Le système de tissage automatisé de WEAV3D propulse la fabrication de composites haute performance et grand volume

Lever les obstacles à l'adoption massive des composites

L'un des obstacles de longue date à l'adoption généralisée des composites, notamment dans l'industrie automobile, est le besoin de production à grand volume et de coûts inférieurs à ce qui est faisable avec de nombreux types de procédés de fabrication de composites. La startup WEAV3D Inc. (Norcross, Géorgie, USA) cherche à résoudre ces problèmes avec ses structures de renfort en treillis composites thermoplastiques continus fabriquées dans un processus de tissage automatisé conçu pour être sans déchets, rentable et, selon WEAV3D, un facteur clé pour la production à grand volume.

Du concept à la commercialisation

Christopher Oberste, fondateur et PDG de WEAV3D Inc., a développé le concept initial de sa technologie lors de son doctorat en science et génie des matériaux au Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Atlanta) en 2014. Ses études en génie des polymères et fibres et un stage en alternance chez GKN Aerospace North America (Tallassee, Alabama, USA) ont suscité son intérêt pour les thermoplastiques et les procédés à grand volume comme le moulage par compression et les composites aéronautiques. Ce travail a conduit au développement de sa première itération d'un procédé de tissage automatisé à grande vitesse pour structures de renfort en treillis composites thermoplastiques. Avec l'aide et le soutien de son directeur de thèse, le Dr Ben Wang, Oberste a demandé et obtenu un financement pour développer et commercialiser son idée auprès de la Georgia Research Alliance et du programme Innovation Corps (NSF I-Corps) de la National Science Foundation.

Pendant les deux années suivantes, Oberste a travaillé avec des étudiants en MBA et en droit pour commercialiser la technologie via un programme collaboratif à Georgia Tech appelé TI:GER (Technological Innovation: Generating Economic Results). En 2017, avec un financement supplémentaire de Megawatt Ventures et d'un prix Clean Tech University Prize du Department of Energy américain, Oberste et le cofondateur Lewis Motion, ancien pilote d'hélicoptère de l'US Coast Guard, ont fondé WEAV3D Inc. ; aujourd'hui, l'entreprise emploie trois personnes à temps plein et quatre à temps partiel.

Un pivot stratégique vers l'automobile et la construction

Compte tenu des parcours d'Oberste et Motion dans l'aérospatial, le plan initial était de qualifier les matériaux composites thermoplastiques de WEAV3D comme structures de renfort dans des composants aéronautiques. Cependant, Oberste explique que dans le cadre de la subvention NSF I-Corps, lui et son équipe ont dû réaliser une série de 100 entretiens avec des clients industriels potentiels, ce qui les a amenés à changer de direction. « Nous avons fait beaucoup d'entretiens de découverte dans l'aérospatial... mais nous avons entendu maintes fois que la voie pour les startups entrant dans l'aérospatial, surtout avec un nouveau procédé de fabrication, est très difficile. Le temps d'adoption est vraiment long, et c'est très cher. Beaucoup d'entreprises meurent avant même d'atteindre le marché », explique-t-il.

Après avoir parlé à des entreprises d'autres secteurs, Oberste et son équipe ont décidé de recentrer leur focus sur les marchés de l'automobile et de la construction. Il dit : « Une fois que nous avons commencé à parler aux gens [de l'automobile], nous avons réalisé qu'il y avait un besoin très important non satisfait dans cet espace, dans le sens où les gens de l'automobile ont une demande pressante de réduction de poids, mais ils sont aussi sensibles au prix. Ils nous ont dit que la plupart des procédés de fabrication de composites conventionnels disponibles n'étaient pas en mesure de fournir le volume dont ils avaient besoin aux coûts qu'ils souhaitaient. » À partir de là, Oberste s'est attaché à faire évoluer sa technologie pour en faire une solution facilitant la production de pièces composites à grand volume et à faible coût.

Le concept « Rebar for Plastics »

Le résultat est le concept breveté Rebar for Plastics de WEAV3D. En utilisant un processus de tissage et de consolidation automatisé, WEAV3D fabrique des structures de treillis composites thermoplastiques à géométrie ajustable, conçues pour être facilement intégrées comme matériau de renfort dans une pièce en plastique ou en béton via moulage par compression, surmoulage par injection ou autres procédés courants à grand volume. Basé sur des modèles de simulation, Oberste affirme que cette approche permet la production de pièces automobiles avec des performances comparables à l'acier ou à la tôle d'aluminium mais plus légères et 30 à 75 % moins chères à produire que des pièces composites formées via organosheet, dépôt de ruban automatisé (ATL) ou stratification manuelle.

