AM5250

Moulage des composites par procds R-RIM et S-RIM

par Simon CHOUMERDocteur-ingnieur en gnie chimiqueDirecteur du dpartement Pices de Carrosserie, socit Hutchinson

et Chantal NIVERTIngnieur de lcole suprieure de chimie organique et minrale (ESCOM),docteur en sciencesDirecteur dtablissement, dpartement Pices de Carrosserie, socit Hutchinson

1. Systmes ractifs .................................................................................... AM 5 250 - 31.1 Polyurthannes ............................................................................................ 31.2 Polyures...................................................................................................... 31.3 Polyurthannes-ures ................................................................................. 41.4 Polyisocyanurates........................................................................................ 41.5 Rsines poxydes ........................................................................................ 41.6 Polyesters-urthannes................................................................................. 51.7 Acrylamates ................................................................................................. 51.8 Polyamides modifis de type 6 .................................................................. 5

2. Renforts et charges ................................................................................. 52.1 Renforts et charges incorpors aux mlanges de base (R-RIM).............. 52.2 Renforts disposs dans le moule avant injection du polymre (S-RIM) . 7

3. Proprits compares ............................................................................. 7

4. Matriel utilis.......................................................................................... 84.1 Machines ...................................................................................................... 84.2 Moule............................................................................................................ 94.3 Presses porte-moules.................................................................................. 9

5. Mise en uvre des procds ................................................................ 10Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Plastiques et Composites AM 5 250 1

es polymres rsultant dune polycondensation ont fait lobjet dtudesnombreuses, mais lune des dcouvertes les plus importantes est sans

aucun doute la synthse des polyurthannes par Otto Bayer en 1937.Les polyurthannes, qui rsultent de la raction dun diisocyanate sur un com-

pos bifonctionnel hydrogne mobile, peuvent ragir plus ou moins rapide-ment en fonction des produits de base et des quantits de catalyseurs utiliss.

Ces matriaux ont tout dabord t mis en uvre sur des machines qui per-mettaient le dosage des deux composants introduits sparment dans une ttede mlange munie dun agitateur. Cela impliquait, au dbut des annes 1950,que les produits passent par le corps des pompes, puis une fois la coule termi-

5.1 Cycle de moulage R-RIM............................................................................. 105.2 Cycle de moulage S-RIM............................................................................. 10

6. Principales applications. Marchs et perspectives ........................ 106.1 Automobile et transports ............................................................................ 106.2 Autres marchs............................................................................................ 11

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. AM 5 250

L

MOULAGE DES COMPOSITES PAR PROCDS R-RIM ET S-RIM __________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dAM 5 250 2 Techniques de lIngnieur, tra

ne, que loprateur effectue un nettoyage ou un rinage de la tte de mlange laide dun solvant.

Aux environs de 1970 sont parues les premires publications dcrivant desttes de mlange dites haute pression pour la mise en uvre de polyur-thannes. Leur principal avantage tait la suppression du nettoyage de la tte demlange aprs la coule, do leur nom de ttes autonettoyantes.

Les tudes ont principalement t menes en Rpublique fdrale dAllema-gne. Le dveloppement du procd RIM ( reaction injection molding ) utilisantce type de tte de mlange a connu un essor industriel important partir dumilieu des annes 1970. Comme son nom lindique, il sagit dun procd dinjec-tion dans un moule en mme temps que se produit la raction chimique.

Tout polymre rsultant de la polycondensation dlments liquides ou facile-ment liqufiables peut tre transform par le procd RIM qui fait lobjet dunarticle spcialis [A 3 746] dans la rubrique Plasturgie du prsent trait.

ces polymres peuvent tre ajoutes des charges renforantes ou non, detaille compatible avec le procd que lon appelle alors R-RIM ( reinforcedRIM ), cest--dire des charges pouvant passer par les injecteurs des ttes demlange.

Il est galement possible de renforcer les pices laide de fibres longues uni-directionnelles tisses ou distribution alatoire, en positionnant au pralableces renforts dans le moule avant linjection du polymre (S-RIM : structuralRIM ).

Les polyurthannes sont les polymres les plus utiliss industriellement dansles procds R-RIM et S-RIM. On assiste leur remplacement progressif par despolyures ou dautres polymres qui devraient permettre au procd RIM desatisfaire pleinement les besoins des industriels, et plus particulirement desconstructeurs automobiles europens, pour la ralisation de pices de carrosse-rie peintes, cela dans le cadre dune production rellement industrielle et auto-matisable.

Le rapport qualit/prix de ces nouveaux matriaux pour RIM est prometteur.De larges possibilits sont offertes aux matriaux polymrisables partir dedeux constituants liquides, susceptibles dtre chargs laide de fibres vg-tales ou minrales.

Outre les polyures, il faut noter le dveloppement dautres matriaux tels queles polydicyclopentadines, les polyesters ou dautres venir.

