig 1] la figure 1 illustre, en vue de côté, de manière schématique, une première étape d’un exemple de procédé selon l’invention, mise en œuvre à l’aide d’un système selon l’invention,
[Fig 2] la figure 2 illustre, en vue de côté, de manière schématique, l’accouplement du bras robotisé et d’un moule de la figure 1,
[Fig 3] la figure 3 est un agrandissement de la figure 2 selon III,
[Fig 4] la figure 4 est une vue similaire à la figure 2,
[Fig 5] la figure 5 est une vue similaire à la figure 1 illustrant une autre étape du procédé,
[Fig 6] la figure 6 est une vue similaire à la figure 1 illustrant une autre étape du procédé,
[Fig 7] la figure 7 est une vue similaire à la figure 1 illustrant une autre étape du procédé,
[Fig 8] la figure 8 illustre, en vue de côté, de manière schématique, une autre étape du procédé,
[Fig 9] la figure 9 illustre, en vue de côté, de manière schématique, une pièce comportant un élément surmoulé selon le procédé de l’invention
[Fig 10] la figure 10 est une vue en perspective, schématique, de l’élément de la figure 9,
[Fig 11] la figure 11 illustre, en vue de côté, de manière schématique, une autre étape du procédé selon l’invention,
[Fig 12] la figure 12 illustre, en perspective, de manière schématique, un autre exemple de pièce comportant plusieurs éléments surmoulés selon le procédé selon l’invention, et
[Fig 13] la figure 13 illustre, en vue de côté, de manière schématique, un autre exemple d’installation selon l’invention.
Description détaillée
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.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas toujours été respectées, dans un souci de clarté.
On a illustré à la figure 1 un système 1 selon l’invention, comportant une pluralité de moules 10 et une installation 2 permettant la mise en œuvre du procédé selon l’invention pour surmouler in situ un élément E annexe sur une pièce P à fonctionnaliser.
La pièce P est, dans cet exemple, positionnée sur un support T.
La pièce P est, par exemple, une pièce en matériau composite à matrice polymère thermodurcissable.
L’installation 2 comporte un système de chauffage des moules 10 comportant par exemple une surface chauffante 11 sur laquelle ceux-ci sont posés en attente d’utilisation.
L’installation 2 comporte un bras robotisé 3, à plusieurs axes, par exemple à 6 axes, auquel une interface 5 est accouplée via un système de raccordement 4. Le bras robotisé a, par exemple, une capacité inférieure à 100 kg.
L’interface 5 comporte un châssis 110, visible plus particulièrement sur la figure 2.
L’interface 5 comporte au moins un vérin hydraulique 20, représenté schématiquement, agissant entre le bras robotisé 3 et le châssis 110 du moule 10.
Comme illustré sur la figure 2, l’interface 5 comporte des connecteurs 6 apte à s’accoupler avec des connecteurs 7 du moule 10 pour maintenir le moule 10 solidaire du châssis 110.
Les connecteurs 6 et 7 sont par exemple du type broches/ logements correspondants, configurés pour s’accoupler ensemble. Un mécanisme de verrouillage commandé permet de maintenir les connecteurs 6 et 7 accouplés. Ce mécanisme de verrouillage comporte, par exemple, des verrous mobiles 9.
Lorsque le bras robotisé 3 et le moule 10 sont désaccouplés, les verrous 9 sont dans une position retractée. A l’inverse, lorsqu’ils sont accouplés, les verrous 9 sont dans une position étendue et s’engagent au travers de passages correspondants 8 des connecteurs 6 et 7 pour assurer leur maintien en configuration accouplée.
Comme illustré sur la figure 4, le bras robotisé 3 peut porter, sur l’interface 5, un système d’alimentation 21 en résine pourvu d’un premier connecteur fluidique 22 solidaire du châssis 110, s’accouplant avec un deuxième connecteur fluidique 23 solidaire du moule 10. Cet accouplement entre les deux connecteurs fluidiques 22 et 23 se fait automatiquement lors de l’accouplement du bras robotisé 3 et du moule 10 et se défait lors de leur séparation.
