Composants hybrides surmoulés révolutionnent les marchés composites

Complexité et résistance. Des composants comme le support B pour bacs de rangement avion présentent à la fois haute complexité et exigence de haute résistance — combinaison pour laquelle la technique de surmoulage hybride est particulièrement adaptée. Source, toutes images | TxV Aero Composites

Souvent sur le marché aérospatial, un OEM accepte de payer plus pour un composant composite, sachant que l'investissement rapportera des dividendes en économies carburant grâce au poids léger, durée de vie plus longue par moins d'usure, ou autres réductions coûts opérationnels et maintenance. Cette vision « cycle de vie produit » a ouvert de nombreux marchés et applications aux composites. Plus inhabituel est un composant composite dont le coût d'acquisition est lui-même inférieur à la version métal. Mais cela change. Certains nouveaux procédés de fabrication composites automatisés commencent à faire pencher la balance en faveur des composites, et parmi eux un procédé de surmoulage hybride développé par TxV Aero Composites (Bristol, R.I., États-Unis).

Joint venture de Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, R.I., États-Unis) et Victrex (Thornton Cleveleys, Royaume-Uni), TxV a fait progresser sa technique de surmoulage hybride au stade de production commerciale. L'entreprise a partneré avec SFS intec Aircraft Components (Althengstett, Allemagne) pour redessiner et produire commercialement un support de bac de rangement avion auparavant en aluminium aérospatial. Une success story en soi, le support démontre aussi le potentiel du surmoulage hybride et du ruban VICTREX AE 250 fibre de carbone unidirectionnelle/polyaryléthercétone (PAEK) pour économies poids et coûts significatives dans de nombreuses applications aérospatiales — avantages obtenus en remplaçant un procédé d'usinage métal soustractif par un procédé composites où le matériau est ajouté, non soustrait.

De la soustraction à l'addition

Les machinistes et ateliers produisant pièces métal sur CNC se surnomment « fabricants de copeaux », pour la raison évidente que leurs procédés enlèvent le matériau inutile des bruts métal pour faire composants, créant copeaux métal. Ces copeaux représentent un aspect coûteux de l'usinage métal, qu'ils soient éliminés, envoyés au recyclage ou retraités en interne. Pour le support de bac de rangement SFS intec, 60 à 70 % de l'aluminium devient copeaux lors des plusieurs étapes de fraisage requises.

Ce taux de copeaux élevé rend le coût matière première pour une version composite forme nette ou quasi-nette du support potentiellement inférieur au coût matière métal. « On peut concurrencer l'aluminium moins cher (par livre) grâce aux copeaux ; si le ratio achat-vol est 8:1, la plupart de l'aluminium acheté devient copeaux », note Jonathan Sourkes, directeur comptes seniors TxV. « Un autre facteur : le temps que chaque pièce passe en fraisage. Nous faisons des pièces [composites] en minutes, pas heures. »

Au-delà coûts matière, versions composites de composants comme le support — géométrie complexe et performance portante élevée requise — n'ont pas été économiquement faisables avec options de fabrication historiquement disponibles. D'un côté, si faits avec renfort fibres hachées bas coût en procédé haute vitesse faible contact comme injection moulage, la pièce n'atteindrait pas performance portante suffisante. De l'autre, si fait avec renfort fibres continues haute performance via procédé basse vitesse fort contact, typiquement avec drapage manuel, production trop lente et/ou coûts fabrication rendant produit final trop cher.

Face à ces obstacles pour nouvelles applications composites de ce type, l'industrie composites dans son ensemble a consacré ressources significatives à développer procédés automatisés produisant tels composants à cadences production adaptées et capacité portante suffisante pour besoins et specs clients aérospatiaux. Dans l'optique production commerciale de tels composants composites, TxV est né en 2017 spécifiquement pour accélérer l'adoption commerciale de procédés fabrication innovants pour applications composites base polycétone dans l'aérospatiale.

Prototypage virtuel

En utilisant données propriétaires développées pour caractériser la relation stratifié/surmoulage, TxV a itéré les stratifiés et orientations plis sans avoir à fabriquer et tester prototype physique. Itérations continuent jusqu'à ce que contraintes visibles, comme illustré ici, soient dans la gamme des cas de charge fournis.

