La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une pièce renforcée, plus particulièrement un procédé de réalisation de pièces métalliques renforcées de fibres continues.

Il est connu, notamment dans le domaine automobile, de fabriquer des pièces métalliques renforcées par des renforts en fibres. La pièce métallique est classiquement obtenue à partir d'une tôle métallique plane, éventuellement estampée à la forme souhaitée. Chaque renfort est formé de fibres et d'une matrice polymère, en particulier thermoplastique. Le renfort peut être fabriqué en appliquant sur un moule des fibres pré imprégnées ou non de résine, sous forme de tissu ou sous forme de nappes ou mèches unidirectionnelles. Après application des fibres, la préforme obtenue est soumise à une opération de consolidation ou durcissement, avec au préalable une éventuelle opération d'infusion ou injection de polymère. Après réalisation des renforts à la forme souhaitée, ceux-ci sont assemblés sur la pièce métallique, par exemple par collage ou et/ou par rivetage.

Ces diverses opérations pour la réalisation d'une pièce renforcée s'avèrent longues et fastidieuse, en particulier la réalisation des renforts ainsi que les opérations de transfert sur la pièce métallique pour leur assemblage.

Le but de la présente invention est de proposer une solution visant à pallier les inconvénients précités.

A cet effet, la présente invention propose un procédé de réalisation d'une pièce renforcée, caractérisé en ce qu'il comprend le drapage de fibres continues unidirectionnelles sur une pièce métallique munie d'une couche d'adhérence comprenant au moins un premier polymère thermoplastique, lesdites fibres étant pré-imprégnées d'au moins un deuxième polymère thermoplastique, ledit drapage étant réalisé par placement automatisé des fibres pré-imprégnées sur la pièce métallique, au moyen d'un rouleau de compactage et par chauffage des fibres continues pré-imprégnées à draper et de la couche d'adhérence de la pièce métallique, de préférence juste en amont du rouleau, à une température au moins supérieure ou égale à la température de fusion du deuxième polymère, afin de souder les fibres pré-imprégnées à la pièce métallique pour obtenir une pièce renforcée, lesdites fibres préimprégnées étant de préférence drapées dans la ou les directions des contraintes principales de la pièce renforcée auxquelles ladite pièce sera soumise.

Selon l'invention, la pièce renforcée est obtenue en drapant directement par placement de fibres des fibres continues sur une pièce métallique qui été préalablement recouverte d'une couche d'adhérence formée à partir d'un polymère thermoplastique. Selon l'invention la pièce métallique a été soumise à un traitement de surface par application d'une couche d'adhérence, appelée également couche promoteur d'adhérence ou couche thermoplastique, cette couche d'adhérence permettant d'assurer une liaison satisfaisante entre les fibres continues et pièce métallique lors du drapage, notamment à des vitesses de drapage importantes.

L'invention utilise le procédé dit de placement de fibres, connu en soi, dans lesquels des fibres continues sont déposées au contact sur un outillage pour former un ou plusieurs plis dans des orientations définies. Ce procédé d'application au contact est mis en œuvre au moyen d'une tête d'application de fibres comportant un rouleau de compactage destiné à venir en contact contre la pièce métallique pour appliquer une bande formée d'une ou plusieurs fibres. Le rouleau de compactage presse la bande de fibres contre l'outillage afin de faciliter l'adhésion des bandes déposées à la pièce métallique et l'adhésion des bandes déposées entre elles, ainsi que pour évacuer progressivement l'air emprisonné entre la pièce métallique et les bandes déposées, puis entre les bandes déposées. La tête est équipée d'un système de chauffage pour chauffer la bande de fibres, ainsi que pour chauffer la pièce métallique, en particulier la couche d'adhérence, ou des bandes déjà appliquées, juste avant le compactage de la bande.

Les fibres continues unidirectionnelles appliquées par placement de fibres sont par exemple des fibres de carbone, des fibres de verre ou des fibres synthétiques. Lesdites fibres continues unidirectionnelles se présentent de préférence sous la forme de fibres plates ou mèches, par exemple d'un huitième de pouce, un quart de pouce ou un demi-pouce (1/8", 1/4" ou 1/2") de large. Selon un mode de réalisation les fibres continues pré-imprégnées d'un polymère thermoplastique présentent avant drapage une porosité inférieure ou égale à 3%, de préférence inférieure ou égale à 2%, mieux encore inférieure ou égale à 1%.

