Intégration sans couture de matériaux composites avec structures acier

Ce blog accompagne mon article de fond décembre 2019 « Lever les obstacles à l'allègement naval par composites », partageant plus de détails et visuels.

HYCONNECT GmbH (Hambourg, Allemagne) est une start-up fondée par le Dr Lars Molter, architecte naval et vétéran de 10 ans du Centre des Technologies Maritimes (CMT, Hambourg, Allemagne), centre R&D pour l'industrie maritime allemande. « Les entreprises allemandes construisant méga-yachts et navires de croisière ont toutes le même problème », dit Molter. « Leurs clients veulent ajouter plus d'équipements, un autre pont, plus d'isolation phonique et thermique ou nouvelles fonctionnalités design comme formes courbes et éclairage intégré. Même s'ils peuvent faire ces designs en aluminium ou acier, c'est très chronophage et coûteux. »

Les navires sont typiquement construits en blocs de composants acier soudés pour assemblage plus rapide, comme montré ici. Le système de joint FAUSST permet d'intégrer de grands panneaux muraux composites ou autres structures dans ces cadres acier par soudage, offrant construction légère avec méthodes de production navale actuelles.

Problèmes du collage dans structures hybrides

Molter et beaucoup d'autres voient les avantages des composites pour navires, mais actuellement les navires sont en acier. Beaucoup travaillent sur navires tout-composite, mais en attendant, il y a une opportunité significative de réduire poids et émissions avec divers composants composites. Un problème : comment les joindre au cadre acier du navire ? « Nous avons regardé le collage », explique-t-il, « mais il n'y a pas de design de joint standardisé utilisable sur tous navires et pas de règles générales pour appliquer le collage adhésif dans SOLAS. »

Les réglementations Safety Of Life At Sea (SOLAS), émises par l'Organisation Maritime Internationale (IMO, Londres, Royaume-Uni), exigeaient que navires commerciaux soient en acier jusqu'en 2002, quand MSC/Circ. 1002 a permis designs alternatifs. Ces alternatives nécessitent cependant une analyse de risque montrant que le design et construction alternatifs sont équivalents à l'acier — processus long, coûteux et sur mesure pour chaque navire.

« Nous avons demandé à DNV GL ce qu'ils approuveraient pour joints matériaux dissemblables », dit Molter. « Ils ont dit que structure primaire nécessiterait typiquement une fixation mécanique ; le collage pur ne serait pas certifié facilement sans fixations redondantes. » Ces problèmes de certification sur mesure et exigence autorités réglementaires pour fixations redondantes vs structures primaires purement collées sont identiquement présents dans l'aviation commerciale. « Aussi avec le collage, il faut contrôler l'environnement et le procédé », dit-il, notant que c'est difficile au milieu du soudage et découpage qui dominent la construction navale.

Joints FAUSST

Le CMT a répondu dans le projet FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) financé par l'Allemagne, qui a développé, en coopération avec Fritz Moll Textilwerke (Altshausen, Allemagne), un textile tricoté chaîne hybride transitionnant de 100 % fibres verre à 100 % fibres acier.

L'architecture du tissu est conçue pour que fibres acier et verre serpentent et se chevauchent, assurant transfert de charge par frottement et emboîtement aux points de croisement. Cette architecture équilibre aussi le tricoté pour emboîtement mécanique avec fibres unidirectionnelles pour porter la charge à travers le joint. Le tissu est produit sur machine à tricoter à commande électronique à vitesses jusqu'à 100 m/h.

L'étape suivante est d'attacher ceci à un connecteur métallique, plaque ou profilé creux. Les fibres acier sont soudées au connecteur par soudage par résistance (soudage par pression) avec grande électrode cuivre. Molter explique que c'est comme le point de soudage automobile mais adapté pour produire une couture longue continue. Ce procédé permet production efficace de connecteurs FAUSST avec une ou plusieurs couches de tissu via un procédé robuste et bien connu.

C'est ce que vend HYCONNECT : le tissu soudé à un connecteur acier. « Un chantier naval ou son fournisseur structures composites décide d'utiliser notre système de joint », explique Molter. « Ils spécifient la charge du joint et type de connecteur acier et nous concevons et produisons le joint FAUSST. C'est ce qu'on livre et ils l'infusent dans leurs structures composites et le chantier soude ensuite dans le cadre acier du navire. »

Gérer la différence de rigidité et CTE

Il y a une différence de rigidité entre fibres acier et verre dans le tissu hybride FAUSST. Molter explique que c'est atténué par la fabrication du tissu, « utilisant 5-7 plis où fils s'emboîtent, et on varie jusqu'où les fibres acier s'étendent dans le tissu verre. On ne veut pas de pics de transfert de charge. On peut modifier la rigidité en modifiant ces couches et leurs fibres constituantes, par exemple pourcentage et direction fibre verre, etc. » Des fibres ±45° additionnelles peuvent gérer contraintes de cisaillement plus hautes et aident à gérer les différents coefficients de dilatation thermique (CTE) entre connecteur acier et composite fibre verre. « On peut aussi concevoir pour charges plus hautes ou constructions spéciales en renforçant à travers l'épaisseur par fibres touffetées », explique Molter.

La différence d'épaisseur entre connecteur acier et plastique renforcé fibres (PRF) doit aussi être adressée. « L'axe neutre des deux matériaux doit être aligné », dit Molter. « Ceci est typiquement obtenu par usinage du bord du connecteur acier en biseau 30°, créant en effet un joint conique pour transfert de charge efficace vers le PRF. »

Développer un système de joint standardisé

Molter a quitté CMT et fondé HYCONNECT en 2018 pour commercialiser la technologie FAUSST. L'entreprise a travaillé avec divers partenaires industriels et autorités réglementaires pour tests et itérations designs joints. L'objectif : développer une « famille » de produits joints FAUSST. « Il y a une augmentation linéaire de la capacité portante en ajoutant couches de tissu FAUSST », explique Molter. « Un produit base pourrait être quatre couches FAUSST avec barre plate 1m soudée, rating pour certaine charge traction/flexion. Puis produits à gauche avec deux/trois couches pour charge inférieure, et à droite cinq/six couches pour charge supérieure. On finalise ces détails, mais l'objectif est un système standardisé, facile à utiliser. »

La caractérisation mécanique des produits joints FAUSST est encore en cours, mais Molter note qu'ils sont compétitifs avec joints collés. « Ils permettent aussi inspection 100 % par ultrasons ou rayons X de la soudure », ajoute-t-il. Prototypes en production pour clients sélectionnés et montée en charge 2020.

Parallèlement, HYCONNECT a aussi eu l'intérêt d'entreprises automobiles et fabricants pour applications rail. « Il y a potentiel pour utiliser cette technologie pour inserts métalliques et on voit aussi applications possibles en construction », dit Molter. « De plus en plus d'industries voient la valeur des structures hybrides et la possibilité de temps d'assemblage courts avec produits semi-finis pré-équipés. »