Moulages CFRP imprimés en 3D pour RTM : flaperons, exosquelettes et plus

Crédit photo : Chaire de composites carbone de l'Université technique de Munich (LCC) et QPoint Composite

La Chaire de composites carbone (Lehrstuhl für Carbon Composites ou LCC) a été créée en 2009 au département de génie mécanique de l'Université technique de Munich (TUM, Munich, Allemagne) avec le financement de SGL Carbon (Wiesbaden, Allemagne). Sa mission est de mener des R&D sur les matériaux, procédés et applications des polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP), y compris des projets de simulation et d'essais. Une « chaire » dans le système universitaire allemand est la plus petite unité comprenant un professeur et son équipe. L'équipe du LCC est dirigée par le Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler et emploie actuellement 30 chercheurs à temps plein. Bien que le financement de SGL se soit terminé en 2016, le LCC a poursuivi son leadership en R&D composites, ce qui inclut la construction du moule pour la moitié inférieure du Démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD), voir encadré ci-dessous, et maintenant aussi l'impression 3D/fabrication additive.

Cet article a débuté lorsque CEAD (Delft, Pays-Bas) m'a informé que le LCC avait acquis l'un de ses systèmes flexbot AM à extrusion pour l'impression 3D par bras robot. Mon entretien ultérieur avec le chercheur du LCC Patrick Consul a révélé une mine de projets, dont COMBO3D, dans le cadre de Clean Sky 2, pour imprimer en 3D un moule RTM en composite thermoplastique pour la production d'un flaperon d'avion en composite thermodurcissable, et EMOTION pour produire l'outillage du moulage de la moitié inférieure du Démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD) en composite thermoplastique de Clean Sky 2 ainsi qu'un outillage partiel secondaire pour démontrer comment le même fuselage pourrait être produit par consolidation directe in-situ (hors autoclave). J'ai trouvé l'ensemble de la discussion sur la façon dont TUM est parvenu à ce point et vers où il se dirige très intéressante.

Moule de la moitié inférieure du MFFD

Voir mon blog de février 2020 : « Valider le soudage LM PAEK pour le Démonstrateur de fuselage multifonctionnel ». Cet encadré est tiré de l'article de février 2020, « Développement d'un démonstrateur de fuselage multifonctionnel » par Bas Veldman, chef de programme pour le MFFD chez GKN Fokker (Hoogeveen, Pays-Bas).

La coque de la moitié inférieure du MFFD se compose d'une peau thermoplastique, raidie par des longerons, clips et cadres soudés. Le procédé de fabrication à démontrer comprend trois étapes clés :

1. Le ruban préimprégné pour la grande peau du démonstrateur est déposé sur une table plane inclinée par la machine AFP laser existante de NLR.
2. Les stratifiés sont transportés robotiquement par ventouses vers un moule de consolidation femelle et drapés dedans sans chauffage.
3. Après mise sous vide, la peau est consolidée en autoclave.

L'utilisation d'un moule de consolidation femelle offre une surface beaucoup plus simple (plane) que pour un outil mâle tout en contrôlant directement les contraintes aérodynamiques sur la qualité de surface externe de la peau.

Le projet MFFD prévoit également d'étudier des procédés hors autoclave – en parallèle au grand démonstrateur de fuselage multifonctionnel – dans un démonstrateur de taille plus petite. En particulier, la fabrication de composites thermoplastiques in-situ dans laquelle la consolidation est réalisée pendant le drapage, sera considérée, car elle pourrait éliminer complètement l'étape autoclave, réduisant ainsi la fabrication à une procédure en une seule étape.