La solution hybride surmoulée de TxV incorpore deux avancées clés de l'état de l'art en fabrication composants composites. Premièrement, elle automatise la production des parties du composant requérant la résistance ou rigidité du renfort fibres continues. Deuxièmement, elle exploite la vitesse de l'injection moulage pour compléter les géométries complexes du composant. Plus spécifiquement, elle produit un stratifié sur-mesure pour gérer les charges, qui est ensuite surmoulé pour fonctionnaliser et créer géométries pièce finale. La technique hybride, selon Sascha Costabel, responsable innovation chez SFS intec Aircraft Components, « est une bonne option pour composants devant résister à hauts niveaux contrainte mécanique et géométries nécessitant multiples étapes de traitement où usinage conventionnel est utilisé. »

Le partenariat avec SFS intec a été un excellent choix, dit Sourkes. « En tant que leader mondial attaches systèmes, SFS fait toujours quelque chose de vraiment intéressant. Ils sont très innovants et prêts à investir dans nouvelles technologies », note-t-il. SFS intec a aussi une forte relation avec ses clients avion, ajoute-t-il, et possède la capacité de mener processus qualification — clé pour adoption industrie aérospatiale d'un composant redessiné.

Le support de bac de rangement avion, spécifiquement appelé « support B », a été choisi comme premier composant attache pour redesign composites car représentatif de composants difficiles à concevoir et produire. Après ingénierie collaborative, conceptualisation pièce et design, et modélisation performance via outil éléments finis (FEA) Altair (Troy, Mich., États-Unis), l'équipe projet a itéré du premier article pour valider, tester et prouver le modèle. Le design pour fabrication était central au développement du support composite, exploitant avantages fabrication du dépôt ruban automatisé pour éléments renfort fibres continues et injection moulage haute vitesse pour éléments renfort fibres hachées.

Fabriquer supports B

Un aspect clé du procédé surmoulage hybride est l'utilisation de polymères distincts de même classe. Le PAEK sert de résine matrice pour les portions composite fibres continues du support, tandis que le polyétheréthercétone (PEEK) est utilisé dans zones surmoulées. VICTREX PAEK et PEEK offrent résistance fatigue, chimique et corrosion supérieure ; excellente résistance fumée, flamme et toxicité ; formabilité rapide ; et soudabilité. VICTREX AE 250, un PAEK bas point de fusion (LM PAEK), offre température fusion 40 °C inférieure au PEEK. « Quand PEEK fondu coule sur surface du composite LM PAEK, la température fusion plus basse permet attache forte », explique Sourkes.

Matières premières spécifiques pour support B : ruban VICTREX AE 250 fibre de carbone unidirectionnelle renforcée PAEK (58 % fibre carbone) largeurs 2 pouces ; et VICTREX PEEK 150CA30 court fibres carbone (30 % fibre carbone). Ces matériaux alimentent les cellules production surmoulage hybride créant les supports par processus multi-étapes suivant.

Étape 1.

Un système de dépôt ruban automatisé Dieffenbacher Fiberforge 2000 produit des préformes stratifiées sur-mesure.

D'abord, les rubans fibre carbone/PAEK sont déposés dans un préformé sur-mesure avec un système de dépôt ruban Dieffenbacher (Eppingen, Allemagne) Fiberforge 2000. « Cette machine est actuellement un des systèmes dépôt ruban les plus rapides au monde », atteste Sourkes. Elle est équipée de robots pour charger et recharger bobines ruban, pour tourner sans interruption, minimisant temps contact manuel. Le drapage est conçu pour minimiser espaces entre rubans. Chaque pli du préformé support B est inspecté avant le suivant. Le processus se fait en zone à environnement contrôlé pour minimiser objets/débris étrangers (FOD).

Les préformes stratifiées sont ensuite consolidées dans une cellule automatisée sur-mesure nécessitant manipulation manuelle minimale pour charger/décharger les stratifiés. Dans la cellule, plateaux chauffants assortis pressent-consolidant un panneau, éliminant vides. Plateaux froids assortis refroidissent ensuite le panneau. Les deux jeux de plateaux, maintenus en température, sont bien plus efficaces qu'une presse statique avec un jeu. « Le résultat est un temps de cycle drastiquement réduit mesuré en minutes vs heures », dit Sourkes.

Étape 2.

Les préformes stratifiées sont consolidées dans une cellule automatisée de consolidation sur-mesure, avec deux jeux de plateaux maintenus en température (un chaud, un froid) pour accélérer cette étape.

Les préformes stratifiées consolidées sont ensuite traitées dans une cellule de travail propriétaire pour former la forme primaire du support (Étape 3). Les inserts fibre carbone/PAEK finaux sont ensuite découpés des préformes formées par découpe jet d'eau Flow International (Kent, Wash., États-Unis) (Étape 4).

Étape 3.

Une cellule de travail propriétaire forme la forme primaire du support.

Pour déterminer la taille du préformé sur-mesure, Sourkes souligne qu'un arbitrage doit être délibéré pour chaque projet. « On peut dimensionner le stratifié pour en sortir trois ou quatre rectangles d'un seul préformé carré. En drapant le plus grand préformé possible, puis le découpant en préformes, on maximise le ratio achat-vol ; mais découper les préformes signifie plus de temps pour opérations découpe jet d'eau. » Dans le projet support B, chaque stratifié consolidé est découpé en plusieurs préformes.

