Relever les défis clés du bobinage de ruban assisté par laser pour composites thermoplastiques

Contexte : les composites thermoplastiques et la consolidation in-situ

Les composites thermoplastiques (TPC) ont été largement promus ces dernières années en raison de leur fort potentiel pour augmenter les cadences de production et permettre la réduction de poids. L'un des sujets les plus discutés pour augmenter les cadences avec les TPC est la consolidation in-situ (ISC) lors du dépôt automatisé de fibres et de rubans (AFP/ATP).

L'ISC a en fait été démontrée pour la première fois avec des structures contraintes telles que des tubes, et continue d'offrir un grand potentiel pour les vaisseaux sous pression surbobinés et les réservoirs de stockage. Ces structures peuvent être produites en utilisant le bobinage de ruban assisté par laser (LATW), qui comprend une machine de dépôt de ruban assisté par laser (LATP) et un mandrin rotatif (Fig. 1).

La tête AFP/ATP est installée sur un robot CNC à six axes et utilise un laser pour chauffer le ruban entrant et le substrat afin de faire fondre le polymère thermoplastique. Le ruban est ensuite pressé sur le substrat à l'aide d'un rouleau pour favoriser l'adhésion inter-couches et la consolidation.

Stratégies pour le premier pli

Comme pour tout procédé de fabrication additive, le premier pli en LATW est un problème qui doit être adressé. Pour un tube produit sur un mandrin métallique (l'aluminium est préféré), l'extraction du mandrin post-bobinage doit être considérée et un agent de démoulage appliqué.

Une autre considération est la fixation. Si le bobinage circonférentiel est appliqué au premier pli (par opposition à une pose hélicoïdale ou axiale, Fig. 2), du ruban adhésif peut être placé manuellement au début et à la fin de la passe pour améliorer la stabilité et l'adhésion au ruban entrant. Si une pose hélicoïdale ou axiale est requise, alors des anneaux de ruban complets doivent être appliqués et fixés aux bords du cylindre, en utilisant du ruban adhésif pour prévenir le glissement.

Pour un vase sous pression de type IV (liner plastique avec surbobinage composite fibre de carbone), ou lors du surbobinage d'un tube en plastique, le ruban entrant sera fusionné au liner. Cela élimine le besoin de fixation par ruban adhésif, mais le liner plastique et le ruban TPC doivent avoir le même polymère de base pour assurer un bon collage.

Des problèmes peuvent survenir avec le chauffage du liner plastique. Par exemple, s'il ne peut pas absorber le chauffage laser, ou si un mandrin métallique est utilisé, envisagez d'ajuster l'angle du laser pour chauffer pleinement le ruban entrant. En d'autres termes, au lieu du positionnement typique où le laser est distribué entre le ruban entrant et le substrat (Fig. 1), orientez le laser davantage vers le ruban. Cela évitera les réflexions laser, assurera un chauffage plus uniforme du ruban et réduira la consommation d'énergie.

La distribution du laser change avec l'angle de pli ou la géométrie variable

Comme décrit ci-dessus, typiquement pendant les procédés LATP et LATW, le laser est distribué entre le ruban entrant et le substrat. Cette distribution est constante dans les cas où la géométrie du rayon et la direction de pose sont constantes. Cependant, il y a des considérations. Par exemple, pendant une pose axiale sur un mandrin tubulaire (qui serait grossièrement équivalent au moule plat de la Fig. 3), le ruban entrant recevra la même radiation comparé à une pose circonférentielle tandis que le substrat recevra plus de projection laser que dans une pose circonférentielle. Note : ceci est négligeable pour les tubes de grand diamètre.

Pendant le chauffage, le ruban thermoplastique s'étale et devient plus large et plus fin, selon la température et la vitesse de pose (temps de chauffage), en raison de la viscosité polymère réduite. Dans un système à contrôle en boucle fermée — où la température est maintenue constante sur la zone de chauffage — une pose axiale aboutira à un ruban plus large que dans une pose circonférentielle. Alternativement, dans un système à contrôle de puissance constant, la pose axiale se développera à des températures plus basses, et ainsi le ruban s'élargira moins. C'est important à comprendre et à adresser car des changements inégaux dans les dimensions du ruban peuvent en résulter et causer des espaces et chevauchements indésirables qui pourraient augmenter la teneur en vides.

Lors du bobinage de tubes, la géométrie du rayon est constante, mais cela change lors du bobinage de vaisseaux sous pression en raison des calottes d'extrémité. En entrant ou sortant de ces calottes, le robot ralentit et la taille du spot laser diminue sur le substrat. Les deux actions peuvent causer une augmentation brutale de température, qui peut causer des sections plus fines, des propriétés matérielles différentes ou même des dommages au polymère.