On peut galement envisager llaboration de nouveaux polymres par inter-pntration simultane de rseaux ou SIN ( simultaneous interpenetrationnetworks ). Le degr dinterpntration sera alors fonction de la compatibilitentre les polymres [1] [2].

Ces types de produits sont encore assez peu utiliss dans leRIM et nous allons nous intresser plus particulirement aux grpolymres transforms industriellement, avec les renforts et cis les plus utiliss.

Ensuite nous dcrirons le matriel ncessaire pour mettre enRIM :

machine pour doser et injecter les constituants ractifs ; moule qui donne sa forme la pice raliser ; presse porte-moule ;

puis nous prciserons le mode opratoire et les performanR-RIM et S-RIM compars dautres mthodes concurrentes.

Pour terminer, nous en donnerons les principales applicafutures.exploitation du droit de copie est strictement interdite.it Plastiques et Composites

uvre le procd

ces des procds

tions actuelles et cadre du procdandes familles deles charges asso-

__________________________________________________________________________________ MOULAGE DES COMPOSITES PAR PROCDS R-RIM ET S-RIM

1. Systmes ractifs

1.1 Polyurthannes

Les polyurthannes [AM 3 425] constituent la famille la plus utili-se dans les procds RIM.

Un urthanne est obtenu par addition dun alcool sur un isocya-nate suivant la raction (processus ionique) :

En pratique, les mlanges utiliss, traditionnellement appelsconstituants A et B, ont la composition type suivante :

A : diisocyanate

B : polyol + rticulant : diol chanes courtes

1.1.1 Diisocyanates

Le principal diisocyanate utilis avec le procd RIM est le 4,4-diphnylmthane diisocyanate ou MDI. Il peut tre utilis sousforme :

polymrise : fonctionnalit de 2,1 2,7 ; prpolymre : produit de raction dun diisocyanate sur un

compos hydrogne mobile ; modifie par des groupes carbodiimides.

Cette modification conduit llaboration dun polymre ramifi(branch), ce qui amliore la tenue thermique du polyurthanneobtenu.

Dautres diisocyanates ou drivs de diisocyanates tels que le 2,4-toluylne diisocyanate (2,4-TDI) pur ou en mlange avec le 2,6-toluylne diisocyanate (2,6-TDI), lhexamthylne diisocyanate

1.1.3 Rticulants chanes courtes

Les rticulants forment des segments rigides aprs raction avecles isocyanates.

Les diols les plus utiliss dans ce but sont :

le butanediol-1,4 ; lthylneglycol ; le dithylneglycol.

1.1.4 Catalyseurs

Ils sont utiliss pour acclrer la vitesse de raction et sont gn-ralement de deux types :

un catalyseur amin pour initialiser la polymrisation ; un catalyseur organomtallique pour acclrer le processus

de durcissement.

1.1.5 Agents dexpansion

Leur rle est daider le mlange se rpartir dans le moule, sanspour cela abaisser considrablement la densit du matriau final.

Le plus rpandu est le trichlorofluoromthane (tempraturedbullition : 24 C).

1.1.6 Tensioactifs

Ils sont utiliss la fois comme rgulateurs de cellules et commeaides lcoulement de la matire dans le moule. Ce sont essentiel-lement des silicones.

1.1.7 Eau

Leau est la fois un agent dexpansion et un promoteur de seg-ments rigides qui ragit sur lisocyanate suivant le schma :

ROH + R'NCO R'NHCOOR

+ catalyseur

+ agent d expansion

+ tensioactifs

+ eau

+ pigments suivant le

type de

formulation.

R N C O + H2O R N C OToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Plastiques et Composites AM 5 250 3

(HDI) ou le 3,3-dimthyldiphnyl-4,4-diisocyanate (TODI), parexemple, peuvent tre utiliss pour fabriquer des polyurthannes.

1.1.2 Polyols

Ils servent llaboration des segments souples et longs prsentsdans le polyurthanne final.

Polyols chane polytherCes polyols sont gnralement obtenus partir doxyde de propy-

lne ou doxyde dthylne.

Ils peuvent tre linaires difonctionnels ou polyfonctionnels, ouramifis (branchs), suivant linitiateur de chane utilis [par exem-ple trifonctionnels avec la glycrine (propanetriol) et hexafonction-nels avec le sorbitol].

Polyols chane polyesterCes polyols sont obtenus par raction de diols en excs sur des

acides dicarboxyliques.

Comme dans le cas des polythers, il est possible dobtenir desproduits rticuls rsultant de lutilisation de triols par exemple.

1.1.8 Pigments

Ceux-ci sont gnralement empts dans les polyols.

Leur influence sur la cintique de la raction est non ngligeable.

