Composés à fibres de carbone courtes : extension des applications des composites thermoplastiques

Une famille de composés thermoplastiques renforcés de fibres de carbone courtes (CFRTP) spécifiquement formulés pour le moulage par injection est utilisée pour étendre les capacités des composites thermoplastiques dans une variété de tailles et complexités de pièces. Fait intéressant, ces matériaux ont démontré qu'ils surpassent les composites thermoplastiques à fibres longues (LFT) (en fibre de verre ou carbone) ainsi que les métaux dans une gamme croissante d'applications – des articles de sport et pièces automobiles aux dispositifs médicaux et composants aérospatiaux.

Du mouleur au compoundeur

Les matériaux sont formulés et vendus par Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokyo, Japon). MCAM combine plusieurs activités précédemment distinctes acquises par la maison mère au cours de la dernière décennie. Celles-ci incluent l'ancien Quadrant AG (Lenzburg, Suisse), producteur de composites GMT (thermoplastique à nappe de verre) et organosheet ainsi que de profilés thermoplastiques usinés, et ce qui était Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, États-Unis), qui a débuté comme mouleur par injection et producteur de pièces usinées de précision, avant de s'étendre au compoundage CFRTP sur mesure – d'abord pour son propre usage, puis pour d'autres mouleurs.

Vers 2012, Piper était un mouleur par injection sur mesure de taille moyenne servant une clientèle dans l'aérospatial et les articles de sport/équipements récréatifs. La direction voulait développer son activité de fabrication de pièces mais faisait face à deux défis. Premièrement, elle avait des difficultés à s'approvisionner en composés permettant à l'équipe de concurrencer sur des segments de marché à plus haute performance. Deuxièmement, l'entreprise voulait entrer sur le marché automobile, mais n'avait pas assez de capacité de moulage disponible pour concurrencer sur les gros programmes.

Le premier problème a été résolu en appliquant un effort R&D ciblé sur diverses résines de base et technologies de traitement des fibres, ce qui a conduit au développement d'une famille de composés CFRTP moulables par injection à haute performance appelée KyronMAX. Ces matériaux présentent des matrices telles que polyamide 6/6 (PA6/6), polyphthalamide (PPA), polyétherimide (PEI), polysulfure de phénylène (PPS), polyétheréthercétone (PEEK) et polyaryléthercétone (PAEK) renforcées de fibres de carbone courtes hachées. Les composés – dont la plupart offrent une haute performance thermique, une large résistance chimique, de bonnes propriétés mécaniques et de faibles valeurs d'inflammabilité/fumée/toxicité (FST) – ont été formulés non seulement pour remplacer les grades de moulage par injection renforcés de fibres de verre courtes et charges minérales, mais aussi les composés LFT (avec longueur de fibre initiale moyenne de 13 mm) et même les métaux.

« Sur une fiche technique, les composés LFT paraissent plus résistants, mais souvent ils sont incapables de remplir les géométries de pièces que nous pouvons remplir avec la technologie fibres de carbone courtes », explique Alex Wojtysiak, responsable comptes clés composites chez MCAM. « Parce que notre écoulement est bien plus élevé, nous sommes mieux à même de remplir les géométries complexes, donc nos composés produisent des pièces dramatiquement plus résistantes. »

« Ce n'est pas tant que nous nous sommes fixés pour but de créer une large gamme de composés CFRTP, mais chacun a été développé pour répondre aux besoins spécifiques d'un client particulier », ajoute Clint Newell, responsable technologie composites mondial chez MCAM. « Au fur et à mesure que nos capacités de formulation grandissaient, nous entrions sur de nouveaux marchés, rencontrions de nouveaux clients, demandions ce dont ils avaient besoin et nous mettions à créer le composé parfait pour répondre à ces besoins. »

Sans surprise, puisque ces composés ont été initialement formulés par un mouleur pour un mouleur, ils ont été conçus pour fournir des propriétés facilitant leur mise en œuvre et produisant de manière constante des pièces de meilleure qualité et plus performantes. « Nous avons formulé notre gamme KyronMAX pour offrir un écoulement plus élevé et une interaction fibre-résine, des contraintes internes plus faibles, moins d'anisotropie, des lignes de soudure plus fortes, moins de marques de retrait, moins de tendance au gauchissement et une plus grande précision dimensionnelle – que les sections de paroi soient épaisses ou fines », note Dave Wilkinson, directeur R&D chez MCAM. « En plus de notre travail de formulation et technologie de traitement unique, nous avons également apporté nos propres modifications de presse pour faire tourner ces matériaux plus efficacement. »

Pourquoi ce nom de produit inhabituel ? « Dans les mythes grecs anciens, Kyron (aussi orthographié Chiron) était mi-centaure mi-humain », explique Randy White, directeur de l'innovation chez MCAM. « Kyron a utilisé ses compétences personnelles uniques pour s'élever au-dessus de sa nature bestiale. Nous avons liké cela à nos composés, qui sont mi-fibre de carbone mi-résine, donc forts comme un cheval et intelligents comme un humain pour la facilité de mise en œuvre. »