Le premier connecteur fluidique 22 comporte, par exemple, un clapet anti-retour permettant d’éviter que la résine ne coule lorsque le moule 10 est déplacé par le bras robotisé 3.
Comme visible sur la figure 2, le moule 10 comporte une cavité 12 ayant une forme correspondant à l’élément E à réaliser et présentant une ouverture 13.
La partie du moule 10 qui définit la cavité 12 est de préférence métallique, notamment en acier.
Le moule 10 comporte une lèvre métallique 14, visible sur la figure 3, formant saillie sur le moule 10. Cette lèvre métallique 14 a, par exemple, une épaisseur e comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. Elle peut présenter, comme illustré, une section de forme sensiblement triangulaire.
Le moule 10 comporte un conduit d’alimentation 25. Comme on peut le voir sur la figure 4, le conduit d’alimentation 25 peut comporter un tube 26, portant le connecteur fluidique 23, et une buse 27 reliant le tube 26 à un canal d’alimentation 29 de la cavité 12 du moule 10.
Le tube 26 est, par exemple, réalisé en silicone ou en polymère résistant à la température à laquelle la résine est chauffée.
La buse 27 est, par exemple, réalisée en un matériau métallique et comporte un refroidisseur thermique 28 passif comportant des ailettes.
Le moule 10 comporte un conduit de fin de remplissage 30, débouchant dans cet exemple en haut de la cavité 12.
Le conduit de fin de remplissage 30 comporte, par exemple, un tube 31 et un évent 32 entre le tube 31 et un canal d’évacuation 35 de la cavité 12.
Le tube 31 est par exemple réalisé en silicone ou en polymère résistant à la température à laquelle la résine est chauffée.
L’évent 32 peut être réalisé en un matériau métallique et comporter un refroidisseur thermique 33 passif, muni d’ailettes. Le conduit de fin de remplissage 30 est fermé par un bouchon poreux 34 laissant sortir les gaz mais s’opposant au passage de la résine. Ce bouchon poreux 34 permet d’évacuer les gaz présents dans la cavité 12 et qui pourraient sinon former des bulles dégradant la qualité de l’élément E.
L’interface 5 peut comporter un détecteur optique 36 pour détecter l’arrivée de la résine dans le conduit de fin de remplissage 30. On profite dans ce cas du fait que le tube 31 est réalisé en silicone transparent. Ce tube 31 est maintenu dans le moule 10 de telle sorte qu’il se positionne à proximité du détecteur 36 lorsque le moule 10 est accouplé à l’interface 5.
Dans une première étape du procédé, illustrée sur la figure 1, les moules 10 sont préchauffés au poste de chauffage, par exemple à l’aide de la surface chauffante 11 sur laquelle ils ont été posés. Par exemple, les moules 10 sont ainsi préchauffés à une température de 140°C.
Dans une deuxième étape, illustrée sur la figure 5, le bras robotisé 3 de l’installation 2 vient s’accoupler avec l’un des moules 10 qui a été chauffé. L’accouplement entre le moule 10 et le bras robotisé 3 est réalisé à l’aide de l’interface 5 portée par le bras robotisé 3.
Ensuite, dans une troisième étape, illustrée sur la figure 6, le bras robotisé 3 déplace le moule 10 et le positionne sur la pièce P, par exemple de manière à ce que la normale n à la surface S de la pièce sur laquelle le moule 10 est positionné forme avec l’horizontale H un angle de 90°.
Le moule 10 est positionné sur la pièce P de telle manière que l’ouverture 13 du moule 10 soit fermée par la surface extérieure S de la pièce P.
L’étanchéité entre le moule 10 et la pièce P est, dans cet exemple, obtenue à l’aide de la lèvre métallique 14 s’appliquant contre la pièce P.