Vient l'étape surmoulage, réalisée sur presse injection haute température Engel (Schwertberg, Autriche) (Étape 5). Les inserts sont placés dans une cavité d'injection moulage remplie de PEEK fondu. Les inserts sont placés dans une cavité d'injection moulage remplie de PEEK fondu, qui fond la couche supérieure des stratifiés VICTREX AE 250 pour créer un composant lié par fusion forte.

Quand requis, un composant est fini par usinage à forme nette. « Bien que notre but soit mouler quasi-forme nette », admet Sourkes, « souvent un niveau minimal d'usinage est requis après pour nettoyer géométrie process. » Usinage peut être jet d'eau ou CNC.

Résultats révolutionnaires

Étape 4.

Un découpeur jet d'eau Flow International découpe les inserts fibre carbone/PAEK des préformes formées. Deux inserts utilisés par support.

Dans la fabrication du support SFS intec, le procédé surmoulage hybride TxV atteint temps de cycle 3 minutes, ratio achat-vol 1,06:1. « C'est l'utilisation efficace matériaux et procédé fabrication rapide qui permet de produire pièces composites thermoplastiques à valeur ajoutée, et rend possibles réductions coûts système vs designs métal en place », insiste Sourkes. « Effectivement on remplace matière première moins chère avec ratio achat-vol haut et temps traitement significatif par solution matériau hautement ingénierée. » Résultat : économies poids 30-40 % et coûts 20-30 % en remplacement à l'identique, c'est-à-dire pièce suivant mêmes specs géométriques et opérationnelles que composant existant. « Économies poids particulièrement peuvent atteindre 60 % quand on a l'opportunité de completely redesign un système pièce », note-t-il.

Étape 5.

Une presse injection Engel optimisée PEEK surmoulage hybride complète la pièce composite par surmoulage des inserts.

Le support fibre carbone/PAEK/PEEK a aussi consolidé le nombre pièces : TxV et SFS ont convenu d'injection surmouler un nez écarteur sur le bas de la pièce dans la même opération pour fonctionnaliser et ajouter autres caractéristiques. Précédemment, le nez écarteur était en PEEK et maintenu par deux rivets. La consolidation résulte donc en nombre pièces réduit et élimination d'une étape assemblage.

L'expertise des deux entreprises ayant lancé TxV a indubitablement permis le succès du surmoulage hybride. Sourkes explique qu'après développement matériau PAEK et technologie procédés, Victrex a d'abord exploré opportunités avec partenaires existants. « Cependant, entreprises expertise injection moulage n'avaient pas expertise composites fibres continues, et vice versa. » Victrex et Tri-Mack ont partneré plusieurs années avant former TxV en 2017 et construire le centre d'excellence composites polycétone dédié, hautement automatisé et conçu pour production série haut débit.

Demandé de comparer procédé TxV et résultats avec approche fabrication conventionnelle, Sourkes note que le support B ne se prête pas aux approches composites standard. « Ce serait très difficile sans usiner le support depuis un bloc composite — ce qui serait prohibiteur en coûts », dit-il.

Étape 6.

Le support B final est produit avec temps cycle 3 minutes, ratio achat-vol 1,06:1, économies poids 30-40 %.

Qualifier puis voler

Profitant de la capacité de SFS intec à mener qualification, les deux entreprises ont procédé certification par « point design », signifiant que seule cette géométrie pièce particulière obtient approbation vol. Pièces produites et soumises aux tests du document qualification. « Donné que la pièce est support bac rangement, charges opérationnelles sont assez facilement atteintes », note Sourkes. « Cependant, exigences performance vont au-delà charges typiques et doivent couvrir manœuvres décollage/atterrissage extrêmes. » Au moment où CW va sous presse, le dossier qualification a été soumis et attend validation finale du gardien specs. TxV et SFS intec attendent la pièce volante début 2020.

Une fois le support B qualifié, TxV montera en volumes production. Bien que l'entreprise utilise sa ligne surmoulage hybride existante pour produire ces supports, Sourkes insiste que l'entreprise a un double mandat — à la fois faire pièces avec la technologie et soutenir fabricants industrie intéressés à adopter la technologie eux-mêmes. Autrement dit, fabricants composites peuvent adopter ce procédé fabrication dans leurs propres installations.

Supports composites comme le produit SFS intec ont potentiel de prendre une part significative du marché pour ce type composants. L'aviation commerciale utilise des milliers de supports et attaches systèmes, représentant contributions coût et poids significatives à l'avion global. « Nous sommes convaincus que composants composites thermoplastiques joueront un rôle de plus en plus grand dans fabrication avions », anticipe Costabel.