Découvrez l'usine Veelo Technologies à Woodlawn : À l'intérieur de l'innovante usine de fibres CNT

Que faites-vous quand la fibre de nanotube de carbone (CNT) que votre entreprise essayait de commercialiser ne fournit pas la performance nécessaire par vos clients potentiels, qui incluent l'U.S. Air Force et Boeing (Chicago, Ill., US) ? Vous pivotez, retournez à la planche à dessin, et utilisez votre expertise en matériaux avancés et process composites pour développer d'autres solutions. « Nous utilisons souvent des nanomatériaux, mais nous ne sommes en aucun cas une entreprise de nanomatériaux », dit Joe Sprengard, CEO de Veelo Technologies. « Nous sommes une entreprise de matériaux avancés focalisée sur matériaux électriquement conducteurs et solutions de chauffage non-métalliques. Le fil conducteur entre notre focus initial sur le développement de fibres et feuilles CNT continues et notre portefeuille actuel de produits – protection foudre (LSP) et blindage électromagnétique, couvertures chauffantes pour process composites efficaces et systèmes de dégivrage électrothermique non-métalliques pour aérostructures – est notre capacité à développer de nouveaux matériaux qui non seulement livrent de nouveaux niveaux de performance, mais rencontrent aussi les exigences de poids et coût. »

L'entreprise a évolué de 4 à 24 employés et a emménagé dans une nouvelle installation de fabrication de 20 000 pieds carrés à Woodlawn, une banlieue de Cincinnati située à un mile du siège de GE Aviation à Evendale et une heure au sud du Laboratoire de Recherche de l'Air Force (AFRL) à la Base Aérienne Wright-Patterson à Dayton, Ohio. Sprengard guide la visite de CW à travers le nouveau site de production de Veelo Technologies, parcourant l'évolution de l'entreprise de fournisseur nanomatériaux à spécialiste broad goods avancé à partenaire d'innovation pour futurs composites.

Fibres et feuilles CNT

Veelo Technologies était à l'origine une spin-out de l'Université de Cincinnati (UC) sous le nom General Nano. L'université avait produit les plus longs réseaux CNT au monde – 18 millimètres de long – en 2007. « La Direction Matériaux et Fabrication de l'AFRL s'est intéressée et a commencé une évaluation multi-annuelle », explique Sprengard, qui a rejoint l'entreprise en 2009. « Pendant les trois premières années, nous essayions de comprendre comment convertir ces longs CNT en fibres macro-scale haute résistance, ce qui intéressait l'AFRL. Mais les propriétés ne se sont jamais matérialisées. »

Donc, l'entreprise a pivoté, développant un moyen de convertir les CNT en feuille continue. Boeing s'est intéressé, voyant la technologie comme solution potentielle à son besoin de LSP et blindage interférences électromagnétiques (EMI) pour ses structures d'avion composites. « En moyenne, les avions commerciaux sont frappés par la foudre toutes les 1 000 heures », dit Sprengard. Bien que la fibre de carbone soit conductrice, les résines matricielles dans les composites ne le sont pas. Ainsi, les aérostructures en polymère renforcé fibre de carbone (PRFC) que Boeing produisait en nombre record pour ses 777 et 787 commerciaux comptaient sur feuille métallique expansée et autres solutions métalliques pour conduire rapidement le courant électrique vers une connexion mise à la terre afin d'éviter dommages thermiques. « Mais le maillage métallique est lourd, produit beaucoup de poids parasite et peut être difficile à processer dans pièces composites », dit Larry Christy, ingénieur développement produit chez Veelo Technologies.

En 2015, Boeing avait une poussée entreprise-wide pour développer une solution LSP next-gen, et General Nano était un partenaire clé. CW a visité General Nano peu après, en 2016, à son emplacement original dans un incubateur d'entreprises basé à Cincinnati qui hébergeait plusieurs start-ups. Christy a guidé cette visite des labs de l'entreprise et discuté l'évolution technologique alors en cours. « L'efficacité du LSP et blindage métalliques diminue avec la fréquence », expliquait-il. « Vous devez améliorer la conductivité et réduire l'impédance mais être moins de 25 microns d'épaisseur. Cependant, les jonctions CNT-à-CNT ajoutent de la résistance dans la feuille. De 2014 à 2016, nous avons amélioré la conductivité de 12 fois et prouvé une solution drop-in pour blindage à une fréquence de 200 [mégahertz] MHz avec 25 % économie de poids vs métal. Mais nous devons encore réduire l'épaisseur. »

