Soutenance mémoire
Contexte industriel : le répartiteur d’air, une pièce du circuit d’admission
Le répartiteur d’air est la pièce qui permet la distribution de l’air au sein des différents cylindres du moteur. L’air, qui provient de l’extérieur du véhicule, passe d’abord à travers un filtre puis est acheminé à travers un tuyau d’admission jusqu’au boitier papillon. Ce dernier consiste en une valve qui s’ouvre de façon proportionnelle à l’accélération demandée par le conducteur pour laisser entrer plus ou moins d’air dans le répartiteur d’air situé en aval. Le flux d’air poursuit ensuite son parcours en passant par le plenum du répartiteur d’air avant de se diviser dans les différents runners qui sont les conduits du répartiteur permettant l’accès de l’air dans les cylindres du moteur. Il y a donc un runner par cylindre. la vue éclatée d’un moteur 4 cylindres, le répartiteur d’air (Air Intake Manifold en anglais). L’injection de l’essence se fait après le répartiteur d’air, généralement dans les cylindres dans le cas de l’injection directe ou dans la tubulure d’admission, en amont de la soupape, pour les moteurs à injection indirecte.
Cahier des charges et validation usuelle du répartiteur d’air
Au cours de son utilisation, les sollicitations mécaniques subies par le répartiteur d’air sont multiples. Il existe notamment une sollicitation de pression cyclée due à la variation de la pression de l’air entrant dans la pièce ainsi qu’une sollicitation ponctuelle répétée générant des contraintes élevées et se manifestant lors de l’occurrence de backfires. Ces derniers sont des explosions du mélange air carburant ayant lieu au sein du répartiteur d’air alors qu’elles devraient normalement se produire dans la chambre de combustion. La sollicitation mécanique la plus critique pour les répartiteurs d’air est celle liée à l’occurrence de backfires car une rupture de la pièce peut intervenir assez tôt dans la vie du véhicule si la pièce est mal dimensionnée.
La pression générée par un backfire dépend de plusieurs variables dont le ratio air/carburant, le volume du répartiteur d’air et les éventuelles fuites du circuit d’admission. A titre d’exemple, la procédure de test de Raetech corporation (Raetech Corporation, Document technique) décrit le protocole de mesure et les profils de pression obtenus à l’aide de capteurs lors d’explosions provoquées dans un répartiteur d’air. Les valeurs retenues pour le backfire sont une montée en pression dans le répartiteur d’air d’environ 1 bar/ms atteignant une valeur maximale de 7 bars.
L’évaluation de la tenue aux backfires des répartiteurs d’air diffère selon les procédures des équipementiers et constructeurs mais se fait généralement selon deux types d’essais (BASF, 2002) :
– Des essais d’éclatement quasi-statique correspondant à une montée en pression inférieure à 1 bar/s. Lors de ces tests la pièce doit résister à des pressions généralement comprises entre 5 et 8 bars pendant 1 minute. Ces essais ne correspondent pas à une sollicitation subie par le répartiteur en termes de vitesse de sollicitation mais permettent de discriminer les pièces les unes par rapport aux autres vis-à-vis de la tenue à une pression interne et donc aux backfires. L’avantage de cet essai est qu’il est simple à mettre en place et peut donc servir à réaliser un suivi de production sur la chaîne d’assemblage. Ces essais peuvent être réalisés en utilisant de l’eau ou de l’air (DSM Engineering Plastics, 2011).
– Des essais d’éclatement dynamiques cyclés qui permettent de reproduire les sollicitations ayant lieu lors des backfires. Ces essais permettent ainsi d’évaluer la durée de vie de la pièce en fonction du nombre de backfires subis. Dans ce cas, les valeurs de montée en pression sont proches de 1 bar/ms et les valeurs maximales de pression comprises entre 3 et 7 bars. Pour appliquer ces sollicitations, deux options sont possibles : utiliser un mélange air/carburant et l’allumer dans le répartiteur afin de provoquer son explosion ou utiliser de l’air sous pression. Le point délicat lors de cette dernière solution est de réussir à atteindre les vitesses d’augmentation de pression effectives lors de l’explosion.
