L'initiative ENLIGHTEN accélère l'adoption industrielle des composites thermoplastiques

Le potentiel des composites thermoplastiques

Plus un véhicule est léger, moins il consomme de carburant et moins il émet de CO₂. Les matériaux légers assez résistants pour assurer la sécurité des passagers sont également prisés par les constructeurs automobiles et aéronautiques. Les composites thermoplastiques — plastiques renforcés de fibres qui ramollissent sous l'effet de la chaleur — sont légers, résistants, faciles à travailler et faciles à recycler. Certains composants dans les fuselages et les ailes d'avions sont déjà fabriqués à partir de ce matériau relativement nouveau. Cependant, ils ne sont pas encore utilisés plus largement.

Objectif d'ENLIGHTEN

L'objectif d'ENLIGHTEN — Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes — est de trouver un moyen de produire des structures entières fiables en utilisant ce matériau de manière prévisible, reproductible et rentable. Ce projet de 6 millions d'euros sur cinq ans est lancé par l'Université de Twente (UT, Twente, Pays-Bas) et le Dr Remko Akkerman, scientifique à l'UT et au ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Twente, Pays-Bas) dans le cadre du programme Perspective basé aux Pays-Bas, qui met les scientifiques au défi d'établir de nouvelles lignes de recherche innovantes pouvant avoir un véritable impact économique et sociétal. Établi par le Conseil néerlandais de la recherche (NWO) et le Ministère des Affaires économiques et du Climat, six consortiums Perspective sont mis en place aux Pays-Bas, avec 138 entreprises et organisations apportant 10 millions d'euros de leur propre financement pour égaler les 22 millions d'euros disponibles du gouvernement néerlandais.

Développer les détails multi-échelles

CompositesWorld s'est entretenu avec Akkerman pour mieux comprendre ce qu'ENLIGHTEN implique réellement. « Les lecteurs de CompositesWorld sont très familiers avec le travail effectué au TPRC, où nous nous concentrons sur le traitement rapide des thermoplastiques, incluant le soudage, le surmoulage et aussi le recyclage », dit Akkerman. « Nous avons publié de nombreux résultats étudiant les matériaux, le procédé et la performance. Mais comment le procédé affecte-t-il la distribution fibre-matrice et la porosité dans le composite ? Comment cela affecte-t-il à son tour la performance mécanique de la pièce ? Comment ces procédés affectent-ils l'initiation et la propagation des fissures en service ? Ces aspects doivent être compris pour faire mûrir les composites thermoplastiques pour une utilisation industrielle plus large. »

C'est pourquoi ENLIGHTEN est un programme si vaste, impliquant des spécialistes en polymères, micromagnétique des composites, modélisation numérique multi-échelle et science des données numériques. « Notre objectif est de développer des connaissances que nous pourrons ensuite utiliser pour optimiser ces procédés de composites thermoplastiques pour une performance optimisée », dit Akkerman. « Nous intégrerons également la surveillance de procédé — car la qualité du matériau repose sur votre capacité à contrôler le procédé — et l'apprentissage automatique pour accélérer cette optimisation. »

ENLIGHTEN inclut les trois universités techniques des Pays-Bas (Université de Twente, Université de Technologie de Delft et Université de Technologie d'Eindhoven) ainsi que des entreprises dans les chaînes d'approvisionnement automobile et aéronautique, incluant des OEM, des fournisseurs de rang 1 et des PME. Des organisations hors des Pays-Bas sont également impliquées, incluant le Centre WMG pour la fabrication de haute valeur de l'Université de Warwick dans le cadre du programme CATAPULT du Royaume-Uni et Jaguar Land Rover, une filiale du constructeur automobile mondial Tata Motors (Mumbai, Inde).

« Les procédés que nous étudierons incluent le soudage par induction et par ultrasons ainsi que le surmoulage, qui a aussi une interface de soudage, chacun impliquant les mêmes phénomènes physiques mais à des taux différents », note Akkerman. « Donc, tous les mêmes phénomènes concernant le mouvement des fibres, les contraintes et l'initiation des fissures s'appliquent ici aussi. » Mais les structures composites thermoplastiques soudées ne volent-elles pas sur des avions commerciaux depuis plus de 30 ans ? « Oui, mais aucune de ces structures n'utilise le soudage par induction ou ultrasons avec des rubans unidirectionnels », souligne-t-il, « ce qui est beaucoup plus difficile à comprendre et à contrôler, mais aussi plus économique à produire si nous pouvons prédire pleinement les procédés. »

