Lancement du programme ENLIGHTEN pour accélérer l'industrialisation des composites thermoplastiques

Plus un véhicule est léger, moins il consomme de carburant et moins de CO₂ est émis. Les matériaux légers suffisamment solides pour assurer la sécurité des passagers sont également populaires parmi les constructeurs de voitures et d'avions. Les composites thermoplastiques - des plastiques renforcés de fibres qui se ramollissent lorsqu'ils sont chauffés - sont légers, solides, faciles à travailler et à recycler. Certains composants des fuselages et des ailes des avions sont déjà fabriqués à partir de ce matériau relativement nouveau. Cependant, ils ne sont pas encore largement utilisés.

L'objectif d'ENLIGHTEN — Permettre des structures légères intégrées dans des volumes élevés — est de trouver un moyen de produire des structures entières fiables en utilisant ce matériau de manière prévisible, reproductible et rentable. Ce projet de 6 millions d'euros sur cinq ans est lancé par l'Université de Twente (UT, Twente, Pays-Bas) et le Dr Remko Akkerman, scientifique à l'UT et au Centre de recherche sur les composites thermoplastiques (TPRC, Twente, Pays-Bas) dans le cadre de Perspective basée aux Pays-Bas programme, qui met les scientifiques au défi d'établir de nouvelles lignes de recherche innovantes pouvant avoir un véritable impact économique et sociétal. Créé par le Conseil néerlandais de la recherche (NWO) et le ministère des Affaires économiques et du Climat, six Perspective des consortiums sont en train d'être mis en place aux Pays-Bas, avec 138 entreprises et organisations contribuant à hauteur de 10 millions d'euros de leur propre financement pour égaler les 22 millions d'euros disponibles du gouvernement néerlandais.

Développement de détails multi-échelles

CW parlé avec Akkerman pour mieux comprendre ce qu'implique réellement ENLIGHTEN. « CompositesWorld les lecteurs connaissent très bien le travail effectué à TPRC, où nous nous concentrons sur le traitement thermoplastique rapide, y compris le soudage, le surmoulage et également le recyclage », explique Akkerman. « Nous avons publié de nombreux résultats étudiant les matériaux, les procédés et les performances. Mais comment le processus affecte-t-il la distribution fibre-matrice et la porosité dans le composite ? Comment cela, à son tour, affecte-t-il les performances mécaniques de la pièce ? Comment ces processus affectent-ils l'initiation et la croissance des fissures en service ? Ces aspects doivent être compris afin de faire mûrir les composites thermoplastiques pour une utilisation industrielle plus large. »

C'est pourquoi ENLIGHTEN est un programme si vaste, impliquant des spécialistes des polymères, de la micromécanique des composites, de la modélisation numérique multi-échelle ainsi que de la science des données numériques. "Notre objectif est de développer des connaissances que nous pouvons ensuite utiliser pour optimiser ces processus composites thermoplastiques pour des performances optimisées", explique Akkerman. "Nous intégrerons également la surveillance des processus - car la qualité des matériaux dépend de votre capacité à contrôler le processus - et l'apprentissage automatique pour accélérer cette optimisation."

ENLIGHTEN comprend les trois universités techniques des Pays-Bas (Université de Twente, Université de technologie de Delft et Université de technologie d'Eindhoven) ainsi que des entreprises des chaînes d'approvisionnement de l'automobile et de l'aérospatiale, y compris les équipementiers, les fournisseurs de niveau et les PME. Des organisations en dehors des Pays-Bas sont également impliquées, notamment le WMG Center for High Value Manufacturing de l'Université de Warwick dans le cadre du programme britannique CATAPULT et Jaguar Land Rover, une filiale du constructeur automobile mondial Tata Motors (Mumbai, Inde).

Cette micrographie montre une certaine migration des fibres au-dessus de la ligne de soudure entre une ébauche continue renforcée de fibres et le court surmoulage par injection renforcé de fibres. Comment cela affecte la résistance et les performances de la pièce est une question parmi tant d'autres à laquelle ENLIGHTEN doit répondre.

« Les processus que nous étudierons comprennent le soudage par induction et par ultrasons ainsi que le surmoulage, qui possède également une interface de soudure, chacun impliquant les mêmes phénomènes physiques mais à des vitesses différentes », note Akkerman. « Donc, tous les mêmes phénomènes concernant le mouvement des fibres, les contraintes et l'initiation des fissures s'appliquent également ici. » Mais les structures composites thermoplastiques soudées ne volent-elles pas sur des avions commerciaux depuis plus de 30 ans ? "Oui, mais aucune de ces structures n'utilise le soudage par induction ou par ultrasons avec des rubans unidirectionnels", souligne-t-il, "ce qui est beaucoup plus difficile à comprendre et à contrôler, mais aussi plus économique à produire si l'on peut prédire pleinement les processus."