Enhanced Mould for Thermoplastic Fuselage in and out of Autoclave Consolidation, ou EMOTION (https://cordis.europa.eu/project/id/864474), est le projet Clean Sky 2 pour la production de l'outillage de la coque inférieure du MFFD. « Cela semble simple », dit Patrick Consul du coordinateur du projet, TU Munich, « mais c'est en fait assez difficile car il doit être chauffé à 400 °C. C'est bien au-dessus de la plage de température dans laquelle l'Invar36 n'a pas de CTE [coefficient de dilatation thermique] significatif. » L'Invar est couramment utilisé pour les outils de moulage composite en raison de sa faible dilatation lors des cycles de polymérisation à haute température. Cependant, le CTE de l'Invar augmente avec la température. « Le défi, note Consul, sera de contrôler la dilatation thermique pendant la montée et la descente en température pour le moule et la peau de fuselage de 8 mètres sur 4 mètres pendant la polymérisation. »

Progression dans la fabrication additive

« Nous sommes 8-9 personnes travaillant sur la fabrication additive au sein du LCC », dit Consul. Il commence l'historique de ce travail par l'achat par le LCC en 2012 d'une machine de dépôt de ruban thermoplastique composite assistée par laser auprès d'AFPT (Dörth, Allemagne). Elle a ajouté par la suite une machine de Coriolis Composites (Quévén, France) pour permettre le dépôt de fibres automatisé (AFP) de préimprégnés thermodurcissables. Les premières imprimantes de bureau à filament ont été achetées en 2017. « J'ai également rejoint en 2017 pour aider au développement de nouvelles applications et projets de recherche, y compris la rédaction de propositions, par exemple pour Clean Sky 2. » Il explique que les projets Clean Sky 2 sont attribués sur la base de propositions soumises aux gestionnaires de sujets en réponse à des Appels à propositions (CFP) publiés publiquement. Le LCC a réussi ses propositions pour les projets CFP08 COMBO3D et CFP09 EMOTION. Tous deux sont discutés ci-dessous.

« Nous avons quelques autres projets, certains portant sur l'impression 3D avec renforts en fibres continues », dit Consul. « D'autres utilisent une tête d'impression intégrant un laser pour préchauffer le substrat composite afin d'imprimer sur des pièces CFRP déjà consolidées ou pour augmenter la résistance interlaminaire au cisaillement (ILSS) entre les couches imprimées. Un autre projet explore les applications d'outillage, par exemple lorsque vous avez un petit nombre de pièces composites spécialisées. »

« Ces projets sont continuellement soutenus par des simulations numériques afin de prédire le comportement des pièces fabriquées additivement pendant et après le processus d'impression », poursuit-il. « Le LCC est également impliqué dans un projet avec l'Imperial College de Londres qui vise à fabriquer des exosquelettes en CFRP imprimé en 3D. Un autre projet étudie les structures de treillis afin d'optimiser les propriétés des pièces imprimées en 3D par rapport à la rigidité, la résistance ou l'absorption d'énergie. »

Progression des imprimantes

« Nous avons commencé par utiliser une simple imprimante 3D basée sur le FDM (modélisation par dépôt de filament fondu) d'Apium (Karlsruhe, Allemagne) pour imprimer des fixations d'essai spécialisées nécessitant une grande rigidité », explique Consul. « L'imprimante faisait 3 mètres de long sur 1 mètre de large avec un débit matière élevé pour réduire le temps d'impression. Bien qu'elle ne puisse pas utiliser de fibres continues, elle était bien conçue pour l'impression avec PEEK, PEKK et PEEK renforcé de fibres de carbone hachées. Elle utilisait non seulement un plateau chauffant mais aussi une plaque chauffante autour de la tête d'impression ce qui aidait à produire une distribution de température homogène dans les impressions, réduisant les contraintes thermiques et assurant la cristallisation. »

« Nous avons aussi eu une imprimante Markforged (Cambridge, Mass., États-Unis) pendant un moment, puis nous avons obtenu une Anisoprint [Esch-sur-Alzette, Luxembourg] », dit Consul. Bien que l'imprimante Markforged permit le FDM avec fibres continues, l'équipe du LCC a choisi de ne pas la garder. « Le problème était que le système était très fermé », explique Consul. « Le logiciel de tranchage de Markforged était trop difficile à utiliser pour la recherche car il limitait sévèrement ce que nous pouvions faire. Nous ne pouvions imprimer qu'une couche de matériau à fibres continues puis une couche de filament thermoplastique à fibres courtes par-dessus. Le trancheur qui génère le code n'acceptait pas de G-code de notre part. Il n'y avait donc aucun moyen de dire à la machine de l'imprimer comme nous le voulions avec des fibres continues dans chaque couche, etc. »

Interrogé à ce sujet, Markforged explique que ses systèmes n'étaient jamais destinés à la recherche, mais conçus pour être simples et robustes pour une utilisation généralisée dans la fabrication de pièces, utilisant un cheminement de fibres basé sur des règles et nécessitant peu d'efforts et de temps pour configurer le trancheur. Son logiciel Eiger permet aux utilisateurs de configurer les couches individuellement, et Markforged accueille les commentaires et priorise l'amélioration de l'expérience utilisateur pour ses clients.