Le moule 10 est maintenu en pression contre la pièce P à l’aide du ou des vérins hydrauliques 20, agissant entre le bras robotisé 3 et le moule 10.
En variante ou en complément, le moule 10 peut être maintenu en pression contre la pièce P par l’action d’un champ magnétique traversant celle-ci, le moule 10 étant dans ce cas réalisé en un matériau ferromagnétique, comme cela sera décrit plus loin.
Dans une quatrième étape, une résine thermodurcissable est injectée dans le moule 10 maintenu contre la pièce P. A ce moment, la température de la partie métallique qui définit la cavité 12 du moule est encore relativement élevée, du fait de l’inertie thermique de celui-ci, et par exemple supérieure ou égale à 130°C.
La résine provenant du système d’alimentation 21 passe au travers du conduit d’alimentation 25 du moule 10.
Le refroidisseur thermique 28 permet d’évacuer la chaleur et ainsi éviter que la chaleur ne se propage au-delà de celui-ci dans le tube 26. De cette manière, la résine ne polymérise pas dans le système d’alimentation 21, ce qui permet de réaliser plusieurs injections sans avoir à nettoyer ou à changer le système d’alimentation 21.
Ainsi, le remplissage de la cavité 12 se fait par l’injection d’une résine provenant du système d’alimentation 21 et passant par le conduit d’alimentation 25 et le canal d’alimentation 29.
L’injection de la résine peut se faire comme illustré à partir du bas de la cavité 12 du moule 10.
Le remplissage de la cavité 12 s’effectue jusqu’à ce que la résine atteigne le conduit de fin de remplissage 30, positionné par exemple en haut de la cavité 12.
Le refroidisseur thermique 33 permet d’évacuer la chaleur en amont de l’évent 32 et ainsi éviter que la résine ne polymérise dans celui-ci.
Le volume de résine injecté est contrôlé par la détection optique, à l’aide du détecteur 36, de l’arrivée de la résine dans le conduit de fin de remplissage 30.
Lorsque l’arrivée de la résine dans le conduit de fin de remplissage 30 est détectée, il possible de continuer encore un peu l’injection afin de réaliser un compactage de la résine injectée dans la cavité 12 du moule 10, en ajoutant une quantité de résine supplémentaire en une ou plusieurs fois, par exemple 1 ml de résine, 2 fois avec un intervalle de 20s, ce qui permet de compenser le retrait de la résine quand elle réticule.
En fin d’injection, la température de la partie métallique du moule 10 est par exemple d’environ 100°C. La partie du moule 10 servant à définir la cavité 12 lui confère un capacité thermique suffisante pour que la température dans la cavité 12 du moule 10 soit suffisamment élevée pour polymériser entièrement la résine.
Le bras robotisé 3 permet de contrecarrer la pression d’injection de la résine lors du remplissage du moule 10 au contact de la pièce P. La résine est injectée, par exemple, à une pression de 2 bar. L’injection de la résine dans la cavité 12 du moule 10 dure par exemple 2 min.
La résine est par exemple une résine poly époxyde chargée avec des particules procurant à la résine une tenue au feu.
La polymérisation de la résine dans la cavité 12 du moule est provoquée par la chaleur résiduelle du moule 10, issue de l’étape de préchauffage de moule 10.
Une fois une certaine durée écoulée après la détection de la fin de l’injection, par exemple 4 mn, le maintien en pression du moule 10 sur la pièce P peut être réduit, car la résine a gélifié.
Dans une cinquième étape, illustrée sur la figure 7, après prise en gel de la résine mais avant polymérisation complète de celle-ci dans le moule, le bras robotisé 3 est séparé du moule 10.
Le moule 10 est laissé sur la pièce P et la polymérisation de la résine dans la cavité 12 se poursuit.
