Composite + métal :technologie hybride à profil creux

Le surmoulage par injection a été beaucoup dans l'actualité de l'industrie des composites ces derniers temps, mais principalement dans le domaine de la création de composites hybrides. Des préimprégnés continus renforcés de fibres ou des formes composites pré-durcies sont positionnés dans la cavité du moule, puis encapsulés dans une pièce moulée par injection renforcée de fibres courtes plus grande de manière à fournir un renforcement supplémentaire uniquement là où cela est nécessaire pour éviter les pièces surconçues et maîtriser les coûts de production. Presque inaperçu dans cette rafale de publicité, les nouvelles concernant les structures hybrides plastique/métal (PMH) - celles qui combinent des sous-structures en tôle surmoulées par injection avec un composite thermoplastique.

La catégorie PMH a récemment été élargie grâce à un nouveau développement annoncé pour la première fois en Europe en mars. Appelée technologie hybride à profil creux (HPH), le développement permet l'utilisation efficace de sous-structures métalliques tubulaires extrudées ou soudées à la place de tôles embouties ou embouties plus soudées pour obtenir des performances mécaniques plus élevées pour les composants PMH soumis à des charges élevées. La technologie HPH a fait ses débuts en Amérique du Nord du 30 avril au 1er mai lors de la 13e conférence annuelle sur les plastiques d'ingénierie automobile (AutoEPCON) organisée par la Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, États-Unis) et tenue dans la banlieue de Détroit.

Structures hybrides plastique-métal « traditionnelles »

La technologie PMH a été initialement développée vers 1995 par Bayer AG (Leverkusen, Allemagne). L'équipe composites et la technologie PMH ont été scindées dans le cadre des activités chimiques et polymères de Bayer en 2004 pour devenir LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, États-Unis).

PMH utilise une sous-structure en tôle d'acier ou d'aluminium estampée sélectivement qui est placée dans un outil de moulage par injection qui est, généralement, sélectivement surmoulé (c'est-à-dire que le substrat métallique n'est pas entièrement encapsulé) avec du polyamide 6 renforcé de fibre de verre (GR-PA 6). La structure hybride résultante présente le choix du concepteur de pièces de pièces fonctionnelles, y compris des supports, des nervures, des bossages et d'autres géométries en composite à l'extérieur. Les perforations, qui permettent au composite thermoplastique de s'écouler à travers et autour de la sous-structure métallique, encouragent une forte liaison entre les deux matériaux et permettent à la structure résultante d'offrir le meilleur des deux mondes. C'est-à-dire que la pièce bénéficie de la rigidité et de la résistance élevées de la tôle à paroi mince, mais elle est raidie et stabilisée par, par exemple, des nervures composites qui empêchent le métal de se voiler. De plus, le composite contribue à la résistance à la corrosion, à une bonne finition de surface, à un poids réduit et à une consolidation et une intégration fonctionnelle accrues des pièces obtenues en une seule étape, éliminant ainsi le matériel, les supports et les opérations secondaires. Et parce que la matrice est en PA 6, elle offre également une bonne et large résistance chimique ainsi qu'une excellente ténacité (résistance aux chocs).

Les structures PMH sont plus légères et ont beaucoup moins de pièces (produites en beaucoup moins d'étapes) que des structures en tôle comparables avec la même fonctionnalité, mais elles ont une mécanique plus élevée qu'un composite thermoplastique renforcé de fibres discontinues seul. Ceci est particulièrement utile dans les cas où l'espace est limité et où des sections de paroi épaisses ne sont pas souhaitables. La capacité de réduire considérablement le nombre de pièces et les étapes de production réduit non seulement les coûts et l'empreinte de fabrication, mais également les coûts d'inventaire et de garantie. Et parce que sa matrice est un thermoplastique, la structure hybride peut être séparée et recyclée en fin de vie du véhicule.

En raison de sa recyclabilité et de ses avantages en termes de performances, la technologie PMH est utilisée depuis de nombreuses années pour produire une variété de composants automobiles, des grands ensembles tels que les modules avant et les poutres de pare-chocs aux composants sous le capot. Il a également été utilisé dans des applications non automobiles, telles que des patins à roues alignées et des composants de scooters et de petites voitures tout-terrain.

Structures tubulaires

Comme c'est le cas pour toute technologie, le PMH présente quelques inconvénients. Premièrement, l'amortissement des coûts d'outillage en métal et en plastique (les deux types sont nécessaires avec cette technique) nécessitera probablement une application à des programmes de véhicules de volume moyen à élevé. C'est trop coûteux pour une production de niche, à moins que les coûts d'outillage ne puissent être partagés avec des modèles similaires sur la même plate-forme. Deuxièmement, telle qu'appliquée de manière conventionnelle, la technologie PMH est mieux utilisée avec de simples sous-structures en tôle 2D ou 2,5D, par exemple des sections en L, en C ou plus plates. Cependant, ces structures manquent souvent de résistance à la torsion suffisante pour répondre à certaines exigences de haute performance. De plus, il n'est pas possible de créer des structures tubulaires/de forme fermée (pensez à une section en O et à d'autres sections transversales tubulaires ou carrées) via PMH car un profil fermé s'effondrerait sous les hautes pressions du moulage par injection.