1.2 Polyures

Lure est obtenu par addition dune amine sur un isocyanate sui-vant la raction :

H OHacide carbamique instable

RNH2 + CO2



En pratique, les mlanges utiliss, appels galement consti-tuants A et B, ont pour composition type :

A : diisocyanate

B : polyamines + rticulant : amine chanes courtes

La cintique de raction des amines primaires avec les isocyana-tes est beaucoup plus rapide que celle de la raction des alcoolsavec les isocyanates dans le cas des polyurthannes. Cela permetdviter lutilisation de catalyseurs qui peuvent avoir des effetssecondaires ngatifs sur les produits finaux (coloration, oxydation).

1.3 Polyurthannes-ures

Nous avons prcdemment examin la formation des polyur-thannes ( partir dun polyol de masse molaire moyenne crant dessegments souples et longs, et dun diol chane courte crant dessegments rigides) et la formation des polyures ( partir de polya-mines de masse molaire moyenne crant des segments souples etlongs et de diamines chane courte crant des segments rigides).

Dans le premier cas, les ractions ncessitent lutilisation de cata-lyseurs pour obtenir des cintiques compatibles avec les procdsR-RIM et S-RIM, alors que, dans le second cas, la raction est parnature suffisamment rapide.

La combinaison de ces deux familles de polymres a donn nais-sance aux polyurthannes-ures pour lesquels la composition duconstituant B peut tre :

soit un mlange polyol + diamine chane courte ; soit un mlange polyol + diamine chane courte

+ diol chane courte.

Dans les deux cas, le constituant A est un diisocyanate.

1.4 Polyisocyanurates

Les isocyanurates rsultent de la trimrisation de diisocyanates(figure 1). Les groupements isocyanates libres sont en mesure deragir avec des composs hydrogne mobile.

La formulation seffectue de la mme faon que pour un polyur-thanne et la chane longue peut tre amene soit par un polyol chane ther, soit par un polyol chane ester contenant ou non desnoyaux aromatiques.

La prsence dun catalyseur savre ncessaire pour que lavitesse de raction soit compatible avec les procds R-RIM et S-RIM.

Ces polymres peuvent tre utiliss sous forme compacte ouexpanse. Dans ce dernier cas, lagent dexpansion le plus couram-ment utilis aujourdhui est le trichlorofluoromthane.

1.5 Rsines poxydes

Les rsines poxydes [A 3 465] les plus courantes sont obtenuespar polyaddition entre le bisphnol A, lpichlorhydrine et la soude.

+ pigments

+ tensioactifs suivant le type

de formulation.

Figure 1 Trimrisation de diisocyanates et obtention des polyisocyanurat

Poln J

OCN NCO OCN NCO

NCO

3+ catalyseur

O

O

O

N

N

NN

N

N

Diisocyanate IsocyanurateI

3 I+ catalyseur

OCN

OCN

OO

N

N

NN

N

N

O

NN

O

TriisocyanurateJexploitation du droit de copie est strictement interdite.it Plastiques et Composites

es

yisocyanurate

NCO

ON

N

N

N

NCO

NCO

OO

N

N

NN

N

N

O O

NCO

OO

N

N

NN

N

N

O


Les durcisseurs sont gnralement des amines primaires etsecondaires, des anhydrides dacide ou des drivs de guanidine,

qui provoquent la rupture du cycle poxyde de la rsine.

Certains adjuvants sont utiliss pour faciliter la mise en uvre ouplastifier le polymre obtenu.

1.6 Polyesters-urthannes

Nous avons vu au paragraphe 1.1.2 quil est possible de fabriquer,par raction de diacides et de diols, des polyols chane polyesterinsature de diffrents degrs dinsaturation, qui pourront ragircomme dans le cas de polyesters classiques avec du styrne mono-mre en prsence de catalyseurs.

Pour les procds R-RIM et S-RIM, les deux constituants ractifspourront avoir la composition suivante :

A : diisocyanate+ styrne monomre+ peroxyde de benzoyle+ absorbeur deau (ventuellement) ;

B : polyester-glycol+ styrne+ dithylaniline+ catalyseur (ventuellement).

1.8 Polyamides modifis de type 6

La molcule de base pour llaboration de polyamide [A 3 360] estl-caprolactame, de formule :

Le constituant A utiliser pour les procds R-RIM et S-RIM est unprpolymre de l-caprolactame.

Le constituant B est de l-caprolactame avec un catalyseur. Lastructure du polymre obtenu est diffrente selon le catalyseurutilis :

NaH 60 % de puret conduit un copolymre altern de type (figure 3 a) ;

du bromure de caprolactame-magnsium conduit unpolymre bloc squenc de type (figure 3 b).

