Moulage par injection robotisé avancé pour composants composites fonctionnalisés

Anybrid GmbH (Dresde, Allemagne) est une spin-off de l'Institut de Génie Léger et Technologie des Polymères (ILK) de la TU Dresden. L'ILK travaille avec l'industrie pour développer de nouvelles technologies légères, avec un focus sur les composites polymères renforcés. « Nous avons développé cette machine de moulage par injection robotisée il y a deux ans pour produire des composants hybrides », déclare Michael Stegelmann, directeur commercial chez Anybrid. Les composants hybrides font référence à la fonctionnalisation d'une structure — par exemple, un tube composite ou un châssis de véhicule électrique en métal — avec du plastique moulé par injection pour créer des points de fixation locaux, raidisseurs, etc.

Ce procédé, appelé surmoulage ou moulage par injection hybride, a gagné beaucoup d'attention ces 5-6 dernières années, mais sous une forme plus traditionnelle — moules en acier dans une presse de moulage avec unité d'injection attachée. Anybrid a essentiellement miniaturisé cette configuration dans l'effecteur final en forme de C rouge et noir montré sur le robot Kuka sur l'image ci-dessus et la vidéo ci-dessous. Le résultat est révolutionnaire, permettant de surmouler des pultrusions ou extrusions à leur sortie de la filière de moulage ou de fonctionnaliser de grandes structures au fur et à mesure qu'elles descendent une ligne d'assemblage.

ROBIN

ROBIN, acronyme de « robotized injection molding », a été présenté pour la première fois en 2019 au salon K à Düsseldorf, Allemagne. « Nous avons alors fondé l'entreprise l'an dernier et travaillons maintenant avec des clients pour établir des lignes de production pilotes avec l'équipement », dit Stegelmann. Le concept, explique-t-il, est de réduire la masse de la machine de moulage par injection en utilisant de petites unités d'injection et des outils de moulage compacts, peu coûteux, pouvant être échangés rapidement.

« L'effecteur final ROBIN comprend un cadre en C en composite fibre de carbone et à l'extérieur on voit un cadre en aluminium », explique Stegelmann. « Le cadre contient le système de verrouillage léger, qui gère jusqu'à 12 tonnes de forces de chargement pendant le moulage par injection, apportées du côté supérieur au côté inférieur du moule. » ROBIN peut aussi atteindre un porte-à-faux de 1 mètre sur de grandes structures. « C'est notre savoir-faire au sein de l'ILK — comment utiliser la fibre de carbone et matériaux légers de la bonne façon. »

L'approche traditionnelle du moulage par injection nécessite de grandes presses et des outils de moulage coûteux. Ainsi, elle a été limitée à la production de grandes séries/hauts volumes. En contraste, ROBIN permet la fabrication de petites séries ou de multiples moulages différents sur de plus grands composants. « Le principe est que nous avons une telle flexibilité dans les machines que nous pouvons fonctionnaliser presque n'importe quel matériau ou structure composite », note Stegelmann.

« Nous essayons de minimiser la taille des moules pour réduire les coûts, donc il faut juste quelques milliers d'euros pour construire le moule », explique Stegelmann. « Cela permet un système de changement rapide intégré car seule une petite zone de moule doit être changée. L'idée, par exemple, est que vous ayez une ligne d'assemblage avec la possibilité de changer rapidement le moule et faire une pièce différente des deux côtés de la ligne. Vous pouvez soit utiliser deux systèmes Robin, soit un système Robin et changer rapidement le moule. Donc, vous avez une grande flexibilité. »

Cette réduction de taille limite la zone qui peut être surmoulée. « Actuellement, nous sommes limités à 50-60 grammes pour le volume d'injection », dit Stegelmann. « Nous avons développé ROBIN pour peser seulement 140 kilogrammes, ce qui permet d'utiliser une automatisation plus petite, plus abordable. Nous nous concentrons maintenant sur la fonctionnalisation de tubes et profils et l'ajout d'éléments plus petits à de plus grandes structures. »