Le procédé WEAV3D

Le procédé WEAV3D commence avec des rubans unidirectionnels (UD) thermoplastiques standard. Oberste dit que le procédé peut gérer tout type de thermoplastique et de fibre de renfort : « Notre zone de prédilection pour la plupart des travaux que nous avons menés dans l'automobile et la construction est dans l'espace polypropylène [PP], polycarbonate [PC], téréphthalate de polyéthylène [PET] ou polyamide [PA]. Nous sommes très agnostiques en termes de fibres de renfort aussi, bien que les fibres de verre et de carbone soient bien sûr les plus populaires. » Il dit que l'équipe a également fait des travaux avec des rubans métalliques conducteurs et étudie des rubans avec fibres optiques intégrées.

La machine pilote à grande échelle de WEAV3D est standardisée pour traiter des rubans de 25 mm ou 1 pouce de large, bien qu'Oberste dise que la machine peut gérer des rubans aussi petits que 5 mm (0,2 pouce) de large avec l'utilisation d'adaptateurs, et des rubans plus larges avec re-outillage. Sur la machine actuelle, les treillis peuvent être produits jusqu'à 1,5 m de large (60 pouces), et jusqu'à cinq couches d'épaisseur, à toute longueur requise par l'application.

Le brevet de novembre 2017 de l'entreprise décrit le système WEAV3D comme « une machine pour fabriquer en continu un composite tissé avec une géométrie de tissu interne contrôlable ». Depuis des bobines chargées sur la machine, les rubans UD sont enfilés dans un ensemble de têtes de chaîne contrôlables indépendamment. Chaque tête contient plusieurs canaux de ruban, formant un espace de chaîne, un espace entre les rubans de chaîne pour que les rubans de trame y soient enfilés. Une pile d'inserteurs distribue des rubans unidirectionnels dans la direction de la trame à travers l'espace de chaîne pour former un tissage composite. Le treillis tissé est ensuite tiré sous une source de lumière infrarouge (IR) puis à travers des rouleaux de compression pour consolider et souder les couches de rubans ensemble aux points d'entrelacement. Selon les exigences du client, la structure résultante est fournie sous forme de feuille plate ou de rouleau, ou WEAV3D offre des services supplémentaires de découpe et de préformage.

Une flexibilité de conception inégalée

L'un des avantages les plus importants du procédé WEAV3D, selon Oberste, est le haut niveau de réglabilité de la structure de treillis pour différentes applications. Cela inclut le mélange de différents matériaux à différents emplacements, ainsi que l'ajustement de la densité, ou distance entre les rubans, de la structure de treillis. « Nous pouvons vraiment optimiser la structure de treillis pour les exigences du produit final tout en minimisant les coûts globaux. »

Une fois livrés au client, les treillis peuvent être intégrés dans des composants en béton polymère, ou moulés par compression, thermoformés ou surmoulés par injection pour former une pièce composite automobile finale. Le procédé WEAV3D peut également s'adapter à divers niveaux de complexité. Oberste explique que pour des pièces relativement simples, « ce treillis peut être combiné avec un processus de stratification puis thermoformé, juste comme une étape de co-formage. Pour des pièces modérément complexes, nous pouvons faire du co-formage ou du préformage en moulage par compression, que ce soit du moulage par compression thermoplastique ou SMC. Et pour les pièces très complexes, nous pouvons en fait préformer le treillis dans la forme dont il a besoin, le placer dans un outil et faire du surmoulage par injection sur cette pièce. »

« Le grand focus pour nous dans l'écosystème des composites est que nous changeons la donne pour la production à grand volume », ajoute-t-il. Le volume exact dépend de l'application, mais Oberste estime que pour des pièces de treillis dimensionnées pour renforcer des panneaux de porte automobiles, les machines de WEAV3D peuvent produire entre 200 000 et 500 000 unités par an.