2. Renforts et charges

Deux types de renforts et de charges, associs aux matrices orga-niques prcdemment dcrites ( 1), peuvent tre utiliss :

les renforts et charges minrales de faible dimension, pouvanttre incorpors dans les mlanges de base et injects par linterm-

Figure 2 Structure chimique des acrylamates

CH3 CH3

H2C C

C

C CO O

O

CH CH2

C

C

O

OCH3

O CH CH2OH

H

H

n

groupe mthacrylate groupe fumarate avec n < 4

CC

O

O

C NH

(CH2)5

ABABAB

AB( ) x AToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Plastiques et Composites AM 5 250 5

1.7 Acrylamates

Les rsines de base sont obtenues partir dacide mthacrylique,doxyde de propylne et danhydride malique, avec isomrisationconduisant un fumarate (figure 2).

Loriginalit de ces produits de base consiste en leur possibilit deragir non seulement par polyaddition sur des fonctions isocyana-tes grce leur fonction alcool, mais encore en prsence de cataly-seur de type peroxyde, dobtenir une rticulation grce aux doublesliaisons des groupes fumarates et acrylates.

Dans le cas dun polyester insatur, on ajoute un diluant ractif telque le styrne. Les mlanges pour les procds R-RIM et S-RIM sontdonc :

constituant A : diisocyanate + peroxyde ;

constituant B : acrylesterol + catalyseur.

diaire des ttes de mlange fixes sur les moules ( 2.1). Cest le R-RIM (reinforced reaction injection molding) ;

les renforts pralablement positionns dans le moule et surlesquels on procde linjection des constituants ractifs. Il sagitessentiellement de tissus de verre ou de carbone par exemple, oude mats de verre, prforms ou non, qui sont obtenus par distribu-tion alatoire de fils de verre ( 2.2). Cest le S-RIM (structural reac-tion injection molding).

2.1 Renforts et charges incorpors aux mlanges de base (R-RIM)

2.1.1 Renforts de verre

Fibres de verreCe sont les renforts le plus largement utiliss dans les matrices

polyurthannes.

Des fibres de verre broyes, de diamtre 14 17 m et de lon-gueur moyenne 0,1 0,2 mm, sont utilises industriellement depuisle dbut des annes 1980. Ces fibres peuvent tre traites de faon



tre lies chimiquement avec la matrice organique. Pour crercette liaison, on utilise principalement des aminosilanes ou despoxysilanes.

Ces types de fibres sont utiliss des taux pouvant atteindre 20 25 % en masse du matriau final. Gnralement, les fibres les pluscourtes prsentent une meilleure aptitude lcoulement et sontincorpores plus facilement dans les liquides.

Fibres de verre broyes et tamisesLutilisation de fibres de verre conduit bien videmment des

matriaux anisotropes, leur rapport longueur/diamtre variant de20 000 50 000.

Lanisotropie des pices produites peut aussi tre influence parla position du point dinjection sur les pices qui dtermineralorientation des flux de matire dans le moule.

Les charges lamellaires apportent une diminution de lanisotro-pie. Les variations des proprits dans la pice sont donc moinsimportantes quavec les fibres de verre.

Figure 3 Diffrentes structures chimiques des polyamides modifis de ty

OCN NCO + 2 - caprolactame HN

O

CPrpolymrecontenant des chanesissues de polypropylneglycolou de polybutadineglycol

N N

OO

C

O

CNH HNC

O

C

O

NH HN NH (CH2)5C

O

C

O

C

N Na+O

C

N

O

C

n

B : bloc lastomre A : bloc polyamideacyllactame

- caprolactame

Prpolymre polyestriamide

N NH NH

OO

C RC

O

C

O

RC

O

CO

O

CO(CH2)5 (CH2)5

O

C N

O

C

+ y HN

O

Cx

+ catalyseur

x HO OH + (x + 1) N N

OO

C

O

CRC

O

C+ catalyseur

bis - acyllactamepolyol

N NH

OO

C C(CH2)5 NH NH

O

RC

O

CO

O

C(CH2)5 (CH2)5

O

C N

O

C

x

ba c d

B : bloc lastomreA : bloc polyamide

NH

O

RC

O

C (CH2)5

O

C O

copolymre bloc squb

copolymre de type ABAaexploitation du droit de copie est strictement interdite.it Plastiques et Composites

2.1.2 Charges minrales

Elles sont en gnral broyes et peuvent, comme les diffrentsverres, tre traites pour promouvoir ladhsion entre les charges etles matrices.

MicasGrce leur structure lamellaire, comme dans le cas des cailles

de verre, laddition de particules de mica a pour but de diminuerlanisotropie des composites. Ces micas doivent tre exempts desable et de feldspath, et tre traits avec un produit hydrophobe(driv phnolique ou sel mtallique) de faon viter lesdpolymrisations ultrieures dues la prsence deau. Une bonneliaison avec la matrice peut tre obtenue par traitement des micasavec un organosilane.

Les micas prsentent linconvnient dtre trs abrasifs et daug-menter considrablement la viscosit des liquides auxquels ils sontadditionns.

pe 6

enc de type (AB)x A


Dans certains cas, des micas traits superficiellement au nickelpeuvent tre utiliss comme charges dans les polymres, de faon obtenir un blindage lectromagntique.