À ce stade, l'entreprise avait développé la capacité de produire des CNT alignés sur un substrat 5 pieds de large en longueurs mesurant des centaines de pieds. Elle faisait aussi du papier CNT 20 grammes/m², 2 mm d'épaisseur et matériaux non-tissés – une sorte de non-tissé continu CNT – usando un réseau de partenaires de fabrication à façon avec capacité excédentaire sur leurs équipements de fabrication de papier. « Cette approche nous donne de la flexibilité », expliquait Christy, « et nous permet de focus sur le travail avec nos clients pour ajouter de la fonctionnalité et adapter les propriétés et format de nos produits. » L'entreprise avait aussi été demandée de faire des rubans continus, qu'elle a refaits usando son réseau à façon.

Pivot vers broad goods haute performance

Cette capacité à adapter et volonté de modifier ses produits selon exigences clients était clé, car environ une décennie dans son existence, l'entreprise a compris que son futur pourrait être très différent de son passé. Christy expliquait qu'il y avait des besoins multiples, pas juste pour LSP mais aussi pour blindage EMI. « Vous devez adapter la performance électrique pour chacun. Les propriétés du maillage métallique sont fréquence-dépendantes et baissent quand la fréquence augmente à cause de fuites par les trous dans la feuille. Notre performance monte avec la fréquence car nos produits sont continus sans trous et sans fuite. Les CNT surpassent les métaux aux hautes fréquences, donc ils sont super pour applications radiofréquence haute intensité (HIRF) et communications satellite haute puissance. Les CNT n'ont aussi pas d'effet de peau, qui est un problème avec les métaux. » L'effet de peau est la tendance du courant alternatif à éviter de voyager par le centre d'un conducteur, limité plutôt à sa surface ou peau, ce qui réduit effectivement la section transversale disponible pour porter le courant et augmente la résistance. Christy continue : « Mais les CNT ne peuvent pas compétiter aux basses fréquences. Leur conductivité n'est juste pas assez haute et il y a trop de perte de signal. Donc, nous regardons des hybrides. »

« Cela a mené à d'autres matériaux de feuille qui ne sont pas basés sur nanomatériaux », dit Sprengard. « Nous avons développé VeeloVEIL, une solution fibre de carbone métallisée pour LSP qui est 70 % plus légère que la feuille de cuivre expansée (ECF) et rencontre les exigences de protection foudre Zone 1A. » Zone 1A inclut la radome/nez, extrémités d'ailes, nacelles et extrémités de l'empennage d'un avion et doit résister à 200 000 ampères de courant électrique, comme défini par les exigences de la Federal Aviation Administration (FAA) US (voir « Stratégies LSP pour avions composites » et « LSP pour structures composites »). « VeeloVEIL est quatre fois plus conductrice et pourtant moitié du poids versus autres non-tissés métallisés », continue-t-il. « C'est possible grâce à la chimie et process matériaux que nous avons développés. »

L'industrie aérospatiale n'utilise pas actuellement voile fibre de carbone pour LSP, dit Sprengard, « parce qu'il n'y a pas de produits assez conducteurs pour rencontrer les exigences Zone 1A. » VeeloVEIL a été conçu pour délivrer 5-10 milliohms de résistivité électrique (résistivité plus basse = matériau plus conducteur) à un grammage de 40-50 g/m², et rencontre les exigences LSP avion en utilisant un seul pli de 80 microns d'épaisseur. « Cela rend le matériau très drapable, ce qui résulte en une finition surface lisse sans le post-process de remplissage porosité souvent requis avec produits ECF », note-t-il. « Cela, à son tour, permet aux fabricants d'utiliser moins de résine de surfacage, ce qui économise matériau et coûts fabrication. On nous a dit par les top 3 OEM aérostructures que VeeloVEIL leur permet de réduire le temps total matériaux et process LSP de plus de vingt heures à moins de trois heures. »

VeeloVEIL est fourni dans la même forme produit que ECF, ce qui permet aux fabricants de l'utiliser sans changer leurs process de fabrication existants. « Tous nos matériaux conducteurs électriques pour composites aérospatiaux sont conçus pour être traités par machines [placement de fibre automatisé] AFP », dit Sprengard. Veelo Technologies est aussi en train d'intégrer VeeloVEIL dans un produit couche de surface standard, travaillant avec des préimpregnateurs Tier 1 aérospatiaux.

