Couvertures hybrides composites : protection de pointe pour l'électronique ultra-fine

SABIC a démontré dans une étude récente qu'une couverture de 1 millimètre d'épaisseur pouvait répondre à toutes les spécifications de performance industrielles pertinentes pour ordinateurs portables ou tablettes très fins. Source, toutes images | SABIC

L'électronique grand public est un marché dynamique avec des cycles courts entre générations de produits. De leurs smartphones, montres connectées, tablettes et ordinateurs portables, les consommateurs veulent des vitesses plus rapides, batteries plus durables, plus de durabilité et plus de fonctions à coût et poids moindres. Pour répondre à la demande, les OEM demandent aux fournisseurs des matériaux avec esthétique haute et liberté de design, excellente résistance aux chocs et rigidité élevée — qui connote la qualité sur ce marché — à faible poids et parois minces. Ils veulent aussi des méthodes de transformation rentables, hautement répétables, répondant à la demande mondiale de dizaines de millions d'unités par an. Ces pressions ont poussé le marché d'abord vers les métaux légers pour couvercles/boîtiers et cadres, et maintenant vers des solutions métal/composite et tout composite.

Une étude de faisabilité menée par SABIC (Bergen op Zoom, Pays-Bas) a impliqué l'utilisation de deux types de composites thermoplastiques pour produire une couverture d'ordinateur portable/tablette de 1 millimètre d'épaisseur. L'étude a montré que le design composite thermoplastique hybride pouvait être une solution viable pour le marché exigeant de l'électronique grand public.

Cas test

Depuis 2012, SABIC a fait une série d'investissements pour développer ses propres rubans composites thermoplastiques renforcés fibres unidirectionnelles (UD) (voir « Évoluer vers les renforts fibres continues »), ce qui a étendu la compétence cœur de l'entreprise en injection fibres courtes et thermoplastiques fibres longues (LFT), et permis à SABIC d'étendre vers les composites thermoplastiques plus performants. En 2015, l'entreprise a acheté la majorité du fabricant de rubans Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT, Lelystad, Pays-Bas) et en 2017, s'est associée et est devenue investisseur minoritaire dans Airborne (La Haye, Pays-Bas), un fabricant de machines et développeur de lignes de transformation composites.

Alors que SABIC et Airborne conçuaient et construisaient la technologie pour produire rapidement et rentablement des stratifiés net-shape de haute qualité à base de rubans composites pour des marchés véritablement à haut volume (voir « Fabrication composites thermoplastiques haute vitesse, haut débit »), l'équipe a cherché un cas test. Ce démonstrateur serait un outil marketing important pour prouver les concepts de design pour stratifiés composites thermoplastiques produits de rubans composites surmoulés avec composés renforcés fibres discontinues. Il serait aussi important pour tester les outils d'ingénierie prédictive développés pour les deux technologies matériaux et pour montrer le processus de fabrication haute vitesse en évolution aux Pays-Bas.

« Nous avons décidé de nous spécialiser dans les applications électronique grand public », explique Gino Francato, responsable mondial composites de SABIC. « Ce marché est très intéressant car il y a une vraie ambition de passer aux matériaux légers pour rendre nos téléphones et portables plus légers et plus fins. Et comme ils en font des millions, nous avons décidé de relever le défi de ce marché. »

« Nous avons décidé de commencer par quelque chose de raisonnablement complexe mais pas trop complexe », explique Scott Davis, scientifique personnel technologie d'application globale de SABIC. Le couvercle supérieur d'un ordinateur portable très fin ou même d'une tablette — que l'équipe espérait éventuellement transposer à des composants smartphone — semblait un bon point de départ. « Nous travaillions avec une géométrie globale simple, un rectangle, qui devait pourtant maintenir une haute esthétique et offrir beaucoup de complexité sur sa face B, y compris des fonctions de fixation », poursuit Davis. « Nous devions garder le couvercle très fin, mais répondre quand même aux exigences de fléchissement difficiles communes dans l'industrie. Et, bien sûr, nous devions livrer un produit très cohérent via un nouveau processus de fabrication complexe. »