« Anisoprint, qui utilise un trancheur G-code complètement ouvert, nous a donné plus d'accès au processus », dit Consul. « Il est également capable d'imprimer de la fibre de carbone continue et pas seulement en couches 2D, mais aussi hors plan, en courbes 3D. Nous avons une tête d'impression Anisoprint pour un petit robot Kuka, capable de produire des pièces de 1 mètre sur 1 mètre, ce qui est plus grand que la plupart des imprimantes de bureau, mais petit pour un système robot. »

Mais qu'en est-il des matériaux bimatrice thermodurcissable-thermoplastique (TS-TP) d'Anisoprint ? Comme expliqué dans mon blog 2019 sur Anisoprint « … il imprègne d'abord le renfort en fibres continues avec un polymère thermodurcissable puis extrude celui-ci dans le filament thermoplastique fondu pendant l'impression. » Consul répond que l'adhérence entre le filament TS et le TP est assez bonne. « Lors de nos premiers essais, nous avons pu obtenir un taux de fibres en volume plus élevé comparé à l'imprimante Markforged, mais c'était parce que nous pouvions modifier le G-code. La tête d'impression Anisoprint pousse le filament TS dans le TP et dépose le tout. Nous prévoyons d'utiliser cette imprimante pour des pièces d'exosquelette. C'est un moyen facile d'intégrer des fibres à plus haute résistance. »

Imprimantes à extrusion de granulés

La progression suivante a été vers une imprimante à grande échelle, d'abord avec fibres courtes renforcées TP, puis fibres continues TP. « Nous avons d'abord développé un extrudeur monté sur un robot, puis notre intérêt pour la machine CEAD a suivi rapidement. Nous espérons intégrer des fibres continues dans ces deux systèmes l'an prochain. »

Mais pourquoi avoir eu besoin de la machine CEAD si vous aviez déjà un extrudeur sur bras robot ? « L'extrudeur initial était la version bêta d'un extrudeur à granulés Dyze Pulsar, qui sort un maximum d'environ 2 kg/h et environ 1 kg/h avec les PAEK, mais il peine avec plus de 20 % de chargement en fibres de carbone », dit Consul. « Cependant, le débit moyen est plus faible car le robot accélère et décélère souvent pendant l'impression. Pour COMBO3D, les demi-moules initiaux à petite échelle nécessitaient déjà au moins 36 kilogrammes, donc nous avions besoin d'environ 48 heures pour imprimer un seul demi-moule. Nous devions aussi avoir quelqu'un en permanence car des erreurs, comme une ligne d'alimentation bouchée ou le gauchissement de la pièce, pouvaient survenir à tout moment. »

Comme le démonstrateur final COMBO3D est environ 10 fois plus grand que les pièces initiales à petite échelle, l'imprimer avec ce premier système d'extrudeur n'était pas réalisable, dit Consul. « De plus, certains des matériaux que Victrex nous a fournis avaient une viscosité plus élevée et ce premier extrudeur ne pouvait pas fournir assez de couple pour extruder ces polymères. Avec l'imprimante CEAD, nous avons un débit maximal d'environ 12,5 kg/h, et après quelques heures d'essais, nous avions un débit moyen stable d'environ 5-6 kg/h. Cela nous a permis d'imprimer le demi-moule à petite échelle en moins de 8 heures et nous permet d'utiliser des teneurs en fibres plus élevées pour réduire le gauchissement, rendant le processus globalement plus facile à contrôler. »

« Donc, tandis que le Pulsar nous permettait déjà d'utiliser des granulés, d'atteindre un débit matière élevé et de profiter des degrés de liberté d'un robot », continue-t-il, « l'imprimante CEAD étend nos capacités vers des pièces plus grandes, des teneurs en fibres plus élevées et une gamme plus large de polymères. Le Pulsar fait le pont entre nos imprimantes à filament et la CEAD, non seulement en débit mais aussi en taille de buse et en détail résultant des impressions. »

Données techniques CEAD AM Flexbot :

• Extrusion à granulés jusqu'à 12,5 kg/h (non renforcé et fibres courtes renforcées)
• Traitement de matériaux jusqu'à 450 °C
• Volume de construction 3000 x 1200 x 1700 mm
• Plateau de construction sur table rotative ou plate (chauffable)
• Retouche par tête de fraisage.