Le drapage et le soudage des fibres directement sur la pièce métallique permettent de proposer un procédé de réalisation de pièces renforcés qui est rapide et simple à mettre en œuvre.

La pièce métallique munie d'une couche d'adhérence est par exemple obtenue à partir d'une tôle métallique, recouverte partiellement ou en totalité sur une face d'une couche d'adhérence. La pièce métallique est par exemple obtenue à partir d'une tôle plane, éventuellement estampée à la forme finale souhaitée.

Selon un mode de réalisation, la pièce métallique munie d'une couche d'adhérence est obtenue par projection sur la pièce métallique, au moins sur les zones de la pièce métallique sur lesquelles seront drapées les fibres, d'un agent d'adhérence formé du premier polymère thermoplastique sous forme de poudre, ladite pièce métallique étant ensuite soumise à un chauffage par passage dans un four, pour former la couche d'adhérence.

Selon un mode de réalisation, la pièce métallique munie d'une couche d'adhérence est obtenue par pulvérisation sur la pièce métallique, au moins sur les zones de la pièce métallique sur lesquelles seront drapées les fibres, d'un agent d'adhérence formé du premier polymère thermoplastique en phase solvant.

Le premier polymère thermoplastique et le second polymère thermoplastique sont par exemple choisis dans le groupe constitué par les polyamides, polyesters tel que le polyéthylène téréphtalate, polyéthersulfones, polyétheréthercétones, polysulfures de phénylène, polyuréthanes, époxydes, polyoléfines, acide polylactique, ou un mélange d'un ou plusieurs de ces polymères.

Le premier polymère et le second polymère peuvent être identiques ou différents, des polymères de la même famille de thermoplastique ou de familles différentes.

De préférence, ledit chauffage est effectué à une température supérieure ou égale à la température de fusion du premier polymère afin de garantir un soudage efficace entre la pièce métallique et les fibres continues. De préférence, ledit chauffage est effectué à une température supérieure ou égale aux températures de processabilité du premier polymère et du deuxième polymère, auxquelles lesdits polymères sont classiquement mis en œuvre.

Selon un mode de réalisation, ledit drapage comprend le placement automatisé de fibres continues pré-imprégnées sur des fibres continues préalablement drapées, au moyen d'un rouleau de compactage et par chauffage des fibres pré-imprégnées à draper et des fibres préalablement drapées à une température supérieure à la température de fusion du deuxième polymère, ledit drapage étant effectué en recouvrement dans une même direction que les fibres préalablement drapées, et/ ou dans des directions complémentaires.

Selon un mode de réalisation, ledit chauffage lors du drapage est effectué pour assurer une consolidation in situ du renfort, formé des fibres continues et du deuxième polymère, sur la pièce métallique, de sorte que la pièce renforcée obtenue après drapage ne nécessite pas d'opération de traitement thermique supplémentaire pour atteindre les caractéristiques mécaniques souhaitées, le renfort formé des fibres continues et de sa matrice de deuxième polymère présentant après drapage une porosité inférieure ou égale à 3%, de préférence inférieure ou égale à 2%, mieux encore inférieure ou égale à l%.Selon un mode de réalisation, le procédé comprend un chauffage continu lors du drapage de fibres continues pour souder continûment sur toute leur longueur les fibres pré-imprégnées à la pièce métallique.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend un chauffage discontinu lors du drapage de fibres continues pour souder les fibres à la pièce métallique sur des portions de fibres espacées les unes des autres, le procédé pouvant comprendre le drapage de fibres avec un chauffage discontinu et le drapage de fibres avec un chauffage discontinu.

Selon un mode de réalisation, le chauffage est réalisé par un moyen de chauffage de type laser.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend le drapage de fibres en recouvrement, dans des directions complémentaires, au niveau d'une ou plusieurs zones d'assemblage de la pièce renforcée, afin de reprendre les efforts transmis par des moyens d'assemblage. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend le drapage de fibres pré-imprégnées autour d'une ou plusieurs zones d'assemblage de la pièce renforcée, afin de reprendre les efforts transmis par les moyens d'assemblage. Pour chaque zone d'assemblage, la fibre est drapée autour d'au moins un axe d'assemblage, en particulier sur une surface de la pièce métallique sensiblement parallèle à l'axe d'assemblage, et s'étend dans une direction opposée audit axe, par exemple sensiblement perpendiculaire audit axe.