Comme ils ne travaillaient pas sur un design client réel, et ne créaient que le couvercle protecteur d'un écran, ils ont utilisé une géométrie générique. En fait, Davis note, quand ils ont commencé à tailler l'outillage d'injection pour le développement interne, ils n'étaient même pas sûrs de faire une tablette ou un portable, donc le couvercle était conçu pour fonctionner pour les deux. « Il y avait beaucoup de défis pour avoir une solution composite prête pour la production à haut volume », ajoute Davis. « En fait, il se passait beaucoup de choses simultanément — développement ruban, développement stratifié, développement processus — et nous ne pouvions pas attendre que tout soit finalisé pour commencer notre outillage, c'est comme ça qu'on a abouti à ce design. » Avec le design de base terminé, l'équipe s'est concentrée sur d'autres détails : la meilleure façon de gâter, quels types de chevauchements nécessaires entre insert stratifié et composé de surmoulage, comment gérer le placement automatisé dans l'outil, comment gérer le désaccord du coefficient de dilatation thermique (linéaire) (CLTE ou CTE) entre les deux composites et comment créer une pièce facilement répétable.

Répondre à des exigences exigeantes

L'objectif était de développer un couvercle supérieur de 1 millimètre d'épaisseur offrant haute rigidité et passant tous les tests de performance et esthétiques — surtout le test de fléchissement sous charge centrale appliqué régulièrement aux couvercles d'ordinateurs portables pour évaluer les charges requises pour endommager l'écran sous-jacent. Les exigences charge/fléchissement varient selon OEM, appareil et modèle, mais typiquement pas plus de 3-5 mm de fléchissement ne sont autorisés sous 40-120 Newtons de pression — une situation simulant les charges exercées par un doigt ou coude pressé sur le couvercle quand un utilisateur se lève. Dans beaucoup d'industries, la stratégie pour passer de tels tests serait d'augmenter l'épaisseur de section, mais ce marché valorise des designs plus fins qui libèrent de l'espace pour batteries plus grandes et autres composants sans augmenter la taille ou le poids de l'appareil. Donc l'équipe a dû utiliser une stratégie de design différente pour prévenir l'endommagement de l'écran — à savoir sélectionner des matériaux plus rigides (via un insert stratifié) et utiliser la géométrie (par exemple, nervures via surmoulage par injection). Mais d'abord, ils ont dû spécifier les matériaux.

L'un de ces matériaux, le polycarbonate (PC), est déjà largement utilisé dans cette industrie pour couvercles et autres composants, grâce à son excellente esthétique et sa haute résistance aux chocs. La plus grande faiblesse du polymère est la résistance chimique et les rayures de surface, mais le revêtement, la peinture ou combinaisons des deux appliqués sur la plupart des couvercles surmontent généralement ces problèmes potentiels.

« Parce que les ordinateurs ultralégers sont si fins, l'espace de boîtier intérieur est à un vrai premium, donc les fléchissements et mécaniques deviennent vraiment critiques », souligne Francato. « Bien qu'on voudrait utiliser du verre [renfort] d'un point de vue coût, nous avons dû utiliser du carbone [fibre] pour obtenir la rigidité nécessaire. » En résultat, tous les stratifiés à base de rubans évalués étaient des variations de polycarbonate renforcé fibre carbone — grades alors en développement chez la filiale SABIC FRT.

SABIC a développé des modèles prédictifs pour simuler type et architecture de stratifié (avec et sans composés de surmoulage) vs performance pièce moulée et rapporte qu'une forte corrélation entre prédictions et résultats expérimentaux a été atteinte. Les outils d'ingénierie prédictive sont dits accélérer le développement matériaux.