Une autre considération est que comme les couches de fibres de la pièce s'accumulent pendant le bobinage, les dimensions du noyau sur lequel on bobine (mandrin plus plis jusqu'à présent) changent. Ainsi, les angles de pose doivent être ajustés pour éviter les espaces. Un système LATP/LATW avec un logiciel qui met à jour le diamètre du mandrin pourrait être disponible chez certains fournisseurs. Sinon, le bobinage devra être inspecté manuellement ou avec un système d'inspection en ligne et corrigé si nécessaire.

Bien qu'adresser les considérations ci-dessus aide, il n'est pas possible d'atteindre l'élimination à 100 % des défauts tels que espaces, chevauchements et variations d'épaisseur. Le procédé de bobinage doit donc être développé pour atteindre les valeurs admissibles de conception de la pièce plutôt que de poursuivre une « pièce parfaite », ce qui pourrait ajouter des coûts inutiles.

Maximiser les propriétés mécaniques, l'adhésion inter-couches et la cristallinité

La gestion thermique est un facteur clé pour atteindre une adhésion inter-couches adéquate ainsi que la cristallinité du plein potentiel dans la matrice thermoplastique. Les premières couches sont proches du mandrin, qui agit comme un puits de chaleur. Cela peut empêcher la diffusion moléculaire inter-couches et favoriser une mauvaise adhésion inter-couches, une faible cristallinité et une teneur en vides plus élevée. Pour surmonter ce défi, il faut envisager de réduire la vitesse de pose, d'augmenter la température et d'ajuster l'angle du laser pour permettre un temps de chauffage plus long afin d'assurer la diffusion moléculaire.

Cela ne garantit pas cependant la cristallinité complète. C'est parce que la diffusion moléculaire — reformant les ré-enchevêtrements moléculaires après fusion pendant le refroidissement — est un processus beaucoup plus rapide que la cristallisation, où les molécules s'alignent pour former une structure cristalline ordonnée. Si la pièce fabriquée est fine (environ moins de 2 millimètres), on s'attendrait à une cristallinité plus faible que pour une pièce épaisse, qui reçoit plus de passes de consolidation et moins de perte de chaleur vers le mandrin. Pour les pièces fines et épaisses, envisagez des vitesses de pose plus lentes pour les plis initiaux.

Pour atteindre la cristallinité complète, envisagez ce qui suit :

• Après bobinage, recuire (bain thermique) à une température entre le T_g (température de transition vitreuse) et le T_m (température de fusion) de la matrice thermoplastique. Comme règle empirique, le milieu entre les deux températures fournit la cinétique de cristallisation la plus rapide.
• Utiliser un mandrin chauffé qui favorisera la cristallinité des couches initiales. Ce n'est pas toujours possible et cela peut être plus cher. Si un mandrin chauffé est utilisé, assurez-vous de considérer que le mandrin pourrait subir une dilatation thermique.
• Programmer des passes de consolidation — en d'autres termes, inclure des passes de bobinage sans ruban entrant mais avec le laser entièrement projeté sur le substrat. Cela se fait principalement sur les plis ultérieurs qui reçoivent moins de passes mais peut aussi être fait sur les premiers plis pour améliorer l'adhésion inter-couches.

Dimensions des rubans — flexibilité de conception et cadences de production

Les dimensions des rubans sont un paramètre crucial dans le bobinage de ruban. Évidemment, recevoir une largeur et une épaisseur de ruban constantes du fournisseur permettra des produits répétables et uniformes. Cependant, les dimensions des rubans définissent aussi la flexibilité de conception. Par exemple, avec une pose axiale sur un mandrin tubulaire, la largeur du ruban doit être suffisamment étroite pour être conforme à la courbure du mandrin. Plus le diamètre du mandrin est grand, plus le ruban large peut être utilisé. Un ruban plus large signifie un débit plus rapide tandis qu'un ruban plus étroit est plus convivial pour la conception car il est plus conforme aux changements de courbure et plus facile à guider.

Bien qu'il y ait plus de problèmes et défis avec le LATW, de bonnes pièces sont possibles, et cette méthode de fabrication continuera d'avancer à mesure que les tubes et réservoirs composites sont utilisés pour le stockage d'hydrogène et d'autres applications de stockage de gaz.

À propos de l'auteur

Yehiel Shaham

Yehiel Shaham est un ingénieur plastiques et polymères avec près de 12 ans d'expérience dans le développement et la fabrication de thermoplastiques au sein d'entreprises israéliennes leaders dans les plastiques et la défense. Pendant 2016-2020, il était ingénieur principal composites thermoplastiques (TPC) chez RAFAEL, où il s'est spécialisé en TP-AFP. Actuellement, il vise à promouvoir les TPC dans l'industrie israélienne.