« L'idée des structures hybrides à profil creux est née d'une liste d'applications automobiles structurelles à forte charge, où il était hautement souhaitable de réduire la masse et d'ajouter une intégration fonctionnelle, mais où la technologie PMH actuelle n'était pas assez puissante pour répondre aux exigences de performance » explique Joseph Aiello, ingénieur en développement d'applications structurelles LANXESS. Il cite la traverse de voiture comme un composant HPH théoriquement idéal, car elle est lourde et contient une multitude de supports et autres pièces jointes en métal. Des poutres transversales sont utilisées sur chaque véhicule de tourisme pour fournir une rigidité en torsion au châssis. Ils fournissent également des points de fixation pour les composants qui pénètrent du compartiment moteur à l'intérieur du véhicule (par exemple, les volants) et pour les composants qui se fixent à partir de points devant le pare-feu et se projettent dans la cabine des passagers (par exemple, les tableaux de bord et les consoles centrales) . Les travaux antérieurs appliquant la technologie PMH à une poutre transversale manquaient de performances mécaniques suffisantes car l'effort était centré sur une tentative de création des sous-structures métalliques tubulaires (de forme fermée) pour la poutre en soudant ensemble deux structures PMH ouvertes en forme de L après qu'elles aient été surmoulé. "Étant donné qu'une structure de forme fermée est bien connue en ingénierie pour être plus solide qu'une structure ouverte, un endroit logique pour commencer à augmenter les performances mécaniques des hybrides plastique-métal était de trouver un moyen d'appliquer la technologie aux poutres creuses ou aux tubes ronds. ou des sections transversales rectangulaires », ajoute Aiello.

Le défi, comme toujours, était d'obtenir une liaison à haute résistance entre la sous-structure métallique et tout composant fonctionnel composite qui y était surmoulé - une caractéristique particulièrement importante pour les composants critiques pour la structure comme les poutres transversales. Dans un premier temps, l'équipe a travaillé sur une technologie adaptée au surmoulage de tubes standards sans avoir besoin d'équipements spéciaux. La question est devenue de savoir comment déformer sélectivement le tube - créer des alvéoles ou des dépressions - dans la machine de moulage par injection qui assurerait un bon verrouillage entre le tube métallique et la matrice, et ainsi atteindre une force de liaison élevée entre la sous-structure métallique et le composite surmoulé sans provoquer le tube à s'effondrer aux pressions élevées généralement observées pendant le cycle de moulage. Après de nombreuses études, la même équipe LANXESS qui a initialement développé la technologie PMH a également développé le processus HPH.

Fondamentalement, HPH utilise des « éléments structurels » en PA 6 à haut débit et hautement renforcés de verre - des tubes solides moulés par injection avec des nervures/ailettes spécialement conçues faisant saillie à l'extérieur - qui sont placés dans le centre creux d'un tube en acier ou en aluminium qui est, à son tour, inséré dans une machine de moulage par injection et surmoulé avec un composite GR-PA 6 supplémentaire pour former un support externe et d'autres composants fonctionnels. Les éléments structurels - qui sont insérés dans un tube avant que ce tube ne soit placé dans la presse pour le surmoulage - empêchent l'effondrement du tube pendant le moulage et aident à façonner/déformer le tube via un processus appelé perlage ou capitonnage, pendant le processus de moulage à haute pression, ainsi assurant une liaison solide entre les matériaux métalliques et composites. Cet élément interne reste dans le tube pour ajouter un support structurel.

LANXESS rapporte que les éléments internes nervurés/à ailettes peuvent même être conçus pour être utilisés avec des tubes perforés en acier ou en aluminium. Celles-ci fonctionnent comme les perforations utilisées dans la technologie PMH conventionnelle.

Pour éliminer le besoin d'un deuxième moule, cet outil peut être conçu pour inclure un espace dans une cavité latérale pour mouler des éléments structurels pour les tubes à utiliser dans le prochain tir pendant qu'il surmoule un tube donné renforcé d'éléments structurels. Et l'ensemble du processus pourrait être entièrement automatisé, si vous le souhaitez.

Par rapport aux structures PMH conventionnelles, avec des sous-structures embouties ou embouties plus soudées, les structures HPH sont censées offrir une rigidité et une résistance à la torsion plus élevées et une meilleure stabilité dimensionnelle à section transversale, masse et épaisseur comparables, tout en offrant tous les avantages classiques de Processus PMH original de LANXESS.

Quelle est la prochaine étape ?

Les applications HPH cibles incluent les structures hybrides composites/métalliques avec des exigences mécaniques élevées qui incluent non seulement les poutres transversales, mais aussi les cadres de siège de voiture et les modules avant, les hayons de camion et les supports de rétroviseur. En dehors du domaine automobile, il pourrait être utilisé pour produire des meubles, des échelles ou même des poussettes pour bébés. Trop nouveau pour avoir encore établi des applications commerciales, HPH ferait partie de nombreux projets de développement en cours et LANXESS dit qu'il continue d'évaluer les opportunités, et rapporte qu'il travaille toujours sur certaines versions technologiques pour compléter sa demande de brevet, ce qui être soumis plus tard cette année.

Quelle pourrait être la prochaine étape pour HPS ? LANXESS indique également avoir déjà effectué des recherches sur le PMH en utilisant des matrices de PA 6/6 et de polybutylène téréphtalate (PBT) et un renforcement en fibre de carbone, et a même évalué des sous-structures en magnésium, bien que la grande majorité des applications commerciales restent en GR-PA 6 avec des niveaux de charge de verre. de 30 à 60%. Théoriquement, les mêmes combinaisons de matériaux pourraient être utilisées pour HPH, bien que l'équipe se concentre toujours sur 60% de GR-PA 6. Si un renforcement en fibre de carbone était utilisé, les sous-structures métalliques devraient être isolées (probablement via un revêtement) pour empêcher la corrosion galvanique. Ou, pour des applications moins structurelles, il devrait être possible d'utiliser un tube extrudé ou pultrudé à partir d'un plastique ou d'un composite.