Industrialisation de l'époxy thermoplastique : innovations et applications

Cecence (Salisbury, Royaume-Uni) a été fondée en 2014 par trois fondateurs forts de plusieurs décennies d'expérience dans les composites. Le directeur Mike Orange a une longue histoire dans le gréement et les mâts en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) pour yachts. Le responsable de l'innovation Humphrey Bunyan était auparavant chef de l'innovation chez Future Fibres (Valence, Espagne). « Ils [Future Fibres] fabriquaient tout le gréement composite pour la Coupe de l'America et d'autres navires de course, ainsi que des attaches en PRFC pour maintenir les roues sur les voitures de Formule 1 », explique Orange (voir « Construction navale en composites : gréés pour le succès »). « Nous comprenions les avantages du léger mais nous nous heurtions à d'autres secteurs qui n'avaient pas notre expérience et peinaient avec les coûts, la montée en cadence de la fabrication et le respect des réglementations incendie. »

C'est ainsi que Cecence (prononcé « see-sense », comme « common sense » avec les composites en fibres de carbone) a été fondée pour se concentrer sur la résistance au feu, la fabrication industrialisée et la durabilité. Cela a abouti à des développements tels qu'un dossier de siège d'avion en composite carbone/biorésine moulé par compression, ne pesant que 7,5 kg, réduisant l'épaisseur du siège à moins de 20 mm et augmentant l'espace et le confort des passagers, tout en respectant toutes les exigences feu, fumée et toxicité (FST).

« Dans un projet antérieur, Cecence avait développé une méthode de fabrication par pressage à chaud qui a réduit le temps de cycle de 2,5 heures à 7 minutes pour un dossier de siège classe économique en utilisant des phénoliques à prise rapide développés avec le préimpregnateur britannique FTI (Somerset) », explique Orange. Pour ce dernier dossier de siège, développé avec Design Q (Redditch, Royaume-Uni), Cecence a élargi son portefeuille FST en utilisant un préimprégné de résine polyfuryl alcohol (PFA) développé par SHD Composites (Sleaford, Royaume-Uni). Le PFA est un polymère thermodurcissable dérivé de la biomasse qui se comporte comme un phénolique avec une excellente aptitude au traitement de surface et une durabilité (voir « Résister au feu sans le poids »). « Nous avons travaillé avec SHD Composites et poussé leur chimie pour un durcissement plus rapide », dit Orange. « C'est ce que nous faisons : prendre des matériaux, des procédés et des conceptions et les développer davantage pour que les produits composites puissent être fabriqués à grande échelle de manière commercialement viable et durable. »

Époxy thermoformable

La vitesse de fabrication et la durabilité étaient des facteurs clés lorsque Cecence a découvert un système de résine époxy thermoplastique il y a plusieurs années. « Cet époxy thermoplastique avec des composants époxy au bout de ses chaînes polymères était utilisé par une entreprise textile qui ne réalisait pas son potentiel dans les composites », explique Orange.

« Nous avons immédiatement compris les avantages d'un thermoplastique à faible viscosité capable d'imprégner les fibres très bien tout en permettant un époxy thermoformable », déclare Humphrey Bunyan. Cecence a développé un préimprégné basé sur cette technologie d'époxy thermoplastique, puis une famille de produits sous la marque K_Series : K_Rod enroulable, K_Plate semi-préimprégné de 0,25 à 1,98 mm d'épaisseur, et composé de moulage K_Chip (Fig. 1). « Nous avons pu presser des composants en moins de trois minutes », dit Orange, « et avons démontré une variante FR répondant aux exigences FST pour les intérieurs d'avions. » Cecence a également utilisé le matériau pour développer un système d'équipement de ligne aérienne composite (COHLE) pour lignes ferroviaires électriques qui réduit de moitié le nombre de pylônes/pôles de soutien et le coût global d'installation et d'exploitation de 100 000 £ (124 200 $) par kilomètre.

Avantages de l'époxy thermoformable

« Avec les thermoplastiques typiques, vous avez un polymère matrice à haute viscosité difficile à forcer dans les fibres », explique Bunyan. « Il est donc difficile d'obtenir une bonne imprégnation des mèches ou tissus. Mais l'époxy thermoformable K_Series a une viscosité très faible — 80 centipoises à 100 °C. Cela nous permet de préimprégner des renforts en fibres de verre, de carbone et naturelles avec une excellente distribution résine/fibre et généralement 60 % de fibres en poids. Nous pouvons également utiliser des fibres avec un enduisage pour époxy, ce qui n'est généralement pas compatible avec les thermoplastiques. » Et pourtant, ce système est un vrai thermoplastique, permettant le reformage de pièces finies à 180-200 °C sans réaction chimique ni exothermie.