Obtenir une bonne liaison en surmoulage

« C'est en fait notre background », dit Stegelmann, se référant aux quatre cofondateurs d'Anybrid. « Nous l'avons fait dans beaucoup de projets ces 10 ou 15 dernières années, combinant différents matériaux et trouvant la bonne liaison, j'ai fait ma thèse sur les procédés d'extrusion, et c'est toujours un défi quand on combine différents matériaux. Vous avez toujours besoin de quelque préparation additionnelle pour la liaison comme traitement plasma ou laser, pour modifier la structure de surface, surtout quand on lie du plastique ou plastique renforcé sur métal. Les composites sont un peu plus faciles, car on peut faire correspondre la matrice polymère du matériau de moulage par injection et du substrat. »

Par exemple, dans le tube surmoulé montré ci-dessous, Mitsui Chemicals Europe (Düsseldorf, Allemagne) a fourni les bandes unidirectionnelles (UD) polypropylène (PP) renforcées fibres de carbone et INOMETA (Herford, Allemagne) les a utilisées pour produire des tubes composites, qu'Anybrid a ensuite surmoulés. « La fonctionnalisation était le même matériau que celui dont les tubes sont faits », dit Stegelmann. « Nous l'avons surmoulé avec du PP non renforcé et du PP renforcé fibres de carbone, mais aussi avec des renforts fibres de verre. Avec ROBIN, vous pouvez fabriquer avec n'importe quel matériau thermoplastique sur le marché. »

C'est pourquoi Anybrid assiste ses clients avec des tests. « Nous avons des clients qui ne sont pas sûrs si leurs matériaux vont se lier entre eux », note Stegelmann. « On leur demande de nous envoyer un peu du matériau et on fait alors de petites structures simples pour tester. On a un petit moule pour raidisseur qu'on peut moulé par injection sur différentes plaques. Par exemple, si le client nous envoie des échantillons de plaques composites, on peut surmouler dessus avec leurs matériaux de moulage par injection. C'est la première étape, qu'on a une étude de faisabilité du comportement de liaison des différents matériaux. Après, on peut faire des analyses et proposer des suggestions d'optimisation. »

Applications potentielles

« Nous explorons encore les applications, mais nous travaillons initialement avec des tubes et profils », dit Stegelmann. « Une de nos idées est d'apporter séquentiellement différentes structures sur ces formes continues, potentiellement très longues », dit Stegelmann. « Donc, des éléments peuvent être appliqués directement sur des tubes. De tels concepts sont déjà utilisés par INOMETA et Herone (Dresde, Allemagne) pour intégrer des systèmes de connexion axiaux et engrenages à emboîtement. Cela pourrait aussi être intéressant dans l'industrie aéronautique, où vous avez besoin de divers renforcements de rigidité et peut-être voulez ajouter des fonctions comme des fixations. Aussi, vous pouvez avoir un longeron ou une cloison, par exemple, mais beaucoup de variations en longueur. Avec notre technologie, il y a la possibilité de maintenir un haut niveau d'automatisation et de ne varier que les éléments que vous fonctionnalisez d'une pièce à l'autre. »

« Il y a aussi du potentiel avec de gros composants », dit Stegelmann. « En travaillant à l'ILK ces dernières années, nous avons développé beaucoup de composants hybrides différents utilisant acier, plastique et composites. On a vu que des clips surmoulés sur cadres structurels et châssis ont du sens pour l'assemblage. Et avec le passage aux véhicules électriques et systèmes hydrogène, on voit qu'il est important de rendre les lignes d'assemblage et processus aussi flexibles que possible, pour se préparer à une variété de composants différents qui pourront être nécessaires à l'avenir. Avec ROBIN, vous pouvez facilement ajuster des renforcements locaux pour l'assemblage mais aussi pour la rigidité de la structure, par exemple. Cependant, nous voulons étendre cette capacité au-delà de l'automobile et l'aérospatial. Notre idée était de rendre cela plus abordable pour les petites entreprises et d'activer cette technologie hybride pour de plus petites quantités dans d'autres domaines et applications. »