Le CFRP surpasse l'acier dans les rotules de précision

Comme indiqué dans les CW's article de fond sur l'outillage reconfigurable, l'entreprise de conception de luminaires modulaires/fournisseur de composants Prodtex (Göteborg, Suède et Bristol, Royaume-Uni) modifie non seulement la façon dont les grandes structures composites sont assemblées, mais utilise également des composites pour construire les luminaires eux-mêmes. Dans les appareils qui doivent être soulevés et installés par des humains et/ou manipulés par des robots, une masse réduite et une rigidité élevée se traduisent par moins de main-d'œuvre/des robots plus petits, une vitesse de production accrue et, par conséquent, une réduction des coûts. Pour atteindre ces objectifs, Prodtex travaille actuellement sur son premier robot de positionnement Hexapode tout composite, utilisant des rotules à base de plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) produites par Corebon AB (Malmö, Suède).

« L'idée de départ était de reconcevoir les rotules métalliques afin qu'elles aient moins de jeu », se souvient Tobias Björnhov, PDG de Corebon. Il explique que les joints à rotule et les roulements de l'entreprise, qui comportent des boîtiers en PRFC, ont un jeu presque nul, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'écart ni de jeu entre les pièces, « de sorte que le joint est rigide avant que vous ne mettiez une charge dessus ». D'ordinaire, "si vous changez la direction de la force dans un roulement, il pourrait bouger", souligne-t-il, mais affirme:"Nos structures ne bougent pas, car elles sont préchargées et très rigides".

Corebon a commencé par renforcer les boîtiers de rotule métalliques avec du CFRP, qui ont également été préchargés par ajustement par frettage du boîtier en CFRP sur la rotule métallique (aidée par la différence de coefficient de dilatation thermique). « Ceux-ci étaient bons », dit Björnhov, « mais coûteux à fabriquer ». Corebon a donc développé un boîtier de rotule tout en PRFC, remplaçant plusieurs pièces métalliques usinées avec précision qui doivent être parfaitement assemblées autour de la rotule avec un seul moulage en PRFC. Le moulage et le préchargement de l'assemblage en deux parties (la bille reste métallique) est réalisé en une seule étape, grâce à une technologie propriétaire.

Corebon fabrique également des paliers lisses et d'autres paires cinématiques - c'est-à-dire deux objets connectés qui imposent des contraintes sur leur mouvement relatif, comme un piston dans un cylindre, des rotules et des roulements - ainsi que des pièces pour robots, comme les dômes CFRP illustrés en haut à droite. Björnhov explique que ce dôme comprend le poignet robotique de l'effecteur final, "où vous fixeriez un moteur/une broche pour un outil d'usinage ou une tête de pose de ruban, etc." Il note que les futures itérations de ces dômes pourraient également être utilisées comme nœuds dans les dispositifs d'assemblage "araignées" à la fois grands et légers, tels que ceux fabriqués par TETRAFIX AB (Kungälv, Suède) et les structures légères de Prodtex. « Nos premières applications ont été dans les robots où une haute précision est requise. En réduisant le poids des effecteurs, nous augmentons la précision et la vitesse. Combien de réduction de poids ? « De 27 kg à 5,5 kg pour la structure robotisée poignet/porte-outils », explique Björnhov.

Bien que le dôme en PRFC soit recouvert de mousse structurelle de polyméthacrylimide ROHACELL de Evonik Corporation (Darmstadt, Allemagne), Corebon obtient également une résistance et une rigidité spécifiques élevées en maximisant la teneur en fibres. « Nous atteignons un volume de fibres très élevé — jusqu'à 80 % — ce qui est proche du maximum théorique possible », note Björnhov. Ce n'est pas seulement surprenant, mais cela a aussi des implications intrigantes. « Les fibres se touchent réellement », explique-t-il, « nous obtenons donc une conductivité thermique et électrique élevée, non seulement dans le plan mais également dans la direction z. »

Le processus de fabrication qui permet cela, désormais couvert par une série de brevets, découle des efforts visant à améliorer le moulage par transfert de résine (RTM) et le contrôle de l'injection et du chauffage de la résine. « Nous injectons la résine, non seulement pour le traitement RTM, mais aussi pour le moulage par compression et l'enroulement filamentaire », précise Björnhov. « La clé est que nous chauffons de l'intérieur du composite, nous contrôlons donc la chaleur de manière volumétrique, note-t-il, ajoutant:"Ceci n'est lié à aucun type de matrice spécifique."

La clé ici est la technologie de chauffage inductif. Mais Björnhov explique que Corebon diffère des autres fabrications de composites à base de chauffage inductif, "à la fois dans les inducteurs que nous utilisons et dans la façon dont nous contrôlons le champ électromagnétique". Le chauffage 3D instantané et uniforme qui en résulte peut être appliqué à presque tous les processus CFRP, y compris le durcissement et la pultrusion du préimprégné. Il offre des temps de cycle 10 fois plus rapides que les processus composites conventionnels, réduit les coûts énergétiques jusqu'à 95 % et utilise des moules 20 fois plus légers que l'acier. Corebon octroie une licence pour la technologie et a déjà établi des partenariats avec des sociétés japonaises, dont Sumitomo Corp. (Tokyo, Japon).

« Nous étudions maintenant d'autres applications, telles que les suspensions automobiles et les composants d'avions qui nécessitent des paires cinématiques avec une précision et une rigidité élevées », explique Björnhov. Corebon se prépare également à l'échelle industrielle requise dans ces industries, avec plusieurs projets en cours pour démontrer sa capacité à produire à haut volume