Après avoir été séparé du moule 10, le bras robotisé 3 est par exemple déplacé afin d’aller s’accoupler avec un second moule 10 présent au poste de préchauffage. Ce second moule 10 sera à son tour positionné sur la pièce P pour réaliser un second élément E.
Dans une sixième étape, illustrée sur la figure 8, après polymérisation de la résine dans la cavité 12, le bras robotisé 3 est si nécessaire ré-accouplé au moule 10, puis on procède au démoulage de l’élément E.
Ce démoulage peut être réalisé par un mouvement du bras robotisé 3 selon un axe D.
Ce mouvement du bras robotisé 3 permet de rompre la carotte de résine qui a polymérisé dans le canal d’alimentation 29 et dans le canal d’évacuation 35, et ainsi de libérer l’élément E du moule 10.
Cette étape de démoulage se produit, par exemple, 15 min environ après la fin de l’injection.
L’élément E obtenu après le démoulage est par exemple tel qu’illustré sur les figures 9 et 10.
L’élément E comporte par exemple une base 40 de forme sensiblement circulaire, qui peut comporter des ouvertures permettant de disposer des vis dans les applications où cela est prévu. Sur cette base 40 s’étend un cylindre 42 qui comporte à sa base des nervures de renfort 43, par exemple quatre, de forme sensiblement triangulaire.
Dans une septième étape, illustrée sur la figure 11, le moule 10 est déplacé dans une zone 45 de re-préparation des moules utilisés pour être remis en service après nettoyage. La cavité 12, le canal d’alimentation 29 et le canal d’évacuation 35 du moule 10 peuvent être nettoyés pour enlever les éventuelles traces de résine. La buse 27 et l’évent 32 sont également nettoyés pour enlever les éventuelles traces de résine et ainsi être réutilisés. Le cas échéant, la buse 27 et l’évent 32 pourront également constituer des consommables de faible coût qui seraient remplacés pour chaque nouvelle pièce. Les tubes 26 et 34 peuvent, quant à eux, être remplacés par de nouveaux.
Ainsi, le besoin en consommable de la présente invention reste limité, ce qui tend à réduire l’impact environnemental du procédé.
On peut munir une pièce d’éléments E surmoulés dans différentes orientations, comme illustré sur la figure 12. Dans cet exemple la pièce P comporte deux poutres 100 sur lesquelles les éléments E ont été surmoulés.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
En particulier, la pièce peut être de forme quelconque, par exemple présenter une courbure ou comporter un autre matériau, par exemple métallique.
Le moule 10 peut comporter une cavité d’une forme différente.
Le système peut comporter plus de moules, par exemple entre 3 et 50 moules.
Un électroaimant 200 peut être utilisé pour maintenir le moule 10 appliqué contre la pièce P après séparation du bras robotisé 3, comme illustré sur la figure 13. Dans ce cas, le champ magnétique est exercé par F électroaimant au travers de la pièce P. Il est alors possible une fois le moule 10 correctement positionné par le bras robotisé sur la pièce, d’activer F électro aimant, de procéder à l’injection de la résine, puis de désaccoupler le bras robotisé et le moule si tôt l’injection terminée, le moule étant maintenu en place contre la pièce par F électroaimant.

Claims

Revendications
1. Procédé de réalisation d’un élément (E) annexe sur une pièce (P), notamment pour la fonctionnaliser, en particulier une pièce (P) en matériau composite comportant une matrice en matériau polymère thermodurcissable, le procédé comportant les étapes suivantes : a) positionner à l’aide d’un bras robotisé (3) un moule (10) sur la pièce (P), le moule (10) comportant une cavité (12) ayant une forme correspondant à l’élément (E) à réaliser, cette cavité (12) présentant une ouverture (13), le moule (10) étant positionné sur la pièce (P) de telle manière que l’ouverture (13) du moule (10) soit fermée par au moins une surface extérieure (S) de la pièce (P), b) injecter une résine thermodurcissable dans le moule (10) maintenu contre la pièce (P) dans des conditions permettant à la résine de polymériser, c) démouler l’élément (E) ainsi surmoulé sur la pièce (P).
