Fabrication composite future : synergie entre AFP et fabrication additive

« Surimpression » (overprinting) sur surfaces et supports PRFC préfabriqués (en haut à gauche), hybridation de processus comme l'impression 3D et le filament winding (en haut à droite), impression 3D de noyaux sur stratifiés AFP et peaux AFP sur noyaux imprimés 3D (en bas à droite) et impression 3D CEAD AM Flexbot à 45 degrés (en bas à gauche). Crédit photo : TU Munich, Chair of Carbon Composites.

En septembre, j'ai assisté au symposium virtuel « FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM », faisant référence au placement automatisé de fibres (AFP) et à la fabrication additive (AM). Ce symposium était organisé par la Chaire de Composites Carbone (LCC) à l'Université Technique de Munich (TUM, Munich, Allemagne). L'événement incluait aussi le partenaire de recherche de TUM, l'Australian National University (ANU, Canberra). Le symposium a passé en revue les capacités de R&D composites à la fois à TUM et ANU, ainsi que les projets achevés et en cours avec des partenaires industriels incluant AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon et Victrex.

La collaboration TUM avec ANU a commencé en 2010 avec le projet AutoCRC pour développer des réservoirs de stockage de gaz naturel comprimé (GNC) en composites thermoplastiques. La R&D conjointe s'est poursuivie depuis, incluant la formation du centre du Conseil de Recherche Australien pour la Fabrication Automatisée de Composites Avancés (AMAC) et trois axes majeurs à ANU :

• Amélioration des matériaux
  • Matériaux et revêtements nano-échelle pour l'amélioration des propriétés fonctionnelles des composites carbone
  • Rubans préimprégnés améliorés au graphène pour conductivité thermique et électrique
• AFP Laser
  • Projet avec Ford pour développer de l'acier renforcé composite
  • Contrôle numérique du biais de chauffage, ex. stabilité de processus pour coins/géométries 3D
• Diagnostics avancés par tomographie aux rayons X

Il a discuté des similitudes entre l'extrusion de matière (MEX), le procédé le plus courant pour l'impression 3D de composites renforcés de fibres, et l'AFP ISC :

• Traitement thermique local et récurrent
• Conception basée sur couches et propriétés de matériaux orthotropes
• Placement de matériau le long de chemins programmés 2D et 3D et activation thermique entre couches.

Drechsler a ensuite discuté des besoins futurs pour les composites et comment combiner AFP et MEX pourrait apporter des solutions, incluant à court terme dans l'outillage et à plus long terme dans les structures légères haute performance, à la fois rentables et écologiquement durables.

En décrivant les capacités du LCC, Drechsler a donné un aperçu de son équipement MEX ainsi que des projets R&D passés et en cours en fabrication additive.

Concernant l'AFP ISC, les développements récents et en cours au LCC incluent :

• Une tête de bobinage de réservoir pour soutenir l'industrialisation de structures comme les réservoirs sous pression, incluant les réservoirs d'hydrogène
• Contrôle en boucle fermée du chauffage par faisceau laser
• Utilisation d'un rouleau refroidi par fluide pour la consolidation
• Caractérisation des rubans pour optimiser l'ISC.

Les développements du LCC en MEX et impression 3D ont été explorés plus en détail dans plusieurs présentations sur les 2 jours suivants.

CEAD et impression 3D à grande échelle

La présentation suivante après la keynote de Drechsler a été donnée par Maarten Logtenberg, directeur exécutif de CEAD (Delft, Pays-Bas). Fondée en 2014, CEAD a vendu des systèmes commerciaux basés sur sa technologie de Fabrication Additive à Fibres Continues (CFAM), tant en cellule fermée à portique (CFAM Prime) qu'en système à robot (AM Flexbot). Le LCC possède ce dernier (voir tableau ci-dessus) et travaille avec LCC sur plusieurs projets (voir articles CW sur CEAD et son travail avec TUM LCC).

Les points forts de la présentation de Logtenberg incluaient le développement par CEAD de solutions hybrides intégrant le fraisage CNC, de grands plateaux d'impression chauffés (1,2 m x 3 m et 1,2 m x 2 m) et des plateaux d'impression rotatifs chauffés. Il poursuit aussi des cellules encore plus grandes et l'impression à 45 degrés, ainsi que l'impression d'outils renforcés de fibres pour la production en série en autoclave de pièces d'avions commerciaux.

Logtenberg a noté que l'un des principaux défis pour les outils d'autoclave imprimés en 3D est l'expansion thermique et les outils beaucoup plus grands que 4 mètres ont tendance à trop s'étendre (voir « Hybrid, large-format additive tooling »), rendant difficile de compenser suffisamment via la conception de l'outil. La solution qu'il propose est de remplacer le renfort en fibres hachées utilisé jusqu'à présent par des fibres continues déposées par des systèmes comme AM Flexbot.