Wollastocoat

Ce sont des wollastonites, cest--dire des mtasilicates de cal-cium traits, commercialiss, par exemple, par la socit Nyco. Ilsont la forme dune aiguille (longueur/diamtre = 20).

Tismo D

Ce sont des aiguilles (ou trichytes ) de titanate de potassium dediamtre 0,3 0,6 m et de longueur 10 20 m. Ces fibres sontcommercialises, avec ou sans traitement de surface aux organosi-lanes, par la socit japonaise Otsuka Chemical Co. Ltd.

Fibres RF

Ces fibres fournies par la socit Lapinus sont obtenues grce un procd de filature de silicates minraux fondus. Ce sont essen-tiellement des silicates mixtes de calcium, magnsium et alumi-nium qui sont utiliss. Ces fibres ont un diamtre moyen de 5 m et,une fois broyes, ont des longueurs de 70 250 m.

Les longueurs les plus utilises pour le procd R-RIM sont com-prises entre 100 et 150 m, ou 150 et 200 m.

Ces fibres peuvent tre utilises telles quelles ou aprs traitementpar un organosilane (le plus souvent un aminosilane).

Carbonate de calciumSuivant les fournisseurs et les origines, la granulomtrie peut

varier, mais, pour le procd R-RIM, le diamtre des particules doittre situ entre 2,5 et 15 m.

Sulfate de baryumComme dans le cas des carbonates de calcium, plusieurs granulo-

mtries sont disponibles sur le march, comme par exemple, 1 20 m ou 1 30 m.

2.2 Renforts disposs dans le moule avant injection du polymre (S-RIM)

Les renforts utiliss se prsentent sous forme de nappes qui peu-vent tre composes de :

fibres coupes ; mats constitus de fibres distribues alatoirement ; tissus ;

tissus et des renforts unidirectionnels, on peut envisager des hybri-des, par exemple verre-carbone ou carbone-aramides.

Pour des pices relativement planes, il est possible dutiliserdirectement des renforts dcoups dans les nappes. Par contre,pour raliser des formes profondes, telles que les pare-chocs auto-mobiles, il est impratif :

soit de passer par lintermdiaire de prformes, cest--direque lbauche dcoupe plat doit tre mise en forme : la techniquecourante consiste saupoudrer la nappe dun lastomre thermo-plastique au moment de sa fabrication ; lbauche est chauffe au-del du point de ramollissement du produit thermoplastique etpresse chaud dans un moule froid ; en se refroidissant, le renfortgarde, grce au thermoplastique solidifi, la forme qui lui a timpose ;

soit de mettre en forme la nappe directement dans le moule injection, ce qui implique une dformabilit de la nappe beaucoupplus importante et aise que dans la solution prcdente.

Les fibres coupes (longueur : 4 5 cm) sont trs utilises dans latechnique du polyester projet : du matriel de dcoupe est coupl une machine de projection (par exemple machine Venus) deMatrazur.

Des mats de fibres distribus alatoirement existent avec desgrammages divers (300 1 200 g/m2 par exemple).

Le liant est le plus souvent un thermoplastique faible tempra-ture de fusion, choisi en fonction des rsines surmoules.

Les tissus sont souvent fabriqus par des spcialistes partir defils obtenus auprs des fournisseurs de verre [A 2 110].

Les renforts unidirectionnels peuvent tre relis entre eux par desfils qui donnent une cohsion suffisante pour obtenir des bandes.

Il est galement possible de fabriquer des tricots de verreextrmement dformables, ou linverse, des grilles utilisables plat sans dformation.

3. Proprits compares

Les tableaux 1 et 2 donnent les proprits mcaniques des picesobtenues par les procds R-RIM (fibres courtes) et S-RIM (fibreslongues, mats et tissus).

Quelle que soit la matrice organique utilise, on observe que leprocd R-RIM, qui utilise des fibres courtes, permet dobtenir desmodules de flexion de 450 1 500 MPa. Par contre, le procdToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Plastiques et Composites AM 5 250 7

fibres continues unidirectionnelles.

Les matriaux les plus courants sont le verre, le carbone et lesfibres aramides, seuls ou traits superficiellement. Dans le cas des

S-RIM, utilisant des fibres longues, permet daugmenter la chargeen verre, de lassocier dautres fibres type carbone et datteindredes modules de flexion de 40 000 MPa.

