Titre de l'invention : PROCEDE DE FABRICATION ADDITIF

D’UNE GARNITURE DE FROTTEMENT

[1 ] [La présente invention concerne un procédé de fabrication additif d’une garniture de frottement en tant que matériau composite, notamment pour embrayage de véhicules automobiles, tels que les véhicules de tourisme ou les véhicules industriels. L’invention concerne également une garniture de frottement obtenue par un tel procédé.

[2] Par exemple, un embrayage de véhicule automobile comprend, d'une manière générale, un disque de frottement ou de friction portant sur chacune de ses faces des garnitures de frottement fixées à un support éventuellement commun, le support étant fixé à un moyeu cannelé en prise avec un arbre d'entrée d’une boîte de vitesses. La transmission peut également avoir lieu à l’aide d’un embrayage humide (simple ou double par exemple).

[3] Généralement, les garnitures de friction sont fabriquées à partir d’un moule de compression. Une garniture de frottement comprend un matériau de frottement avec une face de fixation en regard du support, et une face de frottement plane opposée à la face de fixation et apte à contacter un contre-matériau, tel qu’un plateau de réaction ou un plateau de pression de l’embrayage, pour transmettre le couple moteur.

[4] Chaque garniture de frottement se présentant classiquement sous forme d’une préforme de type anneau plat est réalisée par compression d'un mélange de fils imprégnés d'une résine thermodurcissable et de charges. Une garniture de friction est un élément qui entre en friction avec un autre corps et qui possède des propriétés physiques et mécaniques qui lui permettent de supporter de fortes contraintes mécaniques et thermiques. La composition, la forme, et les dimensions des garnitures de frottement sont importantes.

[5] Un tel procédé de fabrication par compression comporte généralement des opérations comprenant notamment la préparation du mélange, la mise en forme annulaire, le moulage par compression, la cuisson afin d’obtenir la polymérisation de certains de ces composants éventuellement suivie d’une opération de post-cuisson, la rectification et éventuellement le perçage pour une fixation de la garniture de frottement par rivetage.

[6] Un des inconvénients liés à ce type de procédé de fabrication réside dans le coût important de l’outillage nécessaire en particulier celui des moules de production. Un autre inconvénient réside dans la difficulté de pouvoir réaliser des pièces selon une géométrie particulière et de faible épaisseur sans ajout de matière supplémentaires qui sera ensuite usinée pour rectifier les surfaces et les formes, en lien avec la taille des fibres utilisées. Dans le cas des garnitures de frottement humide, il existe également de nombreuses opérations de découpe de papier qui entraînent beaucoup de pertes.

[7] La présente invention vise donc à fournir un procédé de fabrication de garniture de frottement ayant un coût moins élevé que ceux de l’art antérieur en utilisant uniquement la matière suffisante et nécessaire à la réalisation de la pièce, sa mise en forme et sa structure.

[8] A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication additif d’une garniture de frottement, notamment pour embrayage comprenant les étapes suivantes : a) fourniture de produits de départ comprenant un matériau réactif organique, des charges et/ou des fibres continues,

b) formation d’une préforme de garniture de frottement à partir desdits produits de départ et à l’aide d’un dispositif de fabrication additif, puis

c) pressage à chaud à une température inférieure ou égale à 500°C de la préforme obtenue à l’issue de l’étape b).

[9] Le procédé selon la présente invention permet ainsi de produire des garnitures de frottement en n’utilisant que la quantité nécessaire et suffisante à leur fabrication. En raison de l’optimisation du nombre d’opérations de fabrication, le procédé permet d’améliorer le rendement de matière et les gains de surface industrielle. Un tel procédé permet également par impression 3D d’obtenir une garniture de frottement dans laquelle la porosité a été contrôlée. En effet, la porosité de la garniture de frottement est étroitement liée avec le mode d’assemblage des produits de départs que sont les charges et le matériau réactif organique, ainsi qu’aux conditions de pressage en température. La fabrication additive, c'est-à-dire couche par couche permet par exemple d’avoir des couches de matériau de friction différentes dans l’épaisseur sans interpénétration de matières.