Cette voie a été confirmée dans la présentation « Introduction of 3D-printed Track Intensifiers for Composite Flap Production » donnée par Thomas Herkner chez GKN Aerospace à Munich, Allemagne. Ces intensificateurs CFRP imprimés en 3D sont utilisés comme outillage dans la production de volets d'atterrissage CFRP pour l'Airbus A350 et A330. Bien que ce programme réussi chez GKN ait utilisé du renfort en fibres hachées, Herkner a montré une feuille de route pour un développement futur incluant l'utilisation de fibres continues dans l'outillage imprimé en 3D ainsi que, éventuellement, dans les pièces d'avion elles-mêmes.

Cette voie a été bien expliquée par le chercheur du LCC Patrick Consul dans un récent blog CW :

Consul a aussi présenté au symposium TUM, examinant la conception de processus pour l'AM à grande échelle basé sur l'extrusion. Il a discuté comment les transitions vitreuse et de phase montrées ci-dessous représentent le plus grand changement de propriétés matérielles des granulés renforcés de fibres hachées qui sont fondus et extrudés dans les systèmes d'impression 3D comme CFAM et AM Flexbot.

Le travail de Consul a analysé comment les paramètres MEX tels que la viscosité du polymère, la température d'extrusion et le couple affectent la cristallinité dans le composite imprimé, ce qui influence à son tour la capacité à souder les couches ensemble pendant l'impression 3D. En plus de cette liaison couche-à-couche, Consul a aussi exploré l'alignement des fibres et les contraintes résiduelles dans les couches imprimées. Une solution présentée était d'utiliser un laser pour préchauffer le substrat pendant l'impression — largement utilisé aujourd'hui dans l'AFP ISC de composites thermoplastiques — transférant ainsi les connaissances de l'AFP vers l'AM. Les expériences initiales ont utilisé un anneau de diodes laser contrôlables.

Le collègue de Consul, Matthias Feuchtgruber, a présenté plus tard dans la journée, passant de la conception de processus et la caractérisation matériau au développement d'une chaîne de processus virtuelle pour l'AM composites.

Alexander Matschinski a ensuite présenté sur l'intégration de fibres continues dans l'AM composites, présentant le graphique ci-dessous, qui est devenu la base du graphique amendé que j'ai utilisé dans l'article du supplément Next-Gen de CW sur l'impression 3D à fibres continues. Matschinski a aussi discuté du travail sur la conception de structures AM à fibres continues et le développement futur de la « surimpression » (overprinting) sur pièces et surfaces PRFC préfabriquées.

D'autres applications intéressantes de fibres continues ont été montrées par le Dr Christopher Ebel chez SGL Carbon, incluant pour renforcer des structures de soubassement en acier pour l'automobile, réduisant le nombre de pièces de 37 à 9 et le poids de 41 %. Un autre concept était le bobinage 3D utilisant du towpreg imprégné de résine époxy à durcissement instantané pour des structures optimisées en charge. Cette approche pilotée numériquement commence par la simplification de charges complexes et l'optimisation topologique, suivie par la fabrication automatisée. Les pièces résultantes peuvent exploiter le verrouillage de forme d'inserts dans les structures, permettant l'introduction de charge sans perte de rigidité. Les derniers procédés d'impression 3D métal peuvent être utilisés pour de tels inserts, optimisant davantage l'efficacité de gestion de charge et la réduction des coûts.

Sebastian Nowotny au DLR a discuté de la combinaison de l'impression 3D avec l'AFP ISC de composites thermoplastiques, incluant l'impression 3D sur stratifiés AFP et AFP sur structures 3D partiellement ouvertes. Les premières expériences incluent l'impression 3D d'un noyau sur une peau PRFC préfabriquée puis AFP/dépôt de ruban sur le noyau imprimé 3D. Des éprouvettes ont été créées et soumises à des tests de cisaillement traction pour évaluer la liaison peau-noyau.

Titre du diaporama

Christian Weimer, responsable des matériaux pour Airbus Central Research & Technology, a discuté de l'impression à fibres continues comme partie du paysage technologique en évolution, visant à réduire le poids avec des coûts réduits et une durabilité accrue qui doivent être atteints pour que les composites assurent une place sur les futurs avions. Il a souligné que les composites 3D vraiment efficaces doivent employer :

• Les bonnes matières premières et intermédiaires — fibres, semi-finis
• Processus et interfaces efficaces — AM thermoplastiques, moulage par injection
• Conception et dimensionnement adaptés — intégraux, entièrement 3D optimisés en charge
• Surface et fonctionnalité — ESN (numéro de série électronique), SHM (surveillance structurelle de santé)

Il a aussi discuté du besoin de fibres et résines biosourcées pour atteindre les objectifs urgents de durabilité climatique et environnementale.

Le symposium TUM a présenté beaucoup plus de présentations, incluant des résumés des travaux à ANU, et toutes étaient très intéressantes pour montrer comment les composites avancent et comment le LCC, travaillant avec des partenaires dans le monde, continue d'imaginer ce que les composites peuvent accomplir et de faire avancer notre industrie.