COMBO3D

L'objectif de ce projet Clean Sky 2 est d'imprimer en 3D un moule pour produire un flaperon composite démonstrateur (1,5 sur 3 mètres) pour un gros porteur, dans le cadre du Work Package A-3.1 : Aile multidisciplinaire pour vitesses hautes et basses. Le but de l'utilisation de la fabrication additive est de raccourcir le délai de production de l'outillage. Le projet a débuté en janvier 2019 et se terminera en mars 2021. Les partenaires incluent Alpex Technologies (Mils bei Hall, Autriche), le spécialiste des métaux légers Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (Ranshofen, Autriche) et Victrex (Thornton Cleveleys, Royaume-Uni), fournisseur du thermoplastique haute performance polyarylétercétone (PAEK).

Une autre partie clé du projet est de démontrer que ce flaperon en fibre de carbone/époxy peut être fabriqué par moulage par transfert de résine (RTM) au lieu de préimprégné polymérisé en autoclave. La pièce RTM polymérisera à la même température de 180 °C que les pièces autoclave. Pour assurer la stabilité thermique, l'outil sera imprimé avec du PAEK renforcé de fibres de carbone courtes, qui a une température de fusion de 305 °C.

Afin de raccourcir le cycle de polymérisation, le moule imprimé en 3D intégrera un contrôle actif de la température. « Nous devons être capables de chauffer et refroidir le moule plus vite comparé à l'autoclave », note Consul. « Nous utiliserons un maillage d'éléments chauffants électriques à 3 mm sous la surface du moule et intégrerons également des canaux imprimés pour huile ou air chauffé à 6 mm sous la surface. Ainsi, nous pourrons chauffer la surface du moule très rapidement mais aussi utiliser les canaux pour chauffer à travers le volume de l'outil. Nous visons un taux de chauffe et de refroidissement 50 % plus rapide que l'autoclave et sommes confiants d'atteindre au moins 30 % plus rapide. »

Quels sont les éléments chauffants à intégrer dans l'impression 3D ? « Nous avons utilisé le placement de fibres sur mesure (TFP) de fils de carbone sur un tissu de fibres de verre comme éléments chauffants pour réaliser différentes zones de chauffe dans un moule CFRP pour pale d'hélicoptère », explique Consul. « C'était pour un projet Clean Sky 1 que nous avons réalisé avec QPoint Composite (Dresde, Allemagne). Nous travaillerons avec un concept similaire sur le moule COMBO3D. »

Tout le développement de l'outil imprimé est soutenu par la simulation. La conception de l'outil sera optimisée en implémentant le système de chauffe et de refroidissement dans une simulation thermique. Le processus de fabrication sera également simulé, soutenant le processus d'impression en générant des connaissances sur la distribution de température pendant l'impression et en la corrélant avec la planification de trajectoire.

Installation de la machine CEAD et avancement du projet

« Le système CEAD a été livré très rapidement – de la commande à l'installation, seulement 6 mois », dit Consul. « À ce moment, nous avions terminé les essais matériaux, conçu l'outillage de plaques et commencé l'impression de petites pièces. Nous craignions que cela prenne beaucoup de temps pour faire tourner le processus avec le CEAD AM Flexbot, mais cela a bien fonctionné dès les premiers essais. »

Outillage de plaques ? « C'est un petit moule, intégrant déjà des canaux de refroidissement et des éléments chauffants pour produire des plaques CFRP pour essais de coupons », explique-t-il. « Ces essais visaient à garantir que la qualité de notre moule RTM CFRP imprimé en 3D sera comparable au CFRP actuel que Saab produit avec leur processus autoclave. »