Matériaux et procédés utilisés pour la fabrication du répartiteur d’air
Les répartiteurs d’air ayant une géométrie complexe et creuse, leur fabrication n’est pas aisée. Ces pièces étaient initialement réalisées en aluminium à l’aide du procédé de moulage au sable ou par usinage de blocs. Cependant, des répartiteurs en polymères ont ensuite été développés afin notamment d’alléger les véhicules. Pour obtenir des propriétés mécaniques correspondant au cahier des charges et améliorer la stabilité thermique du matériau, des fibres de verre sont ajoutés dans la formulation, généralement à hauteur de 30-35% en masse. Ces nouveaux matériaux composites ouvrent la voie à d’autres techniques de mise en forme dont l’injection sur noyau fusible mise au point dans les années 70, puis l’injection-soudage qui a maintenant remplacé cette première technique (Fischer, Document technique).
Procédé d’injection sur noyau fusible
Le procédé d’injection sur noyau fusible permet de réaliser des répartiteurs en polyamide 66 (matériau dont la température de fusion avoisine les 260°C) renforcé par des fibres de verre courtes. La production industrielle de pièces à l’aide de ce procédé a commencé dans les années 80. Le procédé de moulage sur noyau fusible consiste à surmouler la matière plastique sur un modèle en alliage étain bismuth à basse température de fusion (138°C). Le modèle représente alors le contour intérieur du répartiteur d’air et est inséré dans le moule de la presse à injecter. La matière plastique est ensuite injectée, à pression plus basse que lors d’une injection classique car le modèle en alliage métallique présente une résistance mécanique faible. Les pièces ainsi obtenues passent ensuite dans des bains d’huile à environ 220°C afin de fondre le noyau de la pièce tout en préservant la partie moulée en composite qui fond à une température plus élevée.
L’inconvénient de ce procédé est l’utilisation de bains d’huile pour la fusion du noyau. En effet, cette étape est relativement longue : il faut 1 heure pour faire fondre le noyau en alliage contre 1 minute pour le moulage du polymère. Cela implique donc d’avoir des bains de grandes dimensions pouvant contenir au moins 60 pièces, et donc des investissements initiaux élevés. De plus, une erreur de production n’est détectable qu’à la fin du procédé de fabrication, ce qui complique grandement les réglages le long de la chaîne. Une amélioration du procédé consiste à utiliser des bobines d’induction pour accélérer la vitesse de fusion de l’alliage métallique. Des noyaux de 40 kg peuvent ainsi être fondus en 2 minutes. Cependant, les coûts de telles installations sont élevés et d’un point de vue environnemental le recyclage des huiles de bains contaminées n’est pas aisé étant donné la toxicité que présente l’alliage utilisé (Fischer, Document technique). C’est pourquoi le procédé d’injection-assemblage, décrit cidessous, s’est grandement développé comme alternative.
Procédé d’injection-assemblage
Le procédé de moulage sur noyau fusible étant complexe et nécessitant un investissement important, il a été progressivement remplacé à la fin des années 90 par la méthode d’injectionassemblage qui consiste à injecter plusieurs parties de la pièce, généralement deux coques, puis à les assembler entre elles . Cet assemblage peut se faire de plusieurs manières mais la plus répandue est la technologie de soudage par vibration. Cette dernière consiste à mettre les pièces à assembler en contact puis mettre en vibration une des deux pièces. Le frottement entre la pièce vibrante et la pièce statique va alors générer de la chaleur par friction et permettre la fusion locale de la matière .
A l’inverse du procédé d’injection sur noyau fusible qui ne permettait d’utiliser que du PA66 pour la fabrication des pièces (notamment en raison de sa température de fusion élevée), le procédé d’injection-assemblage est compatible avec une plus large gamme de matières plastiques. Les polymères les plus utilisés pour la fabrication des répartiteurs d’air sont des polyamides (6 ou 66) et depuis le milieu des années 2000, certains répartiteurs sont désormais fabriqués en polypropylène. Le temps de cycle de fabrication de la pièce est considérablement raccourci par rapport à l’injection sur noyau fusible en raison de la rapidité de l’opération de soudage (durée inférieure à la minute).
