Faire progresser le RAPM avec PtFS : Accélérer la fabrication de composites

Ce blog est un encart en ligne pour l'article de mai 2020 « Révolutionner le paradigme des coûts des composites, Partie 2 : Formage », qui discute du programme RApid high-Performance Manufacturing (RAPM, prononcé « wrap-em ») dirigé par The Boeing Co. (Chicago, Illinois, États-Unis), la partie « formage » du programme Tailorable Feedstock and Forming (TFF) de la DARPA pour permettre la fabrication rapide, peu coûteuse et agile de petites pièces composites de forme complexe.

Les trois pistes matériaux et procédés du programme RAPM — infusion de résine, préimprégné thermodurcissable et formage thermoplastique — incluaient des essais utilisant un système de contrôle de chauffage pixellisé et d'outillage Production to Functional Specification (PtFS), fourni par Surface Generation, et situé chez Boeing R&T à St. Louis (voir tableau ci-dessous).

Notez que le PtFS est commercialisé depuis des ans. Ce blog concerne le développement de procédé du RAPM utilisant le système PtFS. Références pour ce blog :

• Article technique et présentation au SAMPE 2019 (20-23 mai, Charlotte, Caroline du Nord), « Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells » par Steven M. Shewchuk¹, Ben Halford², Michael P. Matlack¹, Andrew Sharpe² et Pete Massey². ¹The Boeing Company, St. Louis, Missouri, États-Unis. ²Surface Generation Ltd. (Rutland, Royaume-Uni).
• Article technique SAMPE 2020, « Compression Molding of Complex Thermoset Laminates » par Travis R. Adams, Timothy J. Luchini, Jared B. Hughes, Steven M. Shewchuk, Adam Martinez et Gail Hahn, The Boeing Company.

Composants du système PtFS

Le système PtFS est modulaire et peut être complètement autonome ou utiliser des parties d'infrastructure existante. Pour la pression de compactage/consolidation, le système peut utiliser une presse hydraulique existante ou un dispositif de serrage d'outil à action hydraulique. La cellule PtFS de Boeing St. Louis est équipée de ce dernier, un dispositif de serrage de 150 tonnes métriques conçu par Surface Generation. Cette cellule de moulage accueille un volume de pièce de 750 × 750 × 100 mm.

La cellule PtFS de Boeing St. Louis inclut le contrôle de position et de pression. « Le logiciel Orchestrator de Surface Generation est utilisé pour contrôler la cellule de travail CF-OaO-RAPM PtFS », note Gail Hahn, fellow technique de Boeing et directrice du programme RAPM. « Chaque outil est calibré dans le système par le réglage du déplacement et de la pression. La calibration de pression est conduite pour accorder l'hydraulique aux pressions attendues que l'outil subira pendant le traitement. La calibration de séparation d'outil et de déplacement est faite pour définir la position d'ouverture/fermeture de l'outil ainsi que les zones de fermeture lente/rapide, qui protègent la face de l'outil pendant le contrôle manuel et automatique. » Les mesures de position sont effectuées avec quatre potentiomètres à fil, explique Steven Shewchuk, ingénieur matériaux composites et chercheur RAPM chez Boeing. « Chacun est situé sur un poteau de guidage du dispositif de serrage pour mesurer la position du plateau ainsi que pour fournir une méthode de sécurité pour identifier le désalignement du plateau pendant l'opération. Le contrôle de pression est complété par un unique capteur de pression en ligne pour fournir une rétroaction de contrôle à la pompe hydraulique du dispositif de serrage. »

Au-dessus et au-dessous du dispositif de serrage se trouvent les unités de base de chauffage supérieures et inférieures. Celles-ci contiennent tous les composants de chauffage/refroidissement et fonctionnent en réponse aux sorties des armoires de contrôle (trois armoires pour chaque unité de base de chauffage dans la configuration Boeing). Les faces d'outil sont conçues pour chaque unité de base de chauffage et installées à l'aide d'un système de rail et de chargement.

Chaque face d'outil est chauffée et refroidie par de l'air comprimé dirigé vers la face inférieure de chaque face d'outil et dispersé via un diffuseur. Chaque ensemble de faces d'outil métalliques assorties est divisé en 180 canaux de chauffage individuellement contrôlables — 90 pour la face d'outil supérieure et 90 pour l'inférieure. Les canaux de chauffage sont espacés de 10,0 cm dans une grille sur chaque face d'outil. Chaque canal a un chauffage, une source d'air comprimé à deux étages et deux thermocouples de rétroaction à ressort pour assurer un contact intime avec le dos de la face d'outil. Le chauffage des faces d'outil RAPM utilisait 1 pied cube par minute d'air comprimé par canal de chauffage tandis que le refroidissement utilisait 3 pieds cubes par minute.