Selon un mode de réalisation, la pièce métallique est pourvue d'un ou plusieurs méplats au niveau desquels les fibres sont drapées. Selon l'invention, au moment de la conception de la pièce métallique, on prévoit des zones spécifiques planes, telles que des méplats, afin de faciliter le drapage de fibres par placement de fibres et ainsi permettre un drapage rapide des fibres tout en garantissant un compactage efficace des fibres sur toute leur largueur. Avantageusement, les fibres drapées sur la pièce métallique suivent des trajectoires géodésiques.

Selon un mode de réalisation, la pièce renforcée constitue une pièce pour véhicule terrestre ou aérien, par exemple pour véhicule automobile, telle qu'un montant de caisse, une armature de porte ou une armature de siège.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre de modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce métallique pour la réalisation d'une première pièce renforcée selon invention ;

- la figure 2 est une vue schématique partielle de côté de la pièce métallique de la figure 1 lors d'une opération de placement au moyen d'une tête de placement de fibres ;

- la figure 3 est une vue schématique de la pièce métallique après placement de premières fibres ;

- la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 illustrant la pièce renforcée après placement de secondes fibres ; - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 4 illustrant une variante de réalisation pour les opérations de placement de fibres ;

- les figures 6A et 6B sont respectivement une vue de dessus et une vue partielle agrandie de côté d'une deuxième pièce renforcée selon l'invention ; et,

- les figures 7A et 7B sont respectivement une vue de dessus et une vue partielle agrandie de côté d'une troisième pièce renforcée selon l'invention.

La figure 1 illustre une pièce métallique 1 pour la réalisation d'un montant de la caisse d'un véhicule automobile, disposé de chaque côté du véhicule entre la porte arrière et la porte avant, classiquement appelé montant ou pied milieu, et prévu pour résister notamment aux chocs latéraux et aux efforts de compression.

Le montant 1 comprend une partie centrale 11 verticale reliée en extrémité à une partie inférieure 12 et à une partie supérieure 13 pour l'assemblage du montant respectivement au bas de caisse, et au pavillon. La partie centrale présente une section variable en forme générale de U avec une base ou paroi centrale 1 la et deux branches ou parois latérales 1 lb, la section s'agrandit en extrémité avec des parois latérales courbées pour la jonction de la partie centrale aux parties inférieure 12, et supérieure 13. La partie supérieure 13 présente une section en U et est reliée par une de ses parois latérales 13b à la paroi centrale l ia de la partie centrale. La partie inférieure 12 présente une section en U, avec deux parois latérales 12b courbées disposées dans le prolongement des parois latérales 11b de la partie centrale, et une paroi centrale 12a horizontale disposée dans le prolongement de la paroi centrale 1 la de la partie centrale. La pièce métallique présente une face principale extérieure la, et une face principale intérieure lb.Selon l'invention, cette pièce métallique 1 est munie sur sa face extérieure d'une couche d'adhérence comprenant au moins un premier polymère thermoplastique. Cette pièce métallique est ensuite renforcée par drapage de fibres continues pré-imprégnées d'un deuxième polymère thermoplastique sur la face extérieure, ce drapage étant effectué au moyen d'une tête de placement de fibres afin de rigidifier la pièce métallique par rapport aux efforts auxquels elle doit pouvoir résister. En variante uniquement la ou les zones de la face extérieure sur lesquelles seront appliquées de fibres sont recouvertes d'une couche d'adhérence.

La figure 2 illustre de manière schématique une tête 2 de placement de fibres, connue en soi, permettant le drapage automatique au contact de fibre. La tête comprend un rouleau de compactage 21 pour appliquer la fibre au contact sur la pièce métallique. La tête comprend en outre des moyens de coupe 22 pour couper la fibre en fin de trajectoire, des moyens de blocage 23 disposés en amont des moyens de coupe par rapport à la direction d'avancement de la fibre pour bloquer la fibre venant d'être coupée, et des moyens de réacheminement 24 disposés amont des moyens de coupe, pour entraîner la fibre, ceci afin de pouvoir à tout moment stopper et reprendre l'application de la fibre.

La tête est en outre équipée d'un système de chauffage 25 pour chauffer lors du drapage la fibre à draper et la couche d'adhérence pièce métallique, juste en amont du rouleau par rapport à la direction de la tête, et ainsi souder la fibre à la pièce métallique. Le système de chauffage est ici de type laser et comprend une optique 25a montée sur la tête. Le faisceau émis par une source (non représentée) déportée par rapport à la tête est acheminée via une fibre optique 25b jusqu'à l'optique 25a pour former un faisceau laser en direction de la ligne de contact entre le rouleau et la pièce métallique. Le drapage est réalisé par déplacement relatif de la tête par rapport à la pièce métallique. Pour ce faire, la tête et/ou la pièce métallique sont assemblées à un système de déplacement.