Modélisation multi-échelle et apprentissage automatique

La modélisation multi-échelle et les tests physiques joueront un rôle clé dans le projet ENLIGHTEN. « Il est impossible de comprendre un composite sans regarder le procédé de fabrication utilisé pour le créer », dit Akkerman. « Par la modélisation numérique, nous pouvons formuler des hypothèses et ensuite effectuer des expériences côte à côte pour valider nos résultats et affiner notre compréhension. Par exemple, cela inclut l'examen de la formation de structures cristallines au niveau micro, comment les fibres bougent pendant le processus de soudage au niveau méso et comment ces phénomènes interagissent pour affecter le développement des contraintes, des microfissures et les charges ultimes de la structure au niveau macro. Ce niveau d'investigation très approfondi mais combiné, je ne l'ai pas encore vu dans notre industrie. »

Mais où l'apprentissage automatique entre-t-il en jeu ? « Chacun des éléments d'analyse dans les lots de travail 1 et 2 prend des heures à s'exécuter », dit Akkerman, « et doit être répété pour chaque matériau, pièce et procédé spécifique. Si vous voulez atteindre l'optimisation à travers toutes ces échelles et modèles, cela prendra des milliers d'heures. Au fur et à mesure que nous faisons cela, cependant, nous accumulerons des données sur la façon dont tous ces phénomènes se rapportent les uns aux autres. Nous pourrons alors entraîner des réseaux de neurones pour reconnaître les connexions dans ces données, pleinement en ligne avec la physique sous-jacente. »

En regardant la portée du travail montrée ci-dessous, il explique : « il y aura des connexions de gauche à droite et de haut en bas. Basé sur toutes ces analyses, notre objectif est de développer des algorithmes qui peuvent être utilisés d'une manière plus générale, flexible sans avoir à repartir de zéro à chaque fois. En d'autres termes, ces algorithmes peuvent être appliqués à votre pièce donnée, vous aidant à optimiser vos paramètres de procédé et vos choix de matériaux. Considérez l'apprentissage automatique comme un type d'ajustement de courbe avec de nombreuses, nombreuses variables. » Il concède que ce n'est pas une analogie parfaite, mais le résultat est efficacement similaire, dans le sens où la courbe — qui dans ce cas est plus une hyper-surface multidimensionnelle — montrera les corrélations et causalités qui indiquent la voie à suivre.

Matériaux, diffusion et objectif ultime

Finaliser les matériaux à étudier est l'une des premières tâches du projet ENLIGHTEN. « Le plus probable est que le polyamide 6 (PA6, nylon) sera étudié pour l'automobile et le polyaryléthercétone bas point de fusion (LM PAEK) pour l'aérospatial », dit Akkerman. « Nous évaluerons d'autres matériaux et examinerons toutes les données disponibles. » Cela peut inclure, par exemple, ce qui a été généré par d'autres programmes, comme MECATESTERS dans Clean Sky 2, qui a fait une quantité significative de tests avec du ruban UD carbone renforcé LM PAEK. Pendant ce temps, le programme Clean Sky 2 STUNNING générera une grande quantité de données concernant le soudage par ultrasons alors qu'il assemble la moitié inférieure du démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD). Akkerman souligne les projets COMPeTE menés au TPRC, qui ont étudié le surmoulage pour de nombreuses combinaisons de matériaux différentes.

Concernant la diffusion des résultats du projet, le consortium ENLIGHTEN aura des réunions générales annuelles et les sous-groupes dans chaque lot de travail se réuniront autant que nécessaire pour atteindre leurs jalons établis. Des présentations individuelles seront faites lors de conférences nationales et internationales pendant le cours du projet et une session dédiée ou une conférence internationale complète dans la dernière année du projet sera organisée pour partager les résultats globaux.

L'objectif ultime, dit Akkerman, est d'atteindre pour les composites thermoplastiques ce que l'industrie des métaux a avec son approche de conception de matériaux pour les métaux monocristallins dans les aéro-moteurs, par exemple. « Leur objectif était d'atteindre une performance nécessaire pour l'avenir de l'aviation. Nous voyons le même mandat pour une plus grande gamme de mobilité. Nous essayons de concevoir des procédés de soudage et de surmoulage pour optimiser la performance de composites thermoplastiques légers pour les structures aérospatiales et automobiles, mais nous avons encore tant de variabilité. Le résultat est des facteurs de sécurité excessifs et moins d'efficacité que les technologies n'offrent réellement. Oui, nous avons des pièces composites thermoplastiques qui volent, mais il a fallu 30 ans pour en arriver là. L'Europe a fixé un objectif de neutralité carbone d'ici 2050 — c'est dans moins de 30 ans. Si nous continuons sur notre même voie, qui implique encore beaucoup d'essais-erreurs, nous n'atteindrons pas les objectifs nécessaires pour lutter contre le changement climatique. Nous voyons un chemin différent, plus efficace via ENLIGHTEN et c'est le moment d'agir. »