(0)

Tableau 1 Proprits mcaniques de pices obtenues par le procd R-RIM partir de divers systmes ractifs

Polyurthannes-uresrenforcs de fibres de verre

Polyures renforcsde fibres de verre

Polyurthannes renforcs de

fibres de verre

Taux de fibres ......................................................... (%) 10 15 20 15 20 15

Masse volumique ............................................ (g/cm3) 1,12 1,15 1,15 1,20 1,20 1,25 1,15 1,20 1,20 1,25 1,15 1,20

Rsistance la rupture en traction .................. (MPa) 20 22 20 22 20 22 25 30 25 30 22 25

Allongement la rupture en traction .................. (%) 200 170 180 140 160 120 50 140 70 120 25 40

Module de flexion ..............................................(MPa) 450 600 500 810 550 1 300 800 1 200 1 000 1 500 800 1 200

Temprature sous charge (1) ............................... (C) 140 150 160 170

(1) En anglais HDT : heat distorsion temperature.



(0)

4. Matriel utilis

4.1 Machines

Leur fonction est dassurer, de manire fiable, le dosage et lemlange des constituants. Elles se composent des lments sui-vants.

Deux cuves de stockageCes cuves, contenant respectivement les composants A et B, sont

munies dagitateurs, thermorgules et maintenues sous pressiondair sec.

Deux groupes de dosageLes dosages des deux constituants A et B sont effectus par des

pompes haute pression dbit variable. Lorsquils sont non abrasifset de faible viscosit (infrieure 1 Pa s), les composants A et Bpassent directement par les corps de pompe. Les types de pompeutiliss sont pistons verticaux, axiaux ou radiaux.

Dans le cas o les composants A et B ont une viscosit suprieure 1 Pa s ou contiennent des charges telles que des fibres de verreou du mica, ils peuvent tre doss par lintermdiaire dun piston simple ou double effet. Cest un fluide hydraulique (huile) quipasse alors dans le corps des pompes et assure le dplacement du

composant qui se trouve dans le piston, vers la tte de mlange(figure 4).

Dans le cas dun piston simple effet, le remplissage seffectue laide de la pression des cuves de stockage (9 bar dans ce cas, aulieu de 3 4 bar si lon dispose dun piston double effet).

Les machines les plus rcentes possdent une distribution defluide hydraulique par lintermdiaire de vannes proportionnellesdont les dbits sont compars ceux imposs par lutilisateur qui a,au pralable, entr dans lordinateur les paramtres du processus.Une unit de pilotage rajuste, si ncessaire, le dbit.

Une tte de mlange

Cest vraisemblablement lorgane de la machine qui varie le plusdun constructeur lautre (figures 5 et 6). Cependant, certains l-ments sont communs toutes les ttes de mlange.

Tableau 2 Proprits mcaniques des pices obtenues par le procd S-RIM partir de divers systmes ractifs

Renfort % Verre Module de flexion(MPa)

Mat 60 12 000

Mat 50 23 000

Tissu 15

Mat verre + unidirection-nel carbone (15 %) 35

40 000

Figure 4 Schma de principe dune machine dinjection munie dun piston pour lintroduction du polyol

Air Air

Isocyanate Huile

Huile

Polyol+ charge

Polyol+

charge

Tte demlange

Piston

Clapet antiretour

Filtres

PompesFiltres

Pompes

Figure 5 Schma de principe dune tte de mlange Krauss-Maffei (R-RIM

(1) venant de la pompe de dosage (2) alla

Fluidehydraulique

(2) (1)

(2) (1)

Isocyanate

Polyol

recirculation avant l'injectionaexploitation du droit de copie est strictement interdite.it Plastiques et Composites

et S-RIM)

nt vers le rservoir (3) vers le moule

Isocyanate

Polyol

Fluidehydraulique

(3)

injection dans le mouleb


Les composants pntrent dans la chambre de mlange en pas-sant par des gicleurs. La pression chute brutalement de 150 bar lapression atmosphrique, do cration dun brouillard danslequel se mlangent intimement les deux composants avantdentrer dans le moule.

Les ttes sont autonettoyantes : un piston actionn hydraulique-ment vient lcher les parois de la chambre de mlange aprs uneinjection.

Par contre, suivant les constructeurs, louverture des gicleurs peuttre effectue de diffrentes faons :

systme hydraulique ;

vannes rotatives trois voies ;

retrait du piston de nettoyage.

Alliages lgers couls et grattsCe matriau est utilis pour les moules de pices qui ne requi-

rent pas un aspect particulirement soign (porosit possible lorsde la coule).

Bloc daluminium usinCes moules ont une surface fragile, mais il est possible de raliser

jusqu 200 000 pices dans de tels outillages.

Acier usinIl est utilis comme matriau des moules dans lesquels sont injec-

ts des produits chargs ou non, pour des fabrications en grandesrie. Cest galement le matriau retenu dans le cas du moulage depices graines. La profondeur du motif obtenu par grainage chimi-que est en effet plus facile matriser sur de lacier que sur de lalu-minium.

4.2.2 Conception

Plan de jointIl est situ au point haut de la pice.

ventsLe mlange inject dans le moule remplit partiellement

lempreinte et, pendant la phase dexpansion, chasse lair delempreinte. Il peut tre ncessaire de prvoir des vents lapriphrie de lempreinte afin de faciliter cette vacuation dair et degaz lgers provenant de la raction.