Adapter la conductivité pour le chauffage

Pendant le développement de VeeloVEIL, l'équipe de Sprengard a réalisé que la capacité d'adapter la conductivité électrique de ses broad goods pouvait aussi être utilisée pour applications de chauffage électrothermique. Cela a ouvert la porte à une autre de ses familles de produits, VeeloHEAT.

« VeeloHEAT est un matériau non-métallique base carbone qui est intégré dans aérostructures pour dégivrage », dit Sprengard. Notez que ce n'est pas fibre de carbone. « Aujourd'hui, les systèmes de dégivrage avions utilisent souvent fils métalliques, qui ont des problèmes de durabilité, surtout en environnements haute fatigue comme rotorcraft. Si un des fils casse, le système ne performe plus. Ces systèmes de dégivrage base métal conventionnels échouent communément, et doivent être réparés, ce qui est temps- et coût-intensif. Nous avons démontré que nos produits sont bien plus durables, ce qui diminue dramatiquement le temps d'immobilisation des avions. » Il note que ces produits sont indeed utilisés sur pales de rotor pour hélicoptères et ont un potentiel significatif pour avions EVTOL (electric vehicle takeoff and landing) actuellement développés pour mobilité aérienne urbaine et prochaine génération de transport.

Plus near-term, Sprengard dit que les produits VeeloHEAT sont programmés pour voler sur un avion commercial à voilure fixe au T1 2020 pour qualification early-stage. « L'attrait de cette technologie n'est pas secret », dit-il, notant que Collins Aerospace (anciennement UTC, qui fera maintenant partie de Raytheon) a annoncé une licence exclusive pour systèmes de dégivrage base CNT en janvier 2017. « Ils connaissent bien le marché et se positionnent pour le futur. Leur investissement est une bonne indication de où cette technologie va », ajoute Sprengard.

Du dégivrage au process et réparation composites

Les couvertures chauffantes conventionnelles ont été utilisées pendant des décennies pour polymériser des zones relativement petites – typiquement moins de 1 mètre carré – de structures composites pendant réparations en biseau collées. Ces couvertures chauffantes utilisent fils métalliques traditionnels embarqués dans caoutchouc silicone ou autres matériaux (selon température de polymérisation requise). « Similaire aux systèmes de dégivrage base métal, si un fil casse, les couvertures chauffantes court-circuitent et ne marchent plus », dit Sprengard. « Nous avons leveragé notre produit de dégivrage base carbone en une couverture chauffante non-métallique qui a durabilité et drapabilité inégalées, ainsi que performance. » Le standard industriel pour ce dernier est 3 % coefficient de variance (COV), mesure d'uniformité dans produits chauffants, couverture-à-couverture et bord-à-bord. La couverture VeeloHEAT dépasse ce standard à la sortie énergie typique de 5 watts par pouce carré.

Les couvertures chauffantes Veelo peuvent produire températures jusqu'à 550°F (288°C) et peuvent être net shaped pour s'adapter aux pièces et outils. « Cette capacité est possible grâce à notre capacité à formuler chimies et fabriquer matériaux avancés uniques avec résistivités sur mesure », note Sprengard. Veelo Technologies a commercialisé cette technologie en 15 mois et est maintenant en production complète. « Nous voyons une très bonne croissance dans cette ligne de produit », ajoute-t-il, « et fabriquons maintenant de gros volumes de couvertures VeeloHEAT qui sont utilisées pour coller de grandes structures composites hors autoclave et hors four, en utilisant zones de température multiples et autres fonctionnalités de process que nos clients ont demandées. »

Relocalisation et montée en production

En octobre 2018, Veelo Technologies a reçu confirmation qu'il avait remporté un programme de défense majeur nécessitant montée en charge immédiate. « Heureusement nous avons trouvé une installation near perfect, prête à emménager, déjà équipée de l'infrastructure dont nous avions besoin pour démarrer sur les chapeaux de roues », se rappelle Sprengard. L'installation Woodlawn offre contrôle environnemental state-of-the-art, éclairage et revêtement sol époxy mur-à-mur – caractéristiques que Sprengard note comme standard dans l'aérospatial de ses visites d'opérations clients. « Nous n'avons pris aucun raccourci – notre investissement dans les matériaux et finitions de plus haute qualité reflète notre stratégie et vision long-terme pour le futur », explique-t-il. Cet investissement se voit aussi dans le contrôle d'accès et le personnel de sécurité de l'installation, nécessaires pour ses contrats défense.