2. Procédé selon la revendication précédente, comportant avant l’étape a) de positionnement, une étape préalable de préchauffage du moule (10), la polymérisation de la résine étant provoquée par la chaleur résiduelle du moule (10).
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le bras robotisé (3) est utilisé pour transporter le moule (10) entre un poste de préchauffage de celui- ci et la pièce (P).
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bras robotisé (3) est utilisé pour contrecarrer la pression d’injection de la résine lors du remplissage du moule (10) au contact de la pièce (P).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le bras robotisé (3) étant séparé du moule (10) après prise en gel de la résine mais avant polymérisation complète de celle-ci.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité (12) du moule (10) est alimentée au travers d’un conduit d’alimentation (25) pourvu d’un refroidisseur thermique (28).
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le remplissage de la cavité (12) s’effectue jusqu’à ce que la résine atteigne un conduit de fin de remplissage (30), muni de préférence d’un bouchon poreux (34) laissant sortir les gaz mais s’opposant au passage de la résine.
8. Procédé selon la revendication 7, le volume de résine injecté étant contrôlé par la détection optique de l’arrivée de la résine dans un conduit de fin de remplissage.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moule (10) étant maintenu en pression contre la pièce (P) en utilisant au moins un vérin (20) agissant entre le bras robotisé (3) et le moule (10).
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’étanchéité entre le moule (10) et la pièce (P) étant obtenue à l’aide d’une lèvre métallique (14) formant saillie sur le moule (10) et s’appliquant contre la pièce (P).
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le bras robotisé (3) portant une interface (5) munie d’un système d’alimentation (21) en résine pourvu d’un premier connecteur fluidique (22), le moule (10) comportant un deuxième connecteur fluidique (23) apte à s’accoupler avec le premier (22) lorsque le moule (10) est accouplé à l’interface (5).
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moule
(10) étant maintenu en appui contre la pièce (P) par l’action d’un champ magnétique traversant celle-ci.
13. Installation (2) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes pour la réalisation d’un élément (E) sur une pièce (P) à l’aide d’un moule (10) comportant une cavité (12) ayant une forme correspondant à l’élément (E) à réaliser, cette cavité (12) présentant une ouverture (13), l’installation (2) comportant : un système d’alimentation (21) en résine thermodurcissable du moule (10), un système de chauffage (11) du moule (10), un bras robotisé (3) permettant de déplacer le moule (10).
14. Installation (2) selon la revendication précédente, le système de chauffage
(11) du moule (10) étant dissocié du moule (10).
15. Moule (10) pour la réalisation d’un élément (E) sur une pièce (P) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 et/ou utilisé dans l’installation (2) selon l’une des revendications 13 et 14, le moule (10) comportant une cavité (12) ayant une forme correspondant à l’élément (E) à réaliser, cette cavité (12) présentant une ouverture (13).
16. Moule (10) selon la revendication précédente, comportant une lèvre métallique (14) formant saillie sur le moule (10) et entourant l’ouverture (13) de la cavité (12), la lèvre métallique (14) ayant notamment une épaisseur (e) inférieure ou égale à 1 mm, notamment comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm.
17. Interface (5) configurée pour être accouplée à un bras robotisé (3) et à un moule (10) selon l’une des deux revendications précédentes, comportant un connecteur fluidique (22) apte à s’accoupler avec un connecteur fluidique (23) complémentaire sur le moule (10) lorsque le moule (10) est accouplé à l’interface (5) et au moins un vérin (20) permettant de maintenir le moule (10) en pression sur la pièce (P).
18. Système (1) comportant une pluralité de moules (10) selon l’une des revendications 15 et 16 et une installation (2) selon l’une des revendications 13 et 14.
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