« Comme l'époxy, il adhère bien à la fibre, donc pas de séparation fibre/matrice, même sous de hautes pressions de moulage », note Orange. Cela fait référence à un problème qu'il a vu avec des composés polyamide (PA) et polypropylène renforcés de fibres courtes. « Nous travaillions avec une couche de PA fondue sur un tissu par pressage à chaud pour faire une plaque plane. La matrice ne collait pas aux fibres, elle les entourait seulement. Donc, quand on la pressait en pièce, on obtenait de l'arrachement de fibres. »

K_Plate, qui se traite à 150-220 °C, offre une température de service de 100 °C pour de courtes expositions et une utilisation continue à 90 °C. Les composés K_Chip à mèches unidirectionnelles hachées sont pressés à 240 °C. « Le Tg [température de transition vitreuse] et le début de déformation thermique pour K_Series sont plus bas que les époxy typiques, mais c'est aussi ce qui rend le reformage et le recyclage faisables », dit Orange. Les procédés K_Series sont aussi rapides. « Cecence a travaillé avec RocTool [Le Bourget du Lac, France] au JEC 2016 pour démontrer le thermoplastique à formage le plus rapide qu'ils aient vu », dit-il, notant un temps de cycle de 2 minutes 40 secondes pour un capot automobile. « Le temps de maintien n'était que de 25 secondes avant refroidissement, en utilisant 8-9 bar de pression au-dessus de la membrane sous vide. Ils étaient aussi satisfaits de la finition des surfaces mates et brillantes [voir image d'ouverture], notant que notre matériau offrait la meilleure finition de tous ceux testés. »

De plus, les composants époxy dans les produits K_Series rendent les pièces composites faciles à peindre et à coller, sans les apprêts et préparations spéciales requis pour les thermoplastiques traditionnels. « Vous pouvez les coller secondairement avec des adhésifs standards », ajoute Bunyan. « Vous obtenez aussi de bonnes propriétés de cisaillement interlaminaire et, globalement, ces matériaux permettent des structures résistantes et absorbant l'énergie, grâce au thermoplastique. »

Caténaire CFRP pour ferroviaires électriques à moindre coût

Cette double nature de l'époxy thermoplastique s'illustre dans un système d'équipement de ligne aérienne (OHLE) développé par Cecence utilisant une caténaire CFRP faite avec K_Rod. La caténaire et le fil de contact porteur de courant sont les deux fils principaux dans l'OHLE d'un chemin de fer électrique (Fig. 2). L'électricité est délivrée au locomotive du train par un pantographe, qui s'étend du toit de la locomotive pour appuyer sur le fil de contact. « La caténaire agit comme un pont suspendu entre pylônes (mâts, poteaux), espacés tous les 25 mètres le long des voies », explique Orange. Le fil de contact en cuivre est suspendu à la caténaire par des fils de suspension verticaux, un peu comme la route est soutenue par les câbles d'un pont suspendu.

« En utilisant un câble de tension K_Rod comme caténaire, il peut se situer à seulement 70 millimètres au-dessus du fil de contact en cuivre », souligne Orange (Fig. 3). « L'ensemble du système est plus compact avec un impact visuel bien moindre sur l'environnement. » Les systèmes OHLE actuels utilisent des câbles de caténaire en acier, qui changent de longueur avec la température. « En été, ils s'allongent jusqu'à 400 millimètres par kilomètre », note-t-il. Pour contrer cet affaissement, des contrepoids en béton sur poulies sont installés comme système d'auto-tension, mais augmentent le coût global.

« Le poids de la ligne en acier et son profil d'affaissement expliquent aussi pourquoi tant de poteaux sont nécessaires », note Orange. « Notre câble CFRP change de longueur de seulement 7 millimètres par kilomètre en été car l'expansion thermique négligeable de la fibre de carbone crée un composite thermiquement stable. Il est aussi 80 % plus léger que le câble en acier, ne s'affaisse pas et permet d'espacer les pylônes à 50 mètres, ce qui divise par deux le nombre de pylônes requis. » Cela permet d'autres économies car pour chaque pylône il y a un bras de cantilever soutenu par un hauban.

De plus, les systèmes OHLE conventionnels utilisent des composants tout métal, ce qui nécessite l'ajout d'isolateurs pour empêcher la conduction indésirable du courant électrique. « Le COHLE de Cecence n'a pas besoin de tous ces isolateurs car il utilise des poteaux et bras de cantilever en composite de fibres de verre (VF) non conducteurs avec des haubans composites non conducteurs », explique Orange. « Nous utilisons aussi des fils de suspension intermédiaires en acide polylactique (PLA) imprimé en 3D. Contrairement à un système métallique, les poteaux n'ont pas besoin de peinture régulière et les composites résistants à la corrosion nécessitent moins de maintenance. »

« L'époxy thermoplastique joue un rôle clé dans la caténaire CFRP », poursuit-il. « Cecence l'utilise à la fois dans le noyau en fibres de carbone K_Rod et dans la gaine tressée en composite VF. Le résultat est un câble léger, haute résistance, isolé, enroulable et qui colle bien quand il est collé dans une douille, résolvant le problème habituellement délicat de terminaison pour les câbles composites en fibres de carbone. Grâce à l'incroyable transfert de charge du noyau vers la douille à travers le tressage, nous n'avons pas besoin d'une grande longueur de douille et ce système est facile, donc pratique à installer sur le terrain par des techniciens ferroviaires. »

Même si le câble CFRP coûte trois fois plus qu'une caténaire en acier, le coût global du système est réduit de 512 000 £ à 413 000 £ par kilomètre, dit Orange. Ces coûts, calculés avec la multinationale d'ingénierie et d'infrastructure Atkins (Londres, Royaume-Uni), incluent des économies d'exploitation/maintenance de 400 000 £ à 3,4 millions £ par kilomètre sur la durée de vie du système.