Le build-out requis de l'installation a été complété au T2 2019, après quoi Veelo a commencé la relocalisation de ses lignes de production. « Tout notre équipement tourne à près de pleine capacité, ce qui a fait de la planification d'arrêt pour déplacer toutes les lignes dans la nouvelle installation un défi », concède-t-il. L'entreprise a complété la phase 1 de sa transition fabrication en juillet 2019, relocalisant la ligne VeeloHEAT Blanket et la remontant à pleine production.

Le grand hall de production ouvert de la nouvelle installation est accessible depuis le lobby d'entrée. À droite est la zone fabrication VeeloHEAT Blanket. Quatre tables de stratification 4 pieds par 10 pieds sont utilisées pour superposer le film VeeloHEAT avec autres matériaux sur outils de moulage métalliques formés. Ces stratifications sont ensuite polymérisées dans un four 10 par 10 pieds fourni par JPW Industrial Furnaces (Trout Run, Pa., US). Les couvertures finies sont démoulées et connectées à fils d'alimentation électrique, qui permettent l'usage avec unités de contrôle informatisées (hot bonders) pour polymériser stratifiés composites et réparations. Chaque couverture VeeloHEAT est testée pour sortie température et uniformité.

Juste au-delà de la zone production couvertures chauffantes est la salle de production chimie humide. Ici, équipement industriel sourcé de Silverson Machine (East Longmeadow, Mass., US) et Netzsch (Burlington, Mass., US) est utilisé pour mélanger les formulations chimiques avancées utilisées dans les produits Veelo. Ensuite est la salle de fabrication film, qui abrite un système propriétaire pour fabriquer le film VeeloHEAT base carbone de Veelo, la technologie clé à l'intérieur de la couverture VeeloHEAT. En continuant vers la gauche est la zone production VeeloVEIL. Bien que vide au moment de cette visite, les deux lignes de fabrication roll-to-roll 15 pouces et 36 pouces de large pour production VeeloVEIL ont été déplacées dans la nouvelle installation en août. L'entreprise est aussi en train de designer une ligne 60 pouces de large pour rencontrer la demande future. D'ici octobre, Veelo Technologies aura toutes ses lignes de produits opérant sous un toit et montant vers production accrue.

Solutions next-generation

La route vers le succès actuel de Veelo Technologies a été longue, et pas toujours directe. « Oui, nous avons commencé en nanomatériaux, et nous maintenons encore une expertise significative dans ce domaine, mais aucun de nos clients ne se soucie si nous utilisons nanomatériaux ou pas », dit Sprengard. « Ils ne se soucient que si nous fournissons une solution convaincante qui rencontre leurs cibles performance et ROI. Par exemple, produits qui permettent la prochaine génération de systèmes de dégivrage à utiliser moins de puissance sur l'avion, ce qui ouvre nouvelles opportunités pour designs véhicules aériens et efficiences opérationnelles. »

Sprengard dit que les trois familles de produits Veelo avancent, soit étant finalisées en listes de produits qualifiés (QPL) OEM et fournisseurs « ou étant ajoutées comme numéro de pièce dans la base d'approvisionnement de nos clients. » Bien que la vaste majorité de ce que l'entreprise fait maintenant soit pour composites thermodurcissables, il note qu'elle commence à regarder composites thermoplastiques et fabrication additive aussi.

Où Veelo Technologies est focus pour le futur ? « Notre première priorité est de continuer à livrer sur nos commandes existantes et opportunités stratégiques », dit Sprengard. « Le marché nous pousse à rencontrer nouveaux niveaux de demande, ce qui est super et challengeant. Rester focus est notre priorité top. »

Les objectifs que Veelo s'est fixés maintenant sont tout aussi impressionnants que sa ténacité et patience à travers 12 ans de développement pour atteindre ce point. « Si vous regardez les meilleurs fournisseurs composites aérospatiaux, comme Airtech et A&P Technologies », dit Sprengard, « ils ont une place à la table tôt dans les cycles de développement de leurs clients. Pour être un tel partenaire d'innovation prend du temps. » Il ajoute : « et de l'engagement. »

Veelo Technologies a évolué de 4 à 24 employés et évolué d'un fournisseur nanomatériaux à spécialiste broad goods avancé à partenaire d'innovation pour futurs composites, reconnu par Boeing comme Fournisseur de l'Année 2015.