Faces d'outil

Les faces d'outil dans le RAPM étaient usinées dans de l'acier à outil à une épaisseur d'environ 3 mm. La face d'outil inférieure pour TS-RAPM-001-201 est montrée en haut à gauche dans la figure ci-dessus. Le dessus de la face d'outil ressemble à un outil d'estampage standard, mais le dessous révèle les canaux de chauffage.

Les faces d'outil de géométries acceptables peuvent être changées avec d'autres faces d'outil conçues pour la même unité de base de chauffage. L'outil aura besoin des mêmes dimensions de canaux de chauffage, placement approximatif des thermocouples et une profondeur qui s'inscrit dans la course des thermocouples à ressort.

Le système de chargement par rail utilisé pour changer une face d'outil aligne les 180 thermocouples de rétroaction à ressort dans les manchons au dos de la face d'outil. Des goupilles alignent la face d'outil et permettent le chargement sans contrôle précis de chariot élévateur. Le changement d'outil peut être complété en 2-4 heures avec deux opérateurs, incluant le démontage et le remontage de la face d'outil dans son cadre.

Autant de matériau que possible est usiné pour réduire la masse thermique et améliorer les taux de chauffage et refroidissement. Pour cette raison, chaque face d'outil utilisée dans le RAPM a requis une analyse par éléments finis (FEA) structurelle pour déterminer si la face d'outil pouvait survivre à la température et pression de traitement. Les faces d'outil ont été optimisées en utilisant la FEA linéaire et non-linéaire ainsi que l'analyse thermique par dynamique des fluides computationnelle (CFD) en régime permanent et transitoire. Cette dernière a aidé à assurer un chauffage uniforme de l'outil. À la fois l'épaisseur de l'outil et les diffuseurs d'air dans chaque canal de chauffage ont été modifiés pour améliorer l'uniformité de température. Une boucle itérative entre FEA et CFD a permis d'adapter la géométrie pour maintenir la température de face d'outil souhaitée tout en respectant les facteurs de sécurité requis pour le support de la face d'outil.

Zones de chauffage et contrôle de température

Les canaux de chauffage sont généralement groupés en zones, le nombre de canaux par zone étant spécifié par pièce. Chaque zone a un profil de chauffage associé et des tolérances peuvent être définies à l'intérieur et entre les zones selon les besoins. Cela permet à tous les chauffages de chaque zone de chauffer, refroidir ou maintenir la température en suivant son profil de chauffage prescrit en variant dynamiquement les niveaux de puissance des chauffages et les débits d'air comprimé.

Bien que le logiciel de contrôle de l'équipement PtFS ait des stratégies de chauffage analogiques et numériques pouvant être adaptées à différents scénarios de chauffage, la cellule RAPM utilise le contrôle analogique. Cela nécessite un auto-réglage du système pour déterminer les niveaux de puissance des chauffages aux températures cibles. Les niveaux de puissance pour chaque chauffage sont définis pour prévenir le sur- ou sous-dépassement pendant les rampes de chauffage/refroidissement et pour maintenir les points de consigne de température. L'auto-réglage détermine automatiquement les valeurs constantes pour une méthode de contrôle Proportionnel Intégral Dérivé modifiée pour chaque canal de chauffage à chaque température spécifiée. Une fois l'auto-réglage terminé, des profils de chauffage peuvent être écrits pour chaque zone. Tous les profils thermiques ont été vérifiés pour assurer que la pièce composite était exposée à des températures dans les ±5,5 °C (±10 °F) du point de consigne souhaité.

La cellule PtFS de Boeing a une température maximale de 440 °C. Initialement, lorsque Boeing traitait plusieurs cycles haute température par jour, il y avait inquiétude que certains composants puissent être endommagés par manque de refroidissement entre les cycles de traitement. Cependant, le système de refroidissement a été mis à niveau en sept-oct 2019, incluant une capacité de ventilateur supplémentaire pour l'extraction de chaleur. Avec ce refroidissement amélioré, la cellule peut traiter en continu à 440 °C.

