Zéro déchet :nouveau procédé, l'équipement recycle le préimprégné, les abats de bande

L'un des défis de l'assemblage de tissus préimprégnés ou de rubans unidirectionnels (UD) consiste à déterminer ce qu'il faut faire avec des garnitures trop petites ou dont les fibres sont mal alignées pour être réutilisées dans un autre projet. Bien que les logiciels d'imbrication et les outils de découpe aient considérablement réduit les rebuts, les chutes sont encore souvent envoyées dans une décharge, ce qui augmente les coûts des matériaux et des pièces ainsi que la charge environnementale. Cependant, une entreprise néerlandaise, Van Wees UD et Crossply Technology BV (Tilburg, Pays-Bas), contribue à améliorer la durabilité en développant une nouvelle technologie - et les machines qui permettent - de réutiliser les abats de ruban thermoplastique.

Racines textiles

Fondée en 1945 et profondément enracinée dans l'industrie textile, Van Wees est un fournisseur de services complets qui conçoit, produit, installe et met en service des machines et des lignes de production pour produire des composites avancés (thermodurcis ou thermoplastique, fibre de carbone ou de verre) en mettant l'accent sur méthodes de production de haute qualité et à haut volume. L'entreprise fabrique des lignes d'imprégnation préimprégnées (y compris des cantres) - principalement pour les époxys du côté thermodurcissable et pour des matériaux allant du polypropylène (PP) aux polyamides à haute température (PA) du côté thermoplastique - ainsi que des machines de placement de ruban UD à plis croisés et multiaxial , qui peut traiter des rubans thermoplastiques ou thermodurcissables. Une société sœur, Eltra Engineering BV (également à Tilburg) est spécialisée dans la technologie d'automatisation industrielle et fournit des commandes électriques et des logiciels pour les machines Van Wees.

Dans son centre de recherche et de technologie (R&TC), Van Wees entretient des équipements à l'échelle de la production pour son propre développement de processus ainsi que pour les clients qui envisagent un système Van Wees ou qui apprennent à utiliser des équipements en attendant que leurs machines soient construites. Cela permet aux clients de produire du matériel qu'ils peuvent évaluer ou, à leur tour, proposer à leurs propres clients pour évaluation. Par exemple, au R&TC, les câbles peuvent être tirés d'un cantre et les fibres étalées et imprégnées pour produire des rubans, qui peuvent ensuite être acheminés dans les machines UD à plis croisés ou multiaxiales de l'entreprise pour produire des stratifiés avec une variété de couches de plis et d'orientations de fibres. (Les stratifiés croisés ont au moins deux plis orientés à 0/90 degrés et les stratifiés UD multiaxiaux ont au moins deux plis UD orientés à des angles autres que 0/90 degrés.) Les stratifiés sortant de ces machines sont collés ensemble pour faciliter la manipulation. Ils peuvent ensuite être découpés à l'emporte-pièce en préformes en forme de filet qui sont ensuite prêtes à être transformées en une pièce composite. Bien que l'équipement de Van Wees se concentre sur l'équipement UD à plis croisés et multiaxiaux, il se concentre sur la production de thermoplastique UD rubans, les machines peuvent être utilisées pour produire des rubans avec des matrices thermodurcissables et/ou avec du tissu plutôt que des renforts UD.

Fait intéressant, c'est le problème de rebut de Van Wees lors de la fabrication de ces produits pour les tests des clients, ainsi que les demandes des clients, qui ont conduit les chercheurs de l'entreprise à développer un « processus zéro déchet » pour recycler les copeaux/abats de la production de préformes à l'aide d'ébauches de fibres sur mesure. . En tant que service, la société offre aux clients la possibilité d'évaluer ces flans thermoplastiques à base de puces et a déjà développé des équipements pour les produire commercialement à des volumes de production élevés.

Ne gaspille pas, ne veux pas

Au cours des opérations de découpe pour fabriquer des préformes en forme de filet (que Van Wees appelle « patchs »), les déchets sont collectés et séparés par type de résine et de fibre. Cette ferraille est de forme et de taille irrégulières, de sorte que les découpeuses sont conçues pour produire des « copeaux » d'une taille maximale de 50 sur 50 millimètres. Les copeaux hachés sont ensuite pressés en une feuille consolidée (par compression ou moulage sous vide), ce qui donne un stratifié avec des fibres discontinues orientées de manière aléatoire. Aucune résine supplémentaire n'est nécessaire pour fabriquer la feuille, et seules des puces avec des résines chimiquement compatibles sont mélangées, bien que les puces renforcées de fibre de verre et de carbone puissent être combinées en fonction des propriétés souhaitées dans la pièce finale qui sera formée à partir des puces à base stratifié.

Étant donné que les fibres des copeaux individuels à l'intérieur du stratifié peuvent mesurer jusqu'à 50 millimètres de long et que l'orientation des fibres sur la feuille est aléatoire, les flans sur mesure 100 % recyclés et sans déchets offrent une rigidité et une résistance orthotropes bonnes, en particulier par rapport à l'injection de fibres courtes. composés de moulage. Cependant, étant donné que les fractions pondérales des fibres pour les faisceaux de fibres discontinues des stratifiés peuvent atteindre 50 à 70 % - avec des formulations initiales situées dans le haut de cette plage - le matériau peut à peine s'écouler dans une presse à compression. Par conséquent, pour remplir la géométrie 2.5D ou 3D, le stratifié à base de puces doit être surmoulé avec de la fibre courte ou même de la résine pure dans une machine de moulage par injection. Il pourrait également être co-moulé avec un matériau à fibres continues dans une presse à compression. Dans tous les cas, le stratifié doit être préchauffé avant le moulage.