Lame dinjectionElle doit tre dimensionne de telle sorte que la matire entre

dans le moule en rgime dcoulement laminaire (nombre de Rey-nolds Re 50). Suivant les pices, son paisseur peut varier de 1 3 mm.

Postmlangeur (after mixer )Pour parfaire le mlange des composants, un mlangeur statique

est plac dans la carotte dinjection. Il sagit en fait damener lamatire en rgime dcoulement turbulent entre la tte de mlangeet la lame dinjection (Re > 200).

ThermorgulationLes moules doivent tre parfaitement thermorguls par circula-

Figure 6 Schma de principe dune tte de mlange Cannon(R-RIM et S-RIM)

FluidehydrauliqueIsocyanate

Polyol

FluidehydrauliqueIsocyanate + polyol

Polyol

injection dans le mouleb

recirculation avant l'injectiona

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4.2 Moule

Suivant la quantit et la qualit des pices fabriquer, les mat-riaux constituant le moule et sa conception peuvent tre diffrents.

4.2.1 Matriaux

Par ordre de prix croissant et suivant lutilisation requise, lune deces solutions est choisie.

Rsine poxyde

Ce matriau relativement fragile est utilis pour la ralisation demoules pour prototypes ou de moules pour trs petites sries.

Formes mtalliques ralises par galvanoplastie ou projectionmtallique, rigidifies par des btons de rsine

Cette solution est retenue pour les moules de pices de formessimples, en petite srie, pour lesquelles aucune modification nestenvisage.

tion deau ou dhuile (suivant les polymres fabriqus), de faon obtenir des arrangements molculaires identiques en tout point dela pice.

Pices mobilesDans le cas o des contre-dpouilles nont pu tre vites lors de

la conception de la pice, il est ncessaire de crer des pices mobi-les dans le moule pour permettre le dmoulage de la pice une foiscelle-ci injecte.

4.3 Presses porte-moules

Leur rle consiste :

supporter le moule ; maintenir le moule ferm malgr les pressions qui peuvent

sexercer au cours de la polycondensation.

Jusqu maintenant, ces presses sont en majorit verticales, maisil nest pas exclu denvisager lutilisation des presses horizontalestraditionnellement employes pour linjection des polymres ther-moplastiques.



Les plateaux des presses peuvent atteindre 3 000 mm 1 250 mmpour la fabrication des pices de carrosserie automobile telles quedes pare-chocs.

Les forces de fermeture ncessaires avec les polyurthannes sontrelativement faibles, de lordre de 100 200 tf (soit 1 2 MN), maislutilisation de systmes ractifs tels que les polyures impose desforces de fermeture de 400 600 tf (soit 4 6 MN).

Les presses sont mues hydrauliquement et les temps de cyclesdouverture-fermeture sont de lordre de 12 25 s.

5. Mise en uvre des procds

5.1 Cycle de moulage R-RIM

Le cycle de moulage standard (figure 7) dune pice transformepar le procd R-RIM peut tre dcrit de la faon suivante :

ouverture de la presse ; dmoulage de la pice prcdente aprs mouvement des pi-

ces mobiles de loutillage sil y a lieu ; nettoyage succinct du moule pour retirer les bavures ventuel-

les au niveau des plans de joint ; application de lagent de dmoulage externe dans le cas o

des matriaux non autodmoulants sont utiliss ; dplacement des pices mobiles du moule pour que ce dernier

puisse tre ferm ; fermeture de la presse aprs basculement des plateaux en

position horizontale ; rapide recirculation des constituants ; appel de linjection des constituants ; maintien de la fermeture de la presse pendant le temps de

polycondensation du polymre.

Ces oprations ne sont pas obligatoirement ralises les unesaprs les autres, mais peuvent, dans certains cas, tre simultanespour diminuer le temps de cycle de production.

5.2 Cycle de moulage S-RIM

Dans ce cas, le renfort de fibres longues est plac dans le mouleentre les oprations dapplication de lagent de dmoulage et ledplacement des pices mobiles du moule qui prcde la fermeturede celui-ci.

6. Principales applications. Marchs et perspectives

6.1 Automobile et transports

Le march de lautomobile et des transports, en particulier celuides vhicules industriels, reprsente un dbouch important pourles pices ralises en polyurthanne ou polyure par technologieR-RIM ou S-RIM.

Laddition des fibres de verre ou dautres charges minrales dansles matrices polyurthannes ou polyures permet, pour les picesextrieures de carrosserie, de limiter la dilatation thermique diff-rentielle. En effet, lvolution constante des exigences de la clientle

et des normes de qualit conduit les constructeurs automobiles etde vhicules industriels utiliser des matriaux de synthse ayant lemoins tendance la dformation en fonction des carts de tempra-ture. Ainsi, la carrosserie plastique dun mme vhicule, dans lesglaces de lAlaska ou dans le dsert du Nevada, devra se comporterde faon acceptable.