[10] Pouvoir contrôler la porosité est important car il devient alors possible de modifier le coefficient de frottement dynamique, or il a été démontré dans l’art antérieur que la perméabilité aux fluides a l’effet le plus significatif sur le frottement dynamique des matériaux de frottement humide.

[1 1] La présente invention a également pour objet une garniture de frottement obtenue à l’aide du procédé selon la présente invention. [12] Enfin, la présente invention a pour objet un composant de synchronisation de vitesse pour groupe motopropulseur de véhicule, comprenant une garniture de frottement obtenue à l’aide du procédé selon la présente invention, le composant étant choisi parmi un embrayage, un frein, un limiteur de couple, un convertisseur de couple et un synchroniseur de boîte de vitesses, en particulier les boites de vitesses à double embrayage.

[13] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée accompagnée des figures suivantes :

[14] La [Fig. 1 a] illustre une vue de dessus d’une demi garniture de frottement annulaire plate obtenue selon un premier mode de réalisation du procédé de la présente invention.

[15] La [Fig. 1 b] illustre en coupe axiale la garniture de frottement 1 a sur un support.

[16] La [Fig. 2a] illustre une vue de dessus d’une demi garniture de frottement annulaire plate obtenue selon un deuxième mode de réalisation du procédé de la présente invention.

[17] La [Fig. 2b] illustre en coupe axiale la garniture de frottement 2a sur un support.

[18] La [Fig. 3a] illustre une vue de dessus d’une garniture de frottement annulaire plate en cours de fabrication selon un troisième mode de réalisation du procédé de la présente invention.

[19] La [Fig. 3b] illustre en coupe axiale la garniture de frottement 3a sur un support.

[20] Les procédés de fabrication additif également appelés impression 3D permettent la fabrication de tout type de matériaux selon des formes complexes et avec un coût bien moins élevé car il n’y a pas besoin de fabriquer de moule et la quantité de rebus est très faible. La conception de l’objet grâce à un outil de conception assistée par ordinateur (CAO) est tout d’abord réalisé. Le fichier 3D obtenu est ensuite traité par un logiciel spécifique qui organise le découpage en tranches des différentes couches nécessaires à la réalisation de la pièce. Le découpage est alors envoyé à l'imprimante 3D qui dépose par exemple par extrusion ou solidifie la matière couche par couche selon le type de fabrication additive jusqu'à obtenir la pièce finale, en opposition à l’usinage qui retire de la matière. En libérant les concepteurs des contraintes liées à l’enlèvement de matière, en leur permettant de concevoir un objet en plaçant la matière uniquement aux endroits où elle est nécessaire et en leur donnant un accès rapide à la réalisation de formes optimisées pour une application, telles que des profils de rainures spécifiques, l’impression 3D offre de nombreux avantages.

[21] De manière conventionnelle, le matériau utilisé est une résine thermoplastique composée de copolymères acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) ou polylactides (PLA) car elle peut être déposée en couche fondue pour former la pièce finale. Ce type de résine pose cependant un problème lié à la présence de micropore et d’anisotropie importante qui limitent la fonctionnalité de la pièce. En effet, il devient très difficile lors de la suite du procédé d’impression de corriger ces défauts. En outre, les thermoplastiques ne permettent pas de satisfaire les conditions requises liées à la rigidité du système et à la résistance à haute température, les thermoplastiques n’étant pas adaptés aux contraintes thermiques de matériaux pour embrayage, au moins jusqu’à 350°C. L’étape de pressage requiert donc des matériaux de départ adaptés à la fabrication de garniture de frottement.

[22] Le procédé selon la présente invention permet ainsi à partir de produits de départ comprenant un matériau réactif organique et des charges fournis lors de l’étape a) de former lors de l’étape b) une préforme de garniture de frottement à l’aide d’un dispositif de fabrication additif.

[23] Avantageusement, au moins deux des produits de départ sont séparés ou mélangés.

[24] Lorsqu’au moins deux produits de départ sont séparés, chaque produit de départ peut alors former une couche indépendante des autres couches de la préforme, l’ensemble étant alors consolidé ultérieurement sous pression et thermodurcissement. C’est par exemple le cas lorsque les charges sont d’un côté et la résine en tant que matériau réactif organique de l’autre.

