Le CFRP surpasse l'acier dans les applications de rotules de précision

Comme indiqué dans l'article de fond de CW sur l'outillage reconfigurable, le fabricant de composants et spécialiste de la conception de fixations modulaires Prodtex (Göteborg, Suède et Bristol, Royaume-Uni) ne change pas seulement la manière dont les grandes structures composites sont assemblées, mais utilise également les composites pour construire les fixations elles-mêmes. Pour des fixations devant être soulevées et installées par des humains et/ou manipulées par des robots, la masse réduite et la rigidité élevée se traduisent par moins de main-d'œuvre/robots plus petits, une vitesse de production accrue et, par conséquent, un coût réduit. Dans cette optique, Prodtex travaille désormais sur son premier robot de positionnement hexapode tout-composite, utilisant des rotules en plastique renforcé de fibre de carbone (PRFC) produites par Corebon AB (Malmö, Suède).

« L'idée initiale était de redessiner des rotules métalliques pour qu'elles aient moins de jeu », rappelle Tobias Björnhov, PDG de Corebon. Il explique que les rotules et roulements de l'entreprise, dotés de boîtiers en PRFC, présentent un jeu quasi nul, ce qui signifie qu'il n'y a aucun espace ou jeu entre les pièces, « donc l'articulation est rigide avant même d'appliquer une charge ». Ordinairement, « si vous changez la direction de la force dans un roulement, il peut bouger », souligne-t-il, mais affirme : « Nos structures ne bougent pas, car elles sont précontraintes et très rigides. »

Du renforcement métallique au tout-composite

Corebon a commencé par renforcer des boîtiers de rotules métalliques avec du PRFC, ceux-ci étant également précontraints par ajustement par retrait à chaud du boîtier PRFC sur la bille métallique (aidés par la différence de coefficient de dilatation thermique). « C'était bon », dit Björnhov, « mais coûteux à fabriquer. » Corebon a alors développé un boîtier de rotule tout-PRFC, remplaçant plusieurs pièces métalliques usinées de précision qui doivent être parfaitement assemblées autour de la bille par un seul moulage PRFC. Le moulage et la précontrainte de l'assemblage en deux parties (la bille reste métallique) sont réalisés en une seule étape, grâce à une technologie propriétaire.

Corebon fabrique également des paliers lisses et d'autres paires cinématiques — c'est-à-dire deux objets connectés qui imposent des contraintes à leur mouvement relatif, comme un piston dans un cylindre, rotules et roulements — ainsi que des pièces pour robots, comme les dômes PRFC illustrés. Björnhov explique que ce dôme constitue le poignet robotique de l'effecteur final, « où vous fixeriez un moteur/broche pour un outil d'usinage ou une tête de dépose de ruban, etc. » Il note que de futures itérations de ces dômes pourraient également servir de nœuds dans les grandes fixations « araignée » légères pour l'assemblage, telles que celles fabriquées par TETRAFIX AB (Kungälv, Suède) et les Structures Légères de Prodtex. « Nos premières applications ont été dans des robots où une haute précision est requise. En réduisant le poids des effecteurs finaux, nous augmentons la précision et la vitesse. » De combien de réduction de poids ? « De 27 kg à 5,5 kg pour la structure poignet/porte-outil robotique », répond Björnhov.

Haute teneur en fibres et conductivité

Bien que le dôme PRFC soit noyauté avec de la mousse structurale polyméthacrylimide ROHACELL d'Evonik Corporation (Darmstadt, Allemagne), Corebon obtient également une résistance et une rigidité spécifiques élevées en maximisant la teneur en fibres. « Nous atteignons un taux de fibres en volume très élevé — jusqu'à 80 % — ce qui est proche du maximum théorique possible », note Björnhov. Cela est non seulement surprenant, mais a aussi des implications intrigantes. « Les fibres se touchent réellement », explique-t-il, « donc nous obtenons une conductivité thermique et électrique élevée, non seulement dans le plan mais aussi dans la direction z. »

Chauffage inductif volumétrique breveté

Le procédé de fabrication qui permet cela, désormais couvert par une série de brevets, découle d'efforts pour améliorer le moulage par transfert de résine (RTM) et le contrôle de l'injection et du chauffage de la résine. « Nous injectons la résine, non seulement pour le RTM mais aussi pour le moulage par compression et l'enroulement filamentaire », souligne Björnhov. « La clé est que nous chauffons de l'intérieur du composite, donc nous contrôlons la chaleur volumétriquement », note-t-il, ajoutant : « Cela n'est lié à aucun type spécifique de matrice. »

La clé réside dans la technologie de chauffage par induction. Mais Björnhov explique que celle de Corebon diffère des autres procédés composites par induction, « tant dans les inducteurs que nous utilisons que dans la façon dont nous contrôlons le champ électromagnétique. » Le chauffage 3D instantané et uniforme qui en résulte peut s'appliquer à presque tous les procédés PRFC, y compris le durcissement de préimprégnés et la pultrusion. Il offrirait des temps de cycle 10 fois plus rapides que les procédés composites conventionnels, réduirait les coûts énergétiques jusqu'à 95 % et utiliserait des moules 20 fois plus légers que l'acier. Corebon concède sa technologie sous licence et a déjà des partenariats avec des entreprises japonaises, dont Sumitomo Corp. (Tokyo, Japon).

« Maintenant, nous regardons d'autres applications, comme les suspensions automobiles et les composants aéronautiques nécessitant des paires cinématiques à haute précision et rigidité », dit Björnhov. Corebon se prépare également à l'échelle industrielle requise par ces secteurs, avec plusieurs projets en cours pour démontrer sa capacité de production à haut volume.