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Etude bibliographique
1.1 Contexte industriel : le répartiteur d’air, une pièce du circuit d’admission
1.1.1 Cahier des charges et validation usuelle du répartiteur d’air
1.1.2 Matériaux et procédés utilisés pour la fabrication du répartiteur d’air
1.2 Microstructure multi-échelle des polymères thermoplastiques
1.2.1 Morphologie des polymères semi-cristallins
1.2.2 Les différentes phases cristallines des polymères de l’étude
1.2.3 Les mécanismes de déformation au sein des polymères semi-cristallins
1.2.4 Les polymères renforcés par des fibres de verre courtes
1.3 Les procédés de mise en forme
1.3.1 Le procédé d’injection
1.3.2 Le procédé de soudage par vibration
1.4 Les modifications de la microstructure lors de l’opération de soudage
1.4.1 Interdiffusion macromoléculaire à l’interface
1.4.2 Variation de la morphologie cristalline au sein de la zone affectée thermiquement (ZAT)
1.4.3 Réarrangement spatial des fibres de verre au sein de la zone soudée
1.5 Conclusions de l’étude bibliographique
Chapitre 2 : Matériaux et méthodes
2.1 La campagne de soudage du polyamide
2.2 La campagne de soudage du polypropylène
2.3 Les essais de traction
2.3.1 Justification du choix de chargement
2.3.2 Géométrie des éprouvettes
2.3.3 Vitesse de sollicitation
2.3.4 Séchage des éprouvettes
2.3.5 Mesure de la déformation à l’aide d’un extensomètre vidéo
2.3.6 Mesure de la déformation par corrélation d’images numériques 2D
2.4 La Chromatographie d’Exclusion Stérique (SEC)
2.5 La Microscopie optique en transmission sous lumière polarisée
2.6 La Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC)
2.6 La diffraction des rayons X (SAXS et WAXS)
2.7 La tomographie aux rayons X (tomographie RX)
2.7.1 Le principe de fonctionnement
2.7.2 L’acquisition des données au synchrotron et la reconstruction des fichiers volumiques
2.7.3 Le post-traitement des données
Chapitre 3 : Effets du soudage sur la microstructure et le comportement en traction du PA66-GF30
3.1 Les propriétés mécaniques en traction des assemblages soudées en PA66-GF30
3.2 Caractérisation de la matrice polymère
3.2.1 Caractérisation de la longueur des chaînes polymères
3.2.2 Caractérisation de la morphologie cristalline de la matrice dans la zone soudée
3.3 Analyse de la microstructure des zones soudées par microtomographie RX
3.3.1 Analyse qualitative de l’orientation des fibres au sein des différents échantillons
3.3.2 Epaisseur de la zone soudée
3.3.2 Caractérisation des cavités
3.3.3 Analyse tridimensionnelle de l’orientation des fibres
3.3.4 Agglomération des fibres dans la zone soudée
3.4 Observation de la microstructure des échantillons soudés pré-déformés
3.5 Conclusion de l’étude sur le soudage du PA66-GF30-AN
3.6 Comparaison avec les autres grades de polyamides étudiés
Chapitre 4 : Effets du taux de fibres sur la soudabilité du polypropylène
4.1 Etude de la microstructure de la zone soudée du polypropylène
4.1.1 Effet des étapes de mises en forme sur la masse molaire du polypropylène
4.1.2 Observation en microscopie optique sous lumière polarisée
4.1.3 Analyse DSC
4.1.4 Observation qualitative des éprouvettes en tomographie RX
4.1.5 Epaisseur de la zone soudée
4.1.6 Cavités
4.1.7 Réorientation des fibres
4.1.8 Agglomération des fibres
4.2 Essais de traction sur les assemblages soudés
4.2.1 Soudage transversal
4.2.2 Soudage longitudinal
4.2.3 Comparaison des différentes soudures réalisées
4.2.4 Analyse du phénomène « d’adoucissement prononcé » des échantillons LW1,5
4.2.5 Soudage transversal sur faces usinées du PP-GF35 (configuration TW*)
4.2.6 Analyse en tomographie RX des essais interrompus sur PP-GF50 LW1,5 et TW1,5*
4.3 Conclusions
Conclusion générale