De plus, le produit WEAV3D a également exhibé des propriétés mécaniques améliorées lors du renforcement d'une pièce composite ou plastique. « Combiner un treillis WEAV3D avec des plastiques à fibres courtes existants ou des composites à fibres longues peut augmenter significativement la résistance, la rigidité et la ténacité du produit résultant », dit Oberste, bien qu'il ajoute que le montant de l'augmentation varie largement selon les matériaux spécifiques utilisés et la conception d'une pièce particulière. « Dans certaines applications, cette performance accrue permet de réduire substantiellement l'épaisseur de la pièce ou les nervures, ce qui se traduit par une réduction de poids. »

Première application commerciale : tranchées en béton polymère renforcé

Pendant les premières années, le focus de la startup a été sur la production d'une méthode de fabrication et de matériaux adaptés à l'industrie automobile spécifiquement, bien qu'Oberste ait des idées sur la façon dont cette technologie pourrait être utilisée dans des composants intérieurs aéronautiques commerciaux, avions de défense sans pilote, rail, transport de fret et applications marines.

Pour sa première application commerciale annoncée en novembre 2020, cependant, WEAV3D a débuté avec le marché de la construction, en utilisant des renforts fibres de verre/PET pour un système de tranchées en béton polymère fabriqué par Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Géorgie, USA).

Le système de tranchées d'Oldcastle, utilisé pour le routage de câbles utilitaires en zones urbaines, gares ou usines industrielles, doit pouvoir supporter des charges de 16 000 livres de véhicules roulant par-dessus. Auparavant, la tranchée était renforcée avec des cages en fil d'acier soudées sur mesure incorporées dans le béton. Cependant, selon Oberste, ces cages en acier étaient à la fois coûteuses à fabriquer sur mesure et, comme Oldcastle fabrique des tranchées de plusieurs tailles différentes, les cages en acier n'avaient pas toujours les bonnes dimensions pour renforcer correctement les trous de drainage de la tranchée. « Avec notre procédé, parce que nous pouvons vraiment optimiser le treillis pour les exigences de l'application, nous avons pu ajuster la géométrie du treillis — par exemple, pour s'assurer d'ajouter du renfort autour des trous de drainage au fond de la tranchée, et du renfort aux extrémités de la tranchée pour qu'elle soit protégée contre les chocs lors de la manutention », dit-il.

De plus, l'un des aspects les plus difficiles du projet, selon Oberste, était d'identifier un matériau de ruban thermoplastique capable de former un lien adhésif avec le béton polymère, plutôt que de compter sur une simple interface mécanique, comme c'est le cas avec les cages en acier. Le matériau téréphthalate de polyéthylène glycol (PETG) sélectionné par WEAV3D forme une véritable interface adhésive entre les deux matériaux, ce qui aide au transfert de contrainte et diminue la probabilité de fracture. « Même si une fracture se produit », ajoute-t-il, « cette fracture est beaucoup moins susceptible de se propager à travers la structure car elle doit surmonter cette interface adhésive. »

WEAV3D produit les treillis conçus pour cette application sous forme de préformes en U, qu'Oldcastle place ensuite dans un moule de coulée où le béton polymère est coulé par-dessus, suivi de durcissement et démoulage pour produire la structure finale en béton renforcé.

Dans la construction, WEAV3D a des plans pour étendre ses treillis à d'autres applications en béton polymère telles que les enceintes et les couvercles. En octobre 2020, WEAV3D, dans une proposition conjointe avec l'Université Western Ontario et le cabinet d'ingénierie structurelle Entuitive, a obtenu une subvention du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada pour mener des recherches évaluant l'utilisation des treillis de WEAV3D comme renfort dans le béton Portland traditionnel également. L'objectif est de développer des treillis pouvant être utilisés comme renforts pour dalles et façades de bâtiments non résidentiels, dit Oberste.

WEAV3D nouvelle génération : vitesses automobiles

Une version nouvelle génération de la machine WEAV3D, conçue pour répondre aux besoins de la fabrication automobile, est en développement avec un financement de recherche de la NSF. Oberste dit qu'elle sera probablement opérationnelle en 2022. Les améliorations du nouveau système visent à tripler la vitesse de production du système actuel, incluant le remplacement du chauffage IR et des rouleaux de compression par un soudage par ultrasons plus efficace.

En même temps, Oberste et son équipe ont entamé des discussions avec des Tier 1 et OEM américains et européens de l'industrie automobile sur l'utilisation des produits WEAV3D pour renforcer des panneaux plastiques, allant des composants intérieurs aux hayons de pick-up. « L'un des objectifs est d'ajouter un treillis comme squelette structurel au sein de composants plastiques moulés afin d'améliorer leur résistance et rigidité et de remplacer les supports et raidisseurs métalliques sur lesquels les concepteurs comptent actuellement », dit Oberste. WEAV3D travaille également sur des articles de démonstration de panneaux de carrosserie automobile et d'autres composants pour mettre en valeur les avantages du matériau.