Fait intéressant, Van Wees a découvert que les panneaux à base de puces offrent toujours la moitié de la résistance à la flexion et du module de ses panneaux à fibres croisées hautes performances et continues dans la même configuration de fibres et de résine.

Le concept fait ses preuves

Pour mettre en valeur les capacités de ses ébauches sur mesure zéro déchet, Van Wees a mené plusieurs projets de démonstration. L'un était une poutre de renfort/de collision pour les panneaux intérieurs de porte d'une voiture de tourisme. Cet effort était basé sur le projet Lipa Series, qui a développé des pièces composites légères pour la production en série pour une gamme d'industries. Le consortium désormais inactif basé à Büsslingen, en Suisse, s'est appuyé sur des technologies de base impliquant le préformage de composites organosheet/thermoplastique à mat de verre (GMT) à fibres continues, puis le remplissage avec une résine renforcée de fibres dans une machine de moulage par injection.

Le faisceau de démonstration de Van Wees (une pièce utilisée pour faire passer les réglementations en matière d'impact latéral/intrusion) mesurait environ 650 millimètres de long, 110 millimètres de large, avait une paroi nominale de 3 millimètres et pesait environ 450 grammes dans le matériau de référence, qui était un 3- PA6 renforcé de tissu de verre millimétrique. La pièce comportait également une structure en forme de dôme au centre qui mesurait 40 millimètres de haut. La poutre de collision en feuille d'organo n'a pas fourni une absorption d'énergie suffisante pour répondre aux exigences de l'application, les chercheurs de Van Wees ont donc tenté d'améliorer les performances globales dans la même épaisseur de paroi (puisque l'outillage existant a été utilisé), dans un temps de cycle de moins d'une minute et avec zéro déchet .

En collaboration avec plusieurs fournisseurs de polymères, Van Wees a produit des rubans UD en interne en utilisant plusieurs polymères et renforts, notamment fibre de verre/PA4/10, fibre de verre/PP, fibre de carbone/PP et verre + fibre de carbone/PP. Des composés de surmoulage par injection de fibres courtes correspondants ont été produits par les fournisseurs de résine. La simulation a été utilisée pour évaluer le nombre et l'orientation des plis UD individuels pour les ébauches sur mesure afin de répondre ou de dépasser les exigences de performance. Ensuite, des rubans ont été utilisés pour produire des stratifiés à fibres continues, à partir desquels les poutres de collision ont été produites. Les résultats de l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) ont prédit que les flans sur mesure en fibre de verre/PA4/10 offriraient les meilleures propriétés à un coût inférieur à celui du tissu/feuille organique, et les tests physiques l'ont confirmé.

Pour explorer davantage les possibilités de réduire les déchets et les coûts, les chercheurs ont réutilisé les déchets (environ 30 % de pertes de coupe) générés par la production de stratifiés de fibres continues pour produire des poutres de collision, ont recyclé ce matériau en stratifiés à base de copeaux d'un millimètre d'épaisseur et ont utilisé ce produit. en tant que couche centrale (remplaçant trois plis UD) entre les « peaux » de plus de matériau UD fabriquées sur la machine UD multiaxiale. Fait intéressant, lors de tests préliminaires avec une taille d'échantillon limitée, ils ont constaté peu ou pas de perte de performance pour les stratifiés hybrides avec un mélange de renforcement continu et discontinu par rapport aux stratifiés entièrement renforcés en continu.

Des calculs supplémentaires effectués par l'équipe ont indiqué qu'il serait possible d'atteindre les objectifs de production de Van Wees de 2 millions de faisceaux de collision par an, en utilisant le processus de surmoulage composite d'une minute développé par l'équipe Lipa Series. Compte tenu de la vitesse à laquelle fonctionnent les lignes de production d'ébauches sur mesure Van Wees (1 800 patchs/heure sur la machine multiaxiale UD et 1 260 patchs/heure sur la machine crossply), l'ajout d'équipements supplémentaires pour convertir les déchets en stratifiés à base de copeaux créerait un zéro -système de production de déchets et augmenter les volumes de production de 30 pour cent à 2,6 millions de pièces par an. Ironiquement, les machines de moulage par injection seraient l'étape limitante de cette séquence de production - quelque chose qui n'arrive pas souvent.

Un autre projet rapide mené par les chercheurs de l'entreprise consistait à développer des poignées de porte à face composite pour la salle de conférence du siège social de Van Wees. Les inserts composites finaux étaient disponibles pour les participants à la conférence Composites Overmolding de l'année dernière.

« Le co-développement et l'innovation sont les forces motrices de l'industrie moderne », note Rien van den Aker, directeur de Van Wees. « Nous pensons que le développement conjoint avec tous les acteurs de la chaîne composite est d'un intérêt primordial. Les métaux sont les concurrents de notre industrie et sont fabriqués de la manière la plus rationnelle. Par conséquent, ce ne sera qu'avec des processus et des équipements intelligents que nous pourrons introduire des produits composites légers dans des applications à haut volume. » Il souligne qu'il faudra un effort conjoint entre les membres de la chaîne d'approvisionnement pour rendre possible la production zéro déchet de pièces composites thermodurcissables et thermoplastiques. "Van Wees est heureux d'aider les parties intéressées dans le développement de produits et de processus", ajoute-t-il.