La modélisation multi-échelle et les tests physiques joueront un rôle clé dans le projet ENLIGHTEN. « Il est impossible de comprendre un composite sans examiner le processus de fabrication utilisé pour le créer », explique Akkerman. « Grâce à la modélisation numérique, nous pouvons formuler des hypothèses puis réaliser des expériences côte à côte pour valider nos résultats et affiner notre compréhension. Par exemple, cela comprend l'examen de la formation de structures cristallines au niveau micro, comment les fibres se déplacent pendant le processus de soudage au niveau méso et comment ces phénomènes interagissent pour affecter le développement de contraintes, de microfissures et les charges ultimes de la structure au niveau macro. niveau. Ce niveau d'enquête très approfondi mais combiné que je n'ai pas encore vu dans notre industrie. »

Mais où le machine learning entre-t-il en jeu ? « Chacun des éléments d'analyse des lots de travaux 1 et 2 prend des heures à exécuter », explique Akkerman, « et doit être répété pour chaque matériau, pièce et processus spécifiques. Si vous souhaitez obtenir une optimisation sur toutes ces échelles et modèles, cela prendra des milliers d'heures. En faisant cela, cependant, nous accumulerons des données sur la façon dont tous ces phénomènes sont liés les uns aux autres. Nous pouvons ensuite entraîner les réseaux de neurones à reconnaître les connexions dans ces données, en parfaite adéquation avec la physique sous-jacente. »

En regardant l'étendue des travaux ci-dessous, explique-t-il, « il y aura des connexions de gauche à droite et de haut en bas. Sur la base de toutes ces analyses, notre objectif est de développer des algorithmes qui peuvent être utilisés de manière plus générale et flexible sans avoir à repartir de zéro à chaque fois. En d'autres termes, ces algorithmes peuvent être appliqués à votre pièce donnée, vous aidant à optimiser vos paramètres de processus et vos choix de matériaux. Considérez l'apprentissage automatique comme un type d'ajustement de courbe avec de très nombreuses variables. » Il concède que ce n'est pas une analogie parfaite, mais le résultat est effectivement similaire, en ce que la courbe - qui dans ce cas est plus une hypersurface multidimensionnelle - montrera les corrélations et les causalités qui indiquent la voie à suivre.

Matériaux, diffusion et objectif ultime

La finalisation des matériaux à étudier est l'une des premières tâches du projet ENLIGHTEN. "Le polyamide 6 (PA6, nylon) sera très probablement étudié pour l'automobile et le polyaryléthercétone à bas point de fusion (LM PAEK) pour l'aérospatiale", a déclaré Akkerman. « Nous évaluerons d'autres matériaux et examinerons toutes les données disponibles. » Cela peut inclure, par exemple, ce qui a été généré par d'autres programmes, tels que MECATESTERS dans Clean Sky 2, qui a effectué une quantité importante de tests avec du ruban LM PAEK UD renforcé de fibres de carbone. Pendant ce temps, le programme Clean Sky 2 STUNNING générera une grande quantité de données concernant le soudage par ultrasons lors de l'assemblage de la moitié inférieure du démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD). Akkerman rappelle les projets COMPeTE menés à TPRC, qui ont étudié le surmoulage pour de nombreuses combinaisons de matériaux différentes.

En ce qui concerne la diffusion des résultats du projet, le consortium ENLIGHTEN tiendra des réunions générales chaque année et les sous-groupes de chaque module de travail se réuniront si nécessaire pour atteindre leurs jalons établis. Des présentations individuelles seront faites lors de conférences nationales et internationales au cours du projet et une session consacrée ou une conférence internationale complète au cours de la dernière année du projet sera organisée pour partager les résultats globaux.

L'objectif ultime, dit Akkerman, est d'atteindre pour les composites thermoplastiques ce que l'industrie des métaux a avec son approche de conception de matériaux pour les métaux monocristallins dans les moteurs d'avion, par exemple. « Leur objectif était d'atteindre les performances nécessaires à l'avenir de l'avion. Nous voyons le même mandat pour une plus grande étendue de mobilité. Nous essayons de concevoir des procédés de soudage et de surmoulage pour optimiser les performances des composites thermoplastiques légers pour les structures aérospatiales et automobiles, mais nous avons encore tellement de variabilité. Il en résulte des facteurs de sécurité excessifs et une efficacité moindre que ce que les technologies offrent réellement. Oui, nous avons des pièces composites thermoplastiques qui volent, mais il a fallu 30 ans pour en arriver là. L'Europe s'est fixé comme objectif d'être neutre en carbone d'ici 2050, c'est-à-dire dans moins de 30 ans. Si nous continuons sur notre même chemin, qui implique encore beaucoup d'essais et d'erreurs, nous n'atteindrons pas les objectifs nécessaires à la lutte contre le changement climatique. Nous voyons une voie différente et plus efficace via ENLIGHTEN et il est maintenant temps d'agir."