[25] Deux produits de départ peuvent également être mélangés. Par exemple, le matériau réactif organique et les charges peuvent également être sous forme d’un mélange liquide ou d’un mélange pré-fondu en petits granulés de résines et de charges (granules mélangés par pré-fusion à la charge organique) qui sera extrudé par la tête d’impression. Il est également possible d’avoir le matériau réactif organique mélangé avec une ou plusieurs charges d’un côté et un second mélange de charges de l’autre.

[26] Avantageusement, le matériau réactif organique est choisi parmi les résines thermodurcissables, les résines élastomères et leurs mélanges. De préférence, la résine est choisie parmi les résines phénolique, époxy, mélamine, formaldéhyde et leurs mélanges. De manière encore plus préférée, la résine est une résine phénolique.

[27] Avantageusement, les charges sont choisies parmi les charges organiques, inorganiques, fibres coupées, les fibres en poudre et leurs mélanges.

[28] Par charge, on entend au sens de la présente invention, une substance solide, non miscible et dispersée par un moyen mécanique dans une matrice.

[29] De préférence, les charges organiques et inorganiques sont choisies parmi les métaux, les plastiques, les céramiques, le verre et leurs mélanges. [30] De préférence, les charges organiques sont choisies parmi le graphite, le noir de carbone, le caoutchouc NBR, i.e. caoutchouc nitrile-butadiène, la noix de cajou, le charbon actif, les terres de diatomées et leurs mélanges. De préférence, les charges inorganiques sont choisies parmi les sulfures métalliques, le sulfate de baryum et leurs mélanges.

[31] De préférence, les fibres (continues ou non) sont des fibres synthétiques ou naturelles.

De préférence, les fibres sont choisies parmi les fibres de verre, d’acrylonitrile, de carbone, d’aramide, de cuivre, de laiton, de coton de cellulose et leurs mélanges. Les fibres utilisées en tant que charge c'est-à-dire les fibres coupées et en poudre sont de tailles courtes, c'est-à-dire de longueur inférieure à 10 mm en opposition avec les fibres continues qui ne rentrent pas dans la définition de charge.

[32] Avantageusement, les produits de départ peuvent également comprendre des plastifiants. Les plastifiants sont des molécules incorporées par des moyens mécaniques (par exemple pultrusion) entre les macromolécules, pour diminuer les forces de liaison qui les associent; ainsi le mélange, notamment de résines thermodurcissables préfondues deviennent souples, d'autant plus que le taux de plastifiant est élevé. Cela peut avoir un avantage dans l'impression additive. Le taux de plastifiant entre typiquement compris entre 1 et 10% massique du mélange de résine.

[33] Dans le cadre de la présente invention, la géométrie de la préforme obtenue par le dispositif de fabrication additif est définie sur son périmètre, sa forme et son épaisseur. Dans le cadre de garniture de frottement à sec, la préforme possède typiquement une forme annulaire classique. Dans le cadre de garniture de frottement humide, il est alors possible d’imprimer une garniture de forme annulaire avec des plots de forme complexe autre que les formes classiques circulaire, elliptique, trapézienne ou triangulaire. Typiquement, l’épaisseur finale de la garniture de frottement imprimée est comprise entre 0,5 et 7mm et dépend de l’application choisie (à sec ou humide).

[34] Avantageusement, le dispositif de fabrication additif met en oeuvre une impression par dépôt de matière fondue (plus connue sous le nom anglais de FDM pour Fused Déposition Modeling), par jet de liant (plus connue sous le nom anglais de BJ pour Binder Jetting) ou par jet de matière (plus connue sous le non anglais de MJ pour Material Jetting).

[35] Avantageusement, la formation de la préforme lors de l’étape b) est réalisée sur au moins une face d’une structure de base. La structure de base permet de maintenir le niveau de résistance mécanique et de stabilité géométrique des formes des surfaces frottantes dans le domaine des disques de friction.

