La campagne de soudage du polyamide

Différents grades commerciaux de polyamide ont été fournis par BASF® 

Les grades A3WG6 bk564 et A3WG6 bk20560 sont des polyamides 66 avec 30% de fibres de verre en masse. La différence entre les deux réside dans la nature du colorant. Le premier grade contient du noir de carbone tandis que le deuxième est formulé avec un colorant noir organique. Les grades B3WG6 bk564 et B3WG6 BGVW bk564 sont des polyamides 6 avec 30% de fibres de verre en masse et diffèrent seulement par la nature du colorant. En revanche, le grade B3WG6 GPX bk23238 est un grade de PA6-GF30 développé spécialement pour des applications nécessitant des opérations de soudure. Il présente pour cela une masse molaire plus élevée et un ensimage amélioré. Le diamètre moyen des fibres annoncé pour tous ces grades est de 10 micromètres.Ces polymères ont été injectés au centre R&D de BASF® , à Ludwigshafen (Allemagne), en plaques de dimensions 150 x 150 x 3 mm. Les plaques ont ensuite été stockées dans des sacs hermétiques, afin qu’elles n’absorbent pas d’humidité, en attendant l’étape de soudage. Le taux d’humidité résiduel a été vérifié avant soudage à l’aide d’un appareil Aquatrac® de Brabender Messtechnik® et a toujours été trouvé inférieur à 0,01 % en masse. Comme expliqué précédemment dans le chapitre 1, l’orientation des fibres au sein des plaques est induite par le procédé d’injection. C’est pourquoi il a été nécessaire de découper les plaques à la scie selon différents axes pour pouvoir obtenir une majeure partie des fibres initialement orientée perpendiculairement et parallèlement au plan de soudage, comme illustré sur la Figure 35. Les plaques ont été soudées chez BASF® sur une machine de soudage Branson® ayant pour référence M-102H. L’amplitude de vibration a été fixée à 1,8mm, la fréquence à 240 Hz et la profondeur de pénétration était égale à 1,5mm. Deux pressions de soudage différentes ont été appliquées : 1 et 4 MPa. Des éprouvettes de traction ont ensuite été extraites de ces plaques par usinage à l’aide d’une fraise et sont nommées éprouvettes soudées transversales (TW) et soudées longitudinales (LW) en référence à l’orientation des fibres en peau vis-à-vis de la direction de sollicitation (orientée selon l’axe y sur le schéma de la Figure 35). La configuration TW, qui consiste à souder les bords moulés des plaques, est la configuration traditionnellement rencontrée sur des pièces industrielles. La configuration LW a été réalisée afin d’obtenir des échantillons soudés avec des fibres initialement orientées perpendiculairement au plan de soudage de manière qu’elles puissent traverser l’interface. Il faut noter que cette configuration est propre à l’étude et n’est jamais rencontrée sur des pièces réelles puisque les étapes d’injection ne sont jamais suivies d’étapes de découpe et que le procédé d’injection oriente les fibres parallèlement aux parois du moule en surface.

La campagne de soudage du polypropylène

Le polypropylène sous forme de granulés a été fourni par Sumika Polymer Compounds ® . Dans les formulations classiques, la viscosité de la matrice est ajustée en modifiant les masses molaires pour les différents taux de fibres afin de faciliter la mise en œuvre en gardant une rhéologie de la matière similaire. Néanmoins, l’objectif de cette étude étant de déterminer l’impact du taux de fibres sur la soudabilité et sachant que la longueur des chaînes polymères peut avoir une influence sur leur diffusion, il a été décidé de garder la même matrice polymère pour les différents taux de fibres. Ainsi, les différentes formulations réalisées présentent une matière identique mais des taux de fibres différents allant de 0 à 50% et ainsi nommés : PPGF0, PP-GF20, PP-GF35, PP-GF50. Tous ces grades sont formulés avec du noir de carbone comme la matière utilisée industriellement. Les grades avec des taux de fibres de 0 et 35% sont formulés selon deux options : avec et sans noir de carbone afin d’évaluer l’impact du noir de carbone en tant qu’agent nucléant. Ces granulés ont été injectés au sein du laboratoire PIMM sur une presse à injecter DK CODIM® 175/410 en plaques de dimensions 125 x 125 x 3 mm. Ces plaques ont ensuite été découpées à l’aide d’une scie à ruban pour pouvoir réaliser des soudures avec des orientations de fibres différentes, illustrées sur le schéma de la Figure 36. Les découpes réalisées diffèrent de celles effectuées sur le polyamide car la machine de soudage utilisée était de plus petite dimension et ne permettait donc pas de souder des plaques ayant une longueur et une largeur respectivement supérieure à 100 et 55 mm. De plus, une configuration supplémentaire, appelée TW*, a été ajoutée pour les PP-GF0 et PP-GF35 et consiste, comme la configuration TW, à souder les plaques selon un plan parallèle à la direction d’injection mais le long des  bords usinés au lieu des bords moulés afin d’évaluer l’impact de la rugosité de surface différente induite par la découpe. 

Les essais de traction

Justification du choix de chargement

Comme décrit précédemment, la principale sollicitation mécanique dans le cahier des charges du répartiteur d’air est générée par le backfire. Il s’agit d’une pression interne dans un corps creux. En approximant la forme de ce creux par un cylindre, qui correspond généralement à la forme des runners et du plenum du répartiteur (cf Figure 1), les contraintes générées peuvent donc être calculées à l’aide des équations (5) et (6) dont les grandeurs sont illustrées sur la Figure 37. Si les cylindres du répartiteur ont un diamètre d’environ 60 mm pour une épaisseur de paroi de 3 mm, une pression interne de 1 MPa (soit 10 bars) génère une contrainte circonférentielle, 𝜎𝜃𝜃, de 10 MPa environ et une contrainte radiale de -1 MPa pour la valeur maximale. Ainsi, la contrainte circonférentielle étant beaucoup plus importante que la contrainte radiale, nous approximerons dans le cadre de cette étude l’état de contrainte généré au sein des soudures par un état macroscopique uniaxial de traction. Nous négligeons également la contrainte dans la direction de l’axe du cylindre 𝜎𝑧𝑧 pour des raisons de simplicité et car la valeur de cette contrainte va dépendre de la géométrie des coudes présents dans chaque modèle de répartiteur d’air.