Au fur et à mesure que l'expertise de formulation grandissait, l'entreprise a attiré l'attention du Groupe Mitsubishi Chemical Holdings (MCHC, Tokyo, Japon), qui a acquis Piper en 2016. MCHC a immédiatement investi plusieurs millions de dollars pour augmenter la taille de la ligne de compoundage en Arizona, automatiser les opérations et apporter ses propres technologies de traitement et hachage de fibres de carbone pour permettre la production des composés KyronMAX plus rapidement et avec plus de constance et d'efficacité. Par la suite, une deuxième ligne de compoundage a été installée dans le Michigan et une troisième au Japon. Cette capacité élargie a permis aux grades KyronMAX de concurrencer pour l'activité automobile en Amérique du Nord et en Asie. D'autres marchés ont suivi.

Offre de produits élargie, nouvelles opportunités de marché

Désormais, avec une plus grande capacité de production et l'accès à une gamme plus large de polymères et matériaux en fibres de carbone, l'équipe MCAM a été occupée à développer une série de nouveaux produits – plusieurs spécialement formulés pour le marché automobile. L'un des plus intéressants est le KyronMAX ES 4240, présenté comme le premier composé de moulage par injection renforcé de fibres de carbone courtes au monde à franchir la barrière des 414 MPa (60 000 psi) de résistance à la traction. Ce grade, introduit à la conférence 2019 SPE Automotive Engineered Plastics (AutoEPCON) dans la banlieue de Detroit, est un PPA renforcé de 40% en poids de fibres de carbone qui offre également des valeurs de module de traction de 41,2 GPa, module de flexion de 34,5 GPa et résistance à la flexion de 552 MPa. Le PPA est une forme spécialisée de polyamide avec une meilleure résistance thermique et chimique plus large et une tendance bien moindre à l'hydrolyse que les PA6 et PA6/6 conventionnels.

D'autres grades automobiles introduits au SPE AutoEPCON 2019 incluent un grade PPA renforcé fibres de carbone haute température spécifiquement développé pour applications sous capot. Ce grade aurait une température de transition vitreuse (Tg) et une température d'utilisation continue (CUT) rivalisant avec celle du PEEK, mais est plus facile à mouler. Compte tenu de la sensibilité aux coûts des industries à haut volume comme l'automobile et le petit électroménager, il n'est pas surprenant d'apprendre que l'équipe travaille également sur un produit KyronMAX à base de polypropylène (PP).

À mesure que sa gamme de produits s'est élargie, les marchés dans lesquels ces matériaux sont utilisés se sont également développés. En plus de l'activité automobile tant désirée, l'entreprise dessert désormais le dispositif médical (durable et jetable), le petit électroménager et l'électronique grand public (boîtiers/couvercles de remplacement métal). L'aviation/aérospatial reste important, tout comme l'industrie des articles de sport, qui s'est développée pour inclure applications sur vélos de course, VTT, clubs de golf, armes à feu, arcs à poulies et autres pièces d'archerie. Avec plusieurs produits offrant des valeurs de coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) similaires à celles de l'aluminium et magnésium moulés par injection de métal (MIM) – mais avec une meilleure ténacité, un poids plus léger et un coût inférieur – l'équipe se trouve à remplacer les métaux dans une gamme croissante d'applications.

Perspectives d'avenir

Quelle est la suite ? Avec l'accès à l'organisation Mitsubishi au niveau mondial, l'équipe MCAM peut accéder à une technologie représentant un portefeuille composites plus large couvrant les chimies thermoplastiques et thermodurcissables, avec une gamme de types et longueurs de renforcement. Par exemple, un autre groupe Mitsubishi produit un composé de moulage forgé (FMC) renforcé de fibres de carbone tow fendues et hachées, une forme avancée de composé de moulage en feuille (SMC) qui comble l'écart de performance et de mise en œuvre entre SMC renforcé fibres de verre ou carbone courtes et préimprégné renforcé fibres de carbone continues. Un autre groupe produit des préimprégnés renforcés fibres de carbone tissées et non-tissées et des matériaux de moulage par compression de préimprégné à durcissement rapide (PCM).

Au sein de MCAM même, une autre technologie proche de la commercialisation est une nouvelle famille de préimprégnés secs renforcés textiles (non-tissés, tissés et unidirectionnels) à matrices thermoplastiques appelée KyronTEX. Ces produits sont actuellement échantillonnés stratégiquement.

Enfin, l'été dernier, MCAM a acquis carbonNXT GmbH et sa société sœur CFK Valley State Recycling GmbH & Co. KG (toutes deux à Wischhafen, Allemagne), apportant une gamme complète de technologie de recyclage de fibres de carbone dans l'offre de produits du groupe. L'équipe MCAM testerait plusieurs formules utilisant de la fibre de carbone recyclée avant de qualifier des produits commerciaux.