En référence à la figure 3, des premières fibres 31, 32 préimprégnées sont drapées longitudinalement sur la paroi centrale l ia de la partie centrale, du côté extérieur de cette dernière. Ces premières fibres se prolongent sur la paroi latérale 13b de la partie supérieure, et sur la paroi centrale 12a de la partie inférieure. Ces premières fibres sont ici au nombre de trois, avec une fibre centrale 31 , et deux fibres latérales 32 qui en extrémité suivent la courbure des parois latérales 1 lb, 12b. Les premières fibres 31, 32 sont drapées une par une, en partant par exemple de la partie supérieure.

En référence à la figure 4, la pièce renforcée 4 selon l'invention est obtenue après drapage de secondes fibres 33, 34. Ces secondes fibres sont drapées sur les parties inférieure et supérieure en recouvrement des premières fibres 31, 32. Une seconde fibre 33 est drapée sur la paroi latérale 13b de la partie supérieure. Des secondes fibres 34, au nombre de trois, sont drapées sur la paroi centrale 12a de la partie inférieure en recouvrement des premières fibres.

Lors du drapage, le chauffage est défini pour souder continûment les fibres 31-34 à la pièce métallique, et de manière assurer une consolidation in situ des fibres et obtenir une pièce renforcée ne nécessitant pas d'étape de traitement thermique supplémentaire.

A titre d'exemple, les fibres appliquées sont des fibres de carbone de type mèche de 6,35 mm (1/4 de pouce) de large, pré-imprégnées d'un polyamide. La pièce métallique est recouverte d'une couche de polyamide. La fibre continue pré-imprégnée et la pièce métallique sont chauffées à une température supérieure, par exemple de 10 à 30°C, aux températures de fusion des deux polyamides utilisés.

La couche de polyamide est par exemple réalisée par projection électrostatique sur la pièce métallique d'un agent d'adhérence sous forme de poudre, puis passage de la pièce métallique dans un four pour fondre l'agent d'adhérence et former la couche d'adhérence. Selon un autre mode de réalisation, l'agent d'adhérence est en phase solvant et est appliqué par pulvérisation à la manière d'une peinture ou d'une laque.

En variante, l'opération de drapage est réalisée au moyen d'une tête de placement de fibres permettant de draper une bande formée d'une ou plusieurs fibres disposées parallèlement entre elles, par exemple sensiblement bord à bord. Ainsi, les trois deuxièmes fibres sur la partie inférieure peuvent être drapées en une seule passe.

Le nombre de fibres drapées est donné ici à titre d'exemple, plusieurs premières fibres peuvent être drapées côte à · côte ou en superposition. Des fibres peuvent en outre être drapées pour former des renforts locaux au niveau de zones de fixation prévues pour la fixation du montant milieu au bas de caisse et au pavillon. Ces renforts locaux peuvent être formés par superposition de fibres dans des orientations différentes.

Selon une variante de réalisation, l'agent d'adhérence utilisé pour former la couche d'adhérence est également appliqué sur les fibres préimprégnées, en particulier sur la face des fibres destinée à venir en contact avec la pièce métallique. Les fibres préalablement munie d'agent d'adhérence, par exemple sous forme de poudre, sont ensuite drapées sur la pièce métallique munie de sa couche d'adhérence. La figure 5 illustre une variante de réalisation dans laquelle chaque fibre de la pièce renforcée 104 est soudée de manière discontinue lors de son drapage. Chaque fibre drapée 131, 132, 133, 134 comprend une alternance de portions soudées 130a et de portions non soudées 130b obtenues par activation ou non du chauffage lors du drapage, avec une portion soudée en début et en fin de trajectoire, les premières fibres et les secondes fibres se chevauchant au niveau de portions soudées. Un tel soudage partiel des fibres permet de réduire le temps de drapage et peut être réalisé lorsqu'il ne réduit pas les propriétés mécaniques de la pièce renforcée.