[36] Avantageusement, la structure de base est l’un d’un support métallique par exemple du type acier, d’une structure tissée à base de fibres organiques sur un support plan et d’un papier à base de fibres organiques. Les fibres organiques sont choisies parmi les fibres de cellulose (coton, lin, chanvre, fibres de bois...), aramide, et carbone.

[37] Lorsque la structure de base est un papier à base de fibres organiques, la formation de la préforme par fabrication additif est de préférence réalisée sur les deux faces du papier.

[38] Avantageusement, un adhésif tel que de la colle est appliqué sur la structure de base avant l’impression additive de la préforme sur la structure. Cela a pour avantage de remplacer le mécanisme de fixation habituel par rivets et de permettre l’adhésion entre le support et la préforme imprimée, après traitement thermique par réticulation de la colle. Une interpénétration de micro-matériel de la préforme avec le support, notamment lorsque le support est une structure tissée ou un papier peut également compléter ou remplacer l’utilisation d’adhésif.

[39] Après la formation de la préforme d’une garniture de frottement à l’aide du dispositif de fabrication additif lors de l’étape b), le procédé comprend avantageusement une étape b’) réalisée après l’étape b) et avant l’étape c) consistant en un préchauffage de la préforme obtenue à l’issue à l’étape b). Le préchauffage est réalisé à une température inférieure ou égale à 120°C, de préférence à une température comprise entre 60 et 120°C. Cette étape est typiquement réalisée sans application de pression.

[40] Cette étape b’) permet de pré-polymériser la préforme et d’arriver à une phase gel dans laquelle le matériau réactif organique tel que la résine est réticulé à au moins 60%. Selon le type de garniture de frottement que l’on cherche à obtenir, cette étape de préchauffage permet d’obtenir une pièce répondant au critère de durabilité qui est définie par une résistance à l’écrasement.

[41 ] La dernière étape c) du procédé selon l’invention permet de rendre apte la garniture à une utilisation en tant que garniture de frottement. Cette étape consiste en un pressage à chaud de la préforme obtenue à l’issue de l’étape b). En effet, l’étape de pressage est nécessaire afin de mettre en forme la garniture avant son application et permet notamment d’obtenir la densité et porosité recherchées.

[42] L’étape de pressage est réalisée à une température avantageusement inférieure ou égale à 500°C, de préférence comprise entre 100 et 500°c, de manière préférée comprise entre 150 et 270°C, de manière encore plus avantageuse entre 180 et 220°C. De telles températures permettent de ne pas détruire les matériaux organiques. Pour des garnitures de frottement humide, la pression est typiquement comprise entre 5 et 30 bars, de préférence entre 10 et 20 bars tandis que pour des garnitures de frottement à sec la pression est typiquement comprise entre 250 et 320 bars. L’homme du métier saura donc adapter et choisir les valeurs de pression en fonction du type de garniture de frottement qu’il cherche à fabriquer.

[43] Dans le cadre de la présente invention, le procédé peut comprendre en outre une étape d) consistant en un usinage ou en un nettoyage de bordures par laser de la pièce obtenue à l’issue de l’étape c). Cette étape permet d’éliminer le léger excédent obtenu après l’étape c) de pression à chaud.

[44] La garniture de frottement obtenue a typiquement un diamètre extérieure inférieure ou égale à 360 mm et un diamètre intérieur supérieure ou égale à 80 mm.

[45] Des exemples de garnitures de frottement obtenues selon différents modes de réalisation du procédé selon l’invention (les pourcentages exprimés étant des pourcentages en poids) sont présentés ci-après.

[46] Exemple 1 : Garniture de frottement humide obtenue par jet de liant (figure 1 a et 1 b)

[47] Une garniture de frottement humide A telle que présentée à la figure 1 a a été préparée selon le procédé additif de la présente invention et comprend les étapes suivantes :

[48] a) Fourniture de produits de départ décrits dans le tableau 1 ci-dessous, les charges et le matériau réactif étant séparées (les charges étant quant à elles mélangées entre elles).