En utilisant un grand volume d'air comprimé à température ambiante comme méthode de refroidissement, le refroidissement de la face d'outil était rapide près du haut de la plage de température mais ralentissait significativement en atteignant 60 °C (140 °F). Pendant le chauffage aux températures thermoplastiques (>350 °C), la température de la face d'outil montait à un taux moyen de 41 °C/min (74 °F/min). Pendant le refroidissement du même cycle, le taux de refroidissement maximal moyen était de 36 °C/min (65 °F/min). L'utilisation d'air comprimé pour le refroidissement fournissait une rampe de refroidissement plus continue et, combinée à la gestion thermique active (c.-à-d. chauffage quand requis), la température restait assez linéaire pendant le refroidissement.

Estampage isotherme de préimprégnés thermodurcissables

Les premiers essais de pièces utilisant la cellule de travail PtFS étaient pour les panneaux d'accès à perles TS-RAPM-001 faits par moulage par compression de préimprégné thermodurcissable (estampage). L'outil pour cette pièce occupe 112 des 180 canaux dans la cellule PtFS RAPM. Cela inclut 56 canaux sur la face d'outil supérieure et 56 sur la face d'outil inférieure. La pièce réelle, cependant, ne couvre pas la totalité de cet outil — mais seulement 30 de ces 56 canaux pour chaque face d'outil, supérieure et inférieure. La figure ci-dessous montre le placement des 78 thermocouples (TC) utilisés pour les pièces RAPM-001 — 39 pour la face supérieure et 39 pour la face inférieure avec le même placement pour les deux. Le nombre de TC comprend un par cellule (canal de chauffage) plus des TC supplémentaires dans les zones chaudes et froides identifiées dans l'analyse thermique CFD.

La face d'outil vide a été testée pour l'uniformité de température et le test a été répété après l'intégration de thermocouples au point milieu d'un stratifié carbone/époxy tissé de 16 plis. Une fois le matériau composite ajouté, la distribution de température de la face d'outil devient plus serrée car le composite agit comme un chemin de transfert de chaleur. De plus, l'uniformité de température à l'intérieur du stratifié composite était plus serrée que les lectures de la face d'outil. Le TC unique dans l'Essai 1 (voir les figures ci-dessous, en haut du graphique à droite) qui oscillait au-dessus de la plage de température souhaitée était près du bord de la pièce et est soupçonné d'avoir été causé par des fluctuations de température des cellules voisines en dehors de la ligne de découpe de la pièce.

Le moulage par compression isotherme du traitement maintenait l'outil à 176,7 °C (350 °F) dans la tolérance de ±5,5 °C (±10 °F). Pour TS-RAPM-001, la séquence suivante était suivie :

• Le système chauffe à 187,7 °C en env. 8 minutes
• Charge composite chargée dans l'outil chaud
• Outil fermé à 12:09 (par exemple)
• 30 minutes temps sur outil pour gélifier le composite
• Premier stade de pression : chauffage initial rapide de la charge tout en minimisant l'exsudation de résine
• Deuxième stade de pression : rampe à 300 psi pour assurer une bonne consolidation et prévenir la croissance des vides
• Retrait du composite « vert » de l'outil chaud pour post-durcissage

Ce procédé a atteint des pièces de haute qualité et démontré des temps de cycle inférieurs aux procédés composites actuels. Une température de procédé plus élevée pourrait gélifier le composite encore plus vite mais pourrait aussi causer une dégradation du matériau et un risque d'exothermie. C'était une préoccupation car l'outillage PtFS n'utilise pas de grande masse thermique traditionnelle pour absorber l'exothermie mais repose plutôt sur le refroidissement actif du dos d'outils à faible masse thermique pour dissiper l'exothermie.

La cellule PtFS a également été utilisée pour fabriquer les pièces défi « wave » TS-RAPM-012. En utilisant les essais de développement antérieurs, il a été déterminé de durcir ces pièces en utilisant un cycle isotherme de 30 minutes à 177 °C suivi d'un post-durcissage de 2 heures à la même température. Différences par rapport aux essais précédents, cependant, incluaient une géométrie plus agressive et un stratifié quasi-isotrope utilisant l'époxy CYCOM 5320-1 — standard pour les pièces aérospatiales hors autoclave — combiné avec des couches de carbone satin 8 brins et unidirectionnel et un pli externe de tissu de verre tissé Style 108 d'un côté. Le contrôleur PtFS RAPM était programmé pour appliquer une quantité minimale de pression sur le stratifié jusqu'à ce qu'une viscosité appropriée soit atteinte. Après cette étape initiale, la pression finale était appliquée pour finir le durcissement. Un essai a été post-durci dans un four, tandