AOC, Zoltek, Astar innovent le CF-SMC haute performance pour pièces automobiles industrielles

Projet TUCANA : nouveau SMC carbone Daron polyuréthane pour pièces structurelles auto à haut volume

Dans le cadre du projet de recherche financé par le gouvernement britannique TUCANA, AOC AG (Schaffhausen, Suisse), avec Astar (Biscaye, Espagne), a développé un nouveau compound de moulage en feuille (SMC) basé sur la technologie hybride polyuréthane Daron, qui permet la production de pièces moulées en fibre de carbone hachée à l'échelle industrielle avec la performance mécanique du CF-SMC résine époxy, et la facilité de fabrication du SMC résine polyester insaturé (UPR) et résine vinylester (VER). Ensemble, le CF-SMC soutient le développement de pièces automobiles structurelles à faible densité, capacité E-coat et faibles émissions, tout en conservant la flexibilité de conception typique des composites. Il sera également utilisé en combinaison avec la fibre split-tow à coût réduit de Zoltek (St. Louis, Missouri, États-Unis).

Défis des résines traditionnelles pour SMC carbone

« Ces dernières années, de nouveaux matériaux SMC basés sur la fibre de carbone sont devenus commercialement disponibles et sont maintenant appliqués à pleine échelle industrielle pour produire des pièces structurelles ultralégères qui surpassent leurs équivalents en aluminium et acier », explique Ron Verleg, scientifique senior R&D chez AOC. « Plusieurs systèmes de résines thermodurcissables peuvent être utilisés avec le procédé SMC, chacun ayant ses avantages et inconvénients spécifiques. »

Les UPR sont les résines de base pour les applications SMC, note AOC, offrant de bonnes propriétés mécaniques, acceptant de forts chargements de charges (réduisant le coût du composé) et s'écoulant bien dans la cavité du moule. Pourtant, lorsqu'utilisées avec des fibres de carbone, le mouillage incomplet et le faible niveau d'adhérence de l'UPR sur la surface de la fibre de carbone résultent en pièces moulées aux faibles propriétés mécaniques.

Alternativement, les VER sont principalement utilisés pour obtenir des propriétés mécaniques plus élevées dans la pièce moulée en fibre de carbone, bien que l'épaississement des VER au niveau requis pour le moulage SMC soit un défi, et la viscosité tende à être trop élevée pour imprégner pleinement les filaments fins de fibre de carbone, surtout lorsque des fractions volumiques de fibres plus élevées sont requises.

En outre, les résines époxy (EPR) ont également été affinées pour permettre d'atteindre des propriétés mécaniques élevées dans les pièces SMC. Cependant, il a été difficile d'exécuter ce processus de manière compétitive en coûts dans des applications à haut volume, dit AOC. Le principal inconvénient des systèmes SMC EPR est un processus d'imprégnation, de maturation et de moulage difficile nécessitant plusieurs étapes de température chronophages.

Solution Daron SMC : stockage long, flux optimisé, faibles émissions

Pour résoudre ces problèmes, AOC a développé sa technologie Daron SMC, qui offre des avantages tels que : temps de stockage prolongé pour le composé (jusqu'à six mois à température ambiante), et flux optimisé en moulage par compression (remplissage complet de la cavité du moule, y compris inserts et nervures), résultant en un module de traction de 43 GPa et une résistance à la traction supérieure à 300 MPa. Le Daron SMC comporte également une technologie de piégeage du styrène qui résulte en une polymérisation radicalaire optimale, menant à des émissions organiques volatiles extrêmement faibles (bien en dessous du seuil de 100 µg/g fixé pour les applications intérieures).

« En raison de la nature à faible viscosité des résines Daron, les faisceaux de filaments fins de la fibre de carbone peuvent être imprégnés extrêmement bien jusqu'à de hautes fractions volumiques », dit Verleg. « De plus, la technologie Daron SMC conduit à une interaction physique et chimique idéale entre la matrice de résine durcie et la fibre de carbone. »

Fibre split-tow Zoltek : réduction des coûts

Pour aider à éliminer la nature prohibitrice des coûts du CF-SMC dans l'industrie des composites, le fabricant de fibre de carbone Zoltek a également développé une fibre de carbone split-tow 50K à coût réduit qui peut s'ouvrir pendant le processus de compoundage SMC, tout en offrant une performance de fibre de carbone à petit tow (environ 3K).

Ces deux technologies — la technologie de fibre split-tow de Zoltek et la technologie Daron SMC d'AOC — ont été développées sous le projet TUCANA, dirigé par Jaguar Land Rover (Whitley, Royaume-Uni), qui rassemble un consortium de partenaires académiques et industriels dans le but de fournir des structures de véhicules plus rigides et plus légères pour booster la performance des véhicules électrifiés (VE). Le projet TUCANA s'attend à livrer cette vision en permettant des solutions composites en fibre de carbone rentables et évolutives, y compris le CF-SMC, qui a jusqu'à présent respecté toutes les spécifications du projet, y compris la résistance mécanique et la moulabilité ; les panneaux CF-SMC passés par la chaîne de peinture de la ligne de production ont également prouvé que le SMC basé sur le système de résine Daron ne montre aucune délamination lorsqu'il est traité avec des paramètres de moulage définis.

« En plus de son utilisation pour la production de pièces structurelles intérieures automobiles, "les applications potentielles supplémentaires de ce nouveau CF-SMC haute performance incluent des pièces chargées dynamiquement telles que les sous-châssis moteur et les fusées de direction", conclut Luuk Groenewoud, responsable de projets stratégiques chez AOC. "Cela fait du système de matériaux une solution hautement souhaitable pour la future production en série à haut volume dans les applications automobiles." »