« Cecence a livré les composants prototypes en mai 2019 », dit Orange, « et nos partenaires de développement avaient prévu d'installer les lignes électriques en février 2020, mais cela a été retardé à cause du COVID-19. L'ensemble du système a été exposé au salon Advanced Engineering Show en 2019 et a remporté le prix Composites UK Innovation Award. »

Autres applications et développements de la K_Series

Au-delà de l'application OHLE, Cecence explore d'autres opportunités pour appliquer ses produits K_Series. « Cecence a aussi travaillé sur des projets où les câbles K_Rod étaient utilisés comme ancrages pour une falaise de pierre dans un projet de construction en Suisse », dit Orange. « Nos partenaires de projet devaient forer des trous de 80 mètres de profondeur dans la roche, insérer les câbles CFRP et remplir de béton. Il y a eu des résultats de test incroyables, mais le partenaire académique n'a jamais connecté avec l'industrie pour développer le projet au-delà de l'échelle de laboratoire. Nous poursuivons d'autres démonstrations, cependant ce système est à l'épreuve de la corrosion et offre un bon transfert de charge. Il pourrait aussi s'appliquer comme ancrages au sol pour divers systèmes de construction, comme des bâtiments anti-ouragans. »

Des vidéos sur YouTube et le site de Cecence démontrent la thermoformabilité de ses produits K_Plate. « Il y a aussi eu des discussions pour explorer des applications pour des profils d'aile à géométrie variable/morphing avec une entreprise aérospatiale britannique », dit Orange. Cecence a démontré un matériau automobile rentable utilisant K_Chip fait avec des mèches composites hachées comme matériau hybride CF/VF/époxy thermoplastique, maintenant un rapport 2:1 de carbone à verre, confirmé par tests.

L'entreprise a également développé une K_Series haute température avec un Tg de 250-300 °C qui se traite à 360-400 °C. « Cela a été utilisé pour un constructeur automobile qui voulait que les pièces CFRP survivent à leur processus de peinture E-Coat à 180 °C », dit Orange. « Nous avons aussi le matériau K-FR, qui peut passer les exigences FST de combustion verticale, de dégagement de chaleur et de toxicité des fumées pour l'aéronautique, et nous regardons comment aider à l'amortissement des vibrations pour réduire le bruit de cabine d'avion. Nous pouvons ajuster le thermoplastique et ajouter des couches de matériau élastomère pour obtenir une réduction significative du bruit. »

Samantha Bunyan, la troisième fondatrice de Cecence et responsable de l'engagement industriel, souligne que la recyclabilité est aussi un domaine clé de développement. Cecence fait partie du consortium ReDisCoveR Composites, géré par le Centre National des Composites (Bristol, Royaume-Uni). Il a été créé en avril 2019 et poursuit 24 projets selon quatre axes : recyclage, désassemblage, matériaux circulaires et réutilisation. « Dans ces projets, nous examinons le désassemblage de composants et démontrons la vraie recyclabilité des composites thermoplastiques », dit Bunyan. « L'industrie est enfin forcée de prouver la recyclabilité qu'elle revendique depuis des années. Cecence voit les avantages de pouvoir recycler les produits K_Series en époxy thermoplastique, mais doit aussi démontrer les processus et la faisabilité économique. »

« Nous croyons qu'il y a beaucoup plus de place pour les composites durables dans le transport de masse, y compris les intérieurs d'avions, les sièges et les applications ferroviaires », dit Orange, ajoutant que Cecence n'est pas seulement un partenaire de développement mais aussi de fabrication. « Nous avons fabriqué 2 500 dossiers de sièges composites pour avions de type A320 à ce jour et étions en voie de produire les dossiers de sièges les plus légers et les plus fins de l'industrie avant l'épidémie de COVID-19. Les chutes de sièges composites peuvent être réutilisées dans les repose-pieds et accoudoirs. Le recyclat peut aussi être utilisé dans d'autres pièces auxiliaires utilisant actuellement des plastiques vierges. Tout cela peut aider à réduire la consommation de combustibles fossiles et les émissions ainsi qu'à faciliter l'électrification et augmenter la durabilité. »

Dans les composites, note Samantha Bunyan, « la durabilité est triple : matériaux, procédés (rapides et basse énergie) et chaîne d'approvisionnement. Nous perturbons les trois, en travaillant avec des innovateurs du monde entier qui ne sont pas vus car la plupart ne regardent que les grandes entreprises. Le monde a besoin de nouvelles solutions qui fonctionnent pour l'industrie. C'est ce que fait Cecence. »