[49] [Table 1 ]

[50] b) Formation d’une préforme de garniture de frottement à partir desdits produits de départ et à l’aide d’un dispositif de fabrication additif par jet de liant sur un support en acier 1 sur lequel a été préalablement appliqué une couche de colle 2. L’imprimante projette couche après couche la résine 4, sur un lit de charges préalablement étalé 3, afin d’agglomérer les particules qui constitueront la pièce au final. La projection est faite par des têtes d’impression, également appelées buses qui vont balayer l’ensemble du lit de charges et projeter de façon sélective la résine dans les zones où des pièces doivent être fabriquées. L’alternance des couches de résine et de charges permet de générer une porosité contrôlée (60% volumique à ce stade-là).

[51 ] b’) Préchauffage de la préforme obtenue à l’issue à l’étape b) à une température inférieure à 120°C. Cette étape permet la consolidation du liant et donne aux pièces une résistance suffisante pour être manipulées. Dès lors, les pièces sont extraites du lit de charges par des moyens de soufflage et d’aspiration.

[52] c) Thermocompression entre 10 et 20 bars et 180 et 220°C pour conférer à la pièce sa porosité (50% volumique dans ce mode de réalisation) et ses propriétés mécaniques finales.

[53] En variante, une résine phénolique pré-chargée (par exemple avec des terres de diatomées) peut être utilisée en tant que matériau réactif organique.

[54] Exemple 2 : Garniture de frottement à sec obtenue par dépôt de matière fondue (figure 2a et 2b)

[55] Une garniture de frottement à sec B telle que présentée à la figure 2a a été préparée selon le procédé additif de la présente invention et comprend les étapes suivantes :

[56] a) Fourniture de produits de départ décrits dans le tableau 2 ci-dessous, les charges et le matériau réactif étant mélangés sous forme d’un mélange préfondu en petits granulés de résines et de charges.

[57] [Table 2]

[58] b) Formation d’une préforme de garniture de frottement à partir desdits produits de départ et à l’aide d’un dispositif de fabrication additif par dépôt de matière fondue sur un support en acier 1 sur lequel a été préalablement appliqué une couche de colle 2. L’imprimante projette couche après couche selon le modèle enregistré dans l’imprimante le mélange 5 de résine et de charges. La projection est faite par des buses chauffées de manière à faire fondre le mélange préfondu en petits granulés de résines et de charges (selon les produits de départ la température est adaptée et typiquement choisie entre 70 et 120°C). Chaque couche venant se coller sur la précédente par re-fusion. Il est alors possible d’obtenir des plots 6 et des rainures 7 en alternance comme cela est représenté sur la figure 2b. La porosité mesurée à ce stade est de 20% volumique.

[59] c) Thermocompression entre 250 et 320 bars et 150 et 200°C pour conférer à la pièce sa porosité (inférieure à 10% volumique dans ce mode de réalisation) et ses propriétés mécaniques finales.

[60] Exemple 3 : Garniture de frottement à sec obtenue par dépôt de matière fondue (figure 3a et 3b)

[61 ] a) Fourniture de produits de départ décrits dans le tableau 3 ci-dessous, le matériau réactif et les fibres continues étant séparées (les fibres continues étant mélangées entres elles). [62] [Table 3]

[63] b) Formation d’une préforme de garniture de frottement à partir desdits produits de départ et à l’aide d’un dispositif de fabrication additif à deux buses par dépôt de matière fondue (dans ce cas-là, seule la résine sera fondue, mais l’ensemble fibres + résine sera souple et collant) sur un support en acier 1 sur lequel a été préalablement appliqué une couche de colle 2. L’imprimante projette couche après couche et circonférentiellement le mélange 8 de fibres continues entourée de résine chargée 9 (une couche étant constituée d’un ensemble de fibres 8 continues entourée de résine chargée 9 par pultrusion dans la tête d’imprimante). Les traits en pointillées de la figure 3a représentant l’impression concentrique du fil extrudé. Chaque couche venant se coller sur la précédente par re fusion. La porosité mesurée à ce stade est de 20% volumique.

[64] c) Thermocompression entre 250 et 320 bars et 150 et 200°C pour conférer à la pièce sa porosité (inférieure à 10% volumique dans ce mode de réalisation) et ses propriétés mécaniques finale. ]