Les principaux lments de carrosserie ralisables par procd R-RIM ou S-RIM sont :

pare-chocs et faces avant ; ailes ; lments arodynamiques avant et arrire (becquets) ; bavolets et bas de caisse ; grilles et fronts de calandre ; protections latrales ; planchers arrire de vhicule.

titre dexemple, la figure 8 prsente quelques-unes des ra-lisations de la socit Hutchinson pour lautomobile et les vhiculesindustriels.

Tous ces lments sont peints la couleur de la carrosserie ou enton contrast. Les matriaux base de polyurthannes et de polyu-res sont particulirement aptes la peinture en raison de leurnature physique et chimique.

De nombreux quipementiers europens tudient depuis plu-

Figure 7 Poste de moulageexploitation du droit de copie est strictement interdite.it Plastiques et Composites

sieurs annes les polyures et les mlanges polyure-polyur-thanne, principalement avec les constructeurs automobileseuropens et les fournisseurs de matire premire europens ouamricains. La possibilit de moduler les caractristiques physiquesdes pices ainsi obtenues, en fonction des cahiers des charges etdes besoins des constructeurs automobiles et vhicules industriels,est un atout considrable pour les polyures et polyurthannes.

Le dveloppement des procds R-RIM pour la fabrication de pi-ces de carrosserie devrait tre important par suite du succs indus-triel des matriaux base de polyures. En effet, les picesobtenues combinent la fois :

des avantages techniques : bonne rsistance thermique jusqu 190 C (possibilit de

peinture en ligne), bonne aptitude la peinture, bon tat de surface ;

des avantages industriels : temps de cycle de production court, de lordre dune minute

pour le procd R-RIM, possibilit dautomatisation, en particulier pour lbarbage.

Nous citerons galement pour mmoire ltude dlments destructure et de semi-structure raliss par procd S-RIM avec des


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matriaux trs varis et souvent injects sur des renforts de verre oude carbone. La premire application ralise est une poutre de pare-chocs de vhicule de chantier pour un constructeur italien. Cettepoutre a t produite en injectant du polyester hybride sur une pr-forme de tissu de verre. Ces polyesters hybrides ont t mis au pointpar la collaboration des socits Hutchinson et Cray Valley (groupeAtofina, filiale du groupe Totalfinaelf).

6.2 Autres marchs

Les marchs autres que lautomobile, tels que llectronique (cof-frets), le mobilier (carcasses et structures de siges, fauteuils, lits...),les sports et loisirs (casques, jouets, protections, skis, raquettes...),sont moins importants que le march de l'automobile et des vhi-cules industriels.

Figure 8 Pices automobiles ralises par procds R-RIM et S-RIM (doc. Hutchinson)

Pare-chocs Zeta Lancia

Ceinture de caisse Saxo Citron (protecteur ailes AV/AR, protecteur basde caisse, protecteur de porte)

Poutre Astra

Calandre Mascott Renault VI

Moulage des composites par procds R-RIM et S-RIM1. Systmes ractifs1.1 Polyurthannes1.1.1 Diisocyanates1.1.2 PolyolsPolyols chane polytherPolyols chane polyester

1.1.3 Rticulants chanes courtes1.1.4 Catalyseurs1.1.5 Agents dexpansion1.1.6 Tensioactifs1.1.7 Eau1.1.8 Pigments

1.2 Polyures1.3 Polyurthannes-ures1.4 Polyisocyanurates1.5 Rsines poxydes1.6 Polyesters-urthannes1.7 Acrylamates1.8 Polyamides modifis de type 6

2. Renforts et charges2.1 Renforts et charges incorpors aux mlanges de base (R-RIM)2.1.1 Renforts de verreFibres de verreFibres de verre broyes et tamises

2.1.2 Charges minralesMicasWollastocoatTismoFibresCarbonate de calciumSulfate de baryum

2.2 Renforts disposs dans le moule avant injection du polymre (S-RIM)

3. Proprits compares4. Matriel utilis4.1 MachinesDeux cuves de stockageDeux groupes de dosageUne tte de mlange

4.2 Moule4.2.1 MatriauxRsine poxydeFormes mtalliques ralises par galvanoplastie ou projection mtallique, rigidifies par des b...Alliages lgers couls et grattsBloc daluminium usinAcier usin

4.2.2 ConceptionPlan de jointventsLame dinjectionPostmlangeur (ThermorgulationPices mobiles

4.3 Presses porte-moules

5. Mise en uvre des procds5.1 Cycle de moulage R-RIM5.2 Cycle de moulage S-RIM

6. Principales applications. Marchs et perspectives6.1 Automobile et transports6.2 Autres marchs

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