Le composé de surmoulage nécessitait une approche différente. Initialement, la stratégie était d'utiliser un composé LFT fibres plus longues, mais pour plusieurs raisons — dont exigences esthétiques hautes, taille de pièce et stratégie de gâtage — les composés fibres courtes répondaient mieux aux exigences du projet. Un autre point était le type de fibre à utiliser. « Les composés injection carbone fibres courtes sont vraiment difficiles à travailler et garder une haute esthétique », continue Francato, « donc pour notre matériau de surmoulage, nous avons regardé les grades verre fibres courtes. » La filiale LNP Engineering Plastics, Inc. de SABIC (Exton, Pennsylvanie, États-Unis) offre beaucoup de grades verre/polycarbonate avec bonne esthétique et rigidité populaires chez les OEM d'appareils, donc l'équipe s'est concentrée sur ceux-là.

Bien que le PC totalement amorphe soit moins sujet au gauchissement que les polymères semi-cristallins, l'équipe s'inquiétait encore des différences de CLTE entre les rubans UD carbone hautement renforcés et anisotropes et les grades de surmoulage fibres courtes verre plus isotropes à charges fibres plus basses. « Dans de telles parois minues, il y a très peu de marge d'erreur, donc les légères différences de CLT étaient des choses qu'il fallait considérer soigneusement », explique Davis. « Et ça ne touche même pas tous les problèmes normaux qu'on a en moulage par injection, comme positions de gâche, motifs de remplissage, pressions de compactage et lignes de soudure. Tous ces facteurs ont été simulés et vérifiés par tests physiques. »

Une fois les matériaux choisis, les ingénieurs SABIC ont conduit de multiples itérations de remplissage moule, analyse structurelle et simulation gauchissement pour évaluer architecture de stratifié, géométrie et combinaisons matériaux pour optimiser la rigidité pour le test charge/fléchissement, plus autres exigences performance et coût. L'entreprise dit avoir développé des outils de modélisation composites complets et précis (disponibles pour clients et tournant dans codes structurels et de transformation courants) qui peuvent modéliser et simuler rapidement architecture de stratifié, composition composé surmoulage et diverses options de transformation et outillage vs performance pièce moulée. Ces outils sont dits atteindre une forte corrélation entre prédictions et performance mesurée et sont idéaux pour accélérer le développement matériaux sur mesure.

Prêt pour le grand jour

Face avant du couvercle final portable/tablette, produit avec un insert stratifié rubans carbone/polycarbonate UDMAX surmoulé avec composé verre court/polycarbonate-copolymère THERMOCOMP D452 (40% poids fibre), une combinaison répondant à toutes les exigences mécaniques et esthétiques dans une pièce de 1 mm d'épaisseur.

Le démonstrateur final comporte un insert stratifié produit de sept couches de rubans UDMAX carbone/PC développement (55% fraction volumique fibre), puis consolidé, découpé, préformé et redécoupé à forme net-shape finale, avant d'être surmoulé par injection avec composé verre court/polycarbonate-copolymère THERMOCOMP D452 à 40% fraction poids fibre (un grade optimisé pour haut flux et haute esthétique déjà largement utilisé dans ce segment). La combinaison produit un couvercle avec haute rigidité et résistance à faible masse et épaisseur de section tout en incluant de nombreux détails design 3D, fonctions de fixation et bonne esthétique, exploitant ainsi le meilleur de chaque matériau. Le couvercle a rapporté passer tous les tests industriels requis et est actuellement évalué par des OEM d'appareils.

Face arrière du couvercle fini.

Le travail entre Airborne et SABIC a aussi porté ses fruits pour les objectifs marché électronique grand public de SABIC. Le partenariat a été annoncé en 2018, et cette année plus de détails ont été fournis sur ce que les deux entreprises appellent leur Ligne de Fabrication Composites Numérique, qui peut produire quatre inserts stratifiés net-shape consolidés de rubans composites thermoplastiques par minute ou 1,5 million de stratifiés par an depuis une seule ligne de production. Le système est dit flexible (en architecture de stratification et matériaux) et rapide. À partir de 2020, Airborne utilisera la ligne pour fabriquer des stratifiés pour usage commercial en électronique grand public, devenant une ressource que les deux entreprises espèrent augmentera grandement la pénétration des composites thermoplastiques dans ce segment hautement concurrentiel et rapide.