Malheureusement, le projet a été interrompu par le COVID-19, « mais maintenant tout va bien et nous rattrapons le retard », dit Consul. Et pour l'utilisation du PAEK pour le moule imprimé en 3D ? « Le seul problème actuel est que le Tg [température de transition vitreuse] du PAEK est de 130-140 °C, ce qui est inférieur aux 180 °C de polymérisation pour la pièce de démonstration », note Consul. « Donc, nous devons encore voir combien de cycles nous pouvons effectuer à la température de polymérisation avant que le fluage ne se produise ou que la surface ne soit endommagée. »

Machine CEAD dans d'autres projets ?

« Nous postulons pour un projet en outillage aérospatial qui commence l'an prochain avec GKN Aerospace Deutschland (Munich) en utilisant la machine CEAD et du polyéthersulfone (PESU) », dit Consul. [Note : GKN en Allemagne fabrique des volets d'aile composites pour l'A330 et l'A350 ainsi que des ailerons pour la famille de jets d'affaires Bombardier Global.] « CEAD fera partie de ce projet responsable du développement de la machine pour fibres de carbone continues. Nous prévoyons également d'utiliser la machine CEAD en interne pour fabriquer des moules prototypes pour RTM qui autrement auraient été sous-traités. Cela nous donne un avantage pour accélérer le travail. »

Consul note que le PESU a un Tg plus élevé que le PAEK. « Il est également amorphe, pas semi-cristallin, donc il devrait être plus facile à imprimer, bien que la résistance au fluage puisse être un problème. Ce que nous essayons de faire, c'est d'éviter le PEI (polyétherimide). Dans le passé, nous avons examiné le problème de l'adhérence du PEI à la résine époxy. Le RTM6 [époxy pour RTM] dissout le PEI ce qui favorise une bonne adhérence entre les deux. C'est exactement ce que vous ne voulez pas dans des moules imprimés en 3D qui doivent démouler les pièces, pas coller à elles. »

Futurs composites imprimés en 3D industriels (et volants)

En discutant de certains autres projets que le LCC poursuit dans la fabrication additive, je demande à Consul ce qui a freiné le CFRP dans les exosquelettes ? « Parce que les exosquelettes doivent être adaptés à chaque porteur, les pièces sont spécialisées donc le volume n'est pas grand », répond-il. « Notre projet vise à permettre la production de composants d'exosquelette pour membre inférieur spécifiques au patient pour permettre la production d'un exosquelette spécifique au patient en moins de 24 heures. Ces exosquelettes soutiendront la rééducation des patients victimes d'AVC basés sur leurs profils biophysiques et besoins uniques de rééducation médicale. » (Voir l'article CW, « L'exosquelette C-FREX dépend du CFRP… »)

« Les gens ont le concept que l'impression 3D peut imprimer n'importe quelle pièce, mais il faut d'abord avoir de l'expérience avec l'impression 3D et les composites. Par exemple, il y a souvent des problèmes d'adhérence couche à couche et d'anisotropie qui doivent être compris. Les pièces composites imprimées en 3D n'auront pas la même conception que celles actuellement faites en plastique et métal. »

Il note qu'il reste des problèmes à surmonter pour l'utilisation de composites imprimés en 3D pour la production de pièces aéronautiques à haute performance, par exemple : Comment concevoir ces pièces pour la fabrication additive ? Comment identifier les pièces où la fabrication additive apporte de la valeur ? « L'outillage aérospatial est le principal domaine d'application que notre équipe examine actuellement », dit Consul. « Imprimer le moule convient bien. Ces moules doivent résister aux mêmes conditions de polymérisation que les pièces mais il y a moins de risque associé aux moules qu'aux pièces volantes. Un bon exemple est les raidisseurs de nervures pour ailes, où il y a un grand nombre de pièces différentes mais peu de cycles par pièce. C'est donc un bon moyen de générer de l'expérience avec la technologie. Il est trop tôt pour viser des pièces structurelles qui voleront. Nous viserons cela à long terme, mais imprimer des outils nous permettra de stabiliser le processus d'impression 3D avec des propriétés haute performance et de développer la capacité de prédire avec précision ces pièces et processus en simulation. »