Les figures 6A et 6B représentent une deuxième pièce renforcée 204 selon l'invention réalisée à partir d'une pièce métallique 201 munie d'une couche d'adhérence comprenant un premier polymère thermoplastique, sur laquelle ont été drapées, par placement de fibres, des fibres continues pré-imprégnées d'un second polymère thermoplastique.

La pièce renforcée 204 constitue ici une poutre de renfort destinée par exemple à être assemblée sur une pièce de structure. La pièce métallique 201 se présente sous la forme d'une plaque 210 d'axe longitudinal A, munie sur sa face extérieure d'un bossage longitudinal 211, ledit bossage formant un renfoncement sur la face intérieure opposée. Le bossage présente une paroi supérieure 212 plane reliée par des parois inclinées longitudinales 213 et des parois inclinées transversales 214 respectivement aux parois latérales 215 planes et aux parois d'extrémité 216 planes. Ce type de poutre est destiné être assemblée par chacune de ses parois d'extrémité 216 au niveau d'une zone d'assemblage représentée schématiquement sous la référence 218 sur la figure 6B. L'assemblage est classiquement effectué par perçage d'un ou plusieurs trous de la pièce renforcée et mise en place d'un insert, par exemple un insert thermoplastique selon un axe d'assemblage B. La pièce métallique 201 est munie sur sa face extérieure 201a d'une couche d'adhérence.

La pièce métallique est par exemple réalisée à partir d'une tôle plane qui est par la suite estampée à la forme finale souhaitée de la pièce renforcée. Un agent d'adhérence, par exemple un polyamide, est appliqué avant ou après estampage, par exemple par projection électrostatique de poudre, puis passage dans un four.

Des premières fibres 231, imprégnées par exemple de polyamide sont drapés longitudinalement parallèlement à l'axe A par placement de fibres, d'une paroi d'extrémité 216 à l'autre de la pièce métallique. Des secondes fibres 233 continues sont ensuite drapées au niveau des parois d'extrémités 216 dans une orientation complémentaire de celle des premières fibres, afin de reprendre les efforts transmis par les premières fibres et les efforts transmis par l'insert d'assemblage. Dans l'exemple illustré, les secondes fibres 232 sont drapées à 90° des premières fibres 231. En variante, un premier pli de secondes fibres est drapé à 45° des premières fibres, puis un deuxième pli de secondes fibres est drapé pardessus le premier pli à -45°. En variante, plusieurs plis superposés de premières fibres sont drapés, par exemple de 5 à 10 plis superposés, et plusieurs plis de secondes fibres sont drapés, par exemple de 5 à 10 plis superposés. Le drapage au contact est effectué en chauffant au niveau de la ligne de contact du rouleau et de la pièce métallique à une température légèrement supérieure à la température de fusion des deux polyamides.

Les figures 7 A et 7B illustrent une troisième pièce renforcée 304 selon l'invention formée à partir d'une pièce métallique 301 qui se différencie de la précédente principalement par le fait qu'elle ne comprend pas de parties latérales planes, la pièce comprenant un bossage 311 se prolongeant par deux parois d'extrémité 316, ces parois d'extrémité présentant un rebord 317 avec deux portions rectilignes 317a reliées entre elles par une portion courbée 317b. Ce rebord présente une surface extérieure sensiblement plane, sensiblement perpendiculaire à la paroi supérieure, sensiblement parallèle à l'axe d'assemblage B.

Comme précédemment, des premières fibres 312 continues sont drapées longitudinalement parallèlement à l'axe A' par placement de fibres d'une paroi d'extrémité 316 à l'autre de la pièce métallique, en passant par les parois inclinées transversales 314. Une seconde fibre 332 est drapée sur les rebords 317 des deux parois d'extrémité 316 en passant sur les parois inclinées longitudinales 313 et sur la paroi supérieure 312 plane du bossage 311, de part et d'autre des premières fibres 331. Le drapage de cette fibre commence par exemple sur la paroi supérieure 312, d'un premier côté des premières fibres 331 , et se termine en venant recouvrir le début de fibre. En variante, cette deuxième fibre fait au moins deux fois le tour de la pièce métallique, le deuxième tour se superposant sensiblement au premier tour. Cette deuxième fibre permet de reprendre les efforts transmis par des inserts d'assemblage d'axe B' qui seront disposés au niveau des zones d'assemblage 318 des parois d'extrémité, sensiblement parallèlement aux rebords. Des troisièmes fibres peuvent en outre être drapées sur les parois d'extrémités au niveau de ces zones d'assemblage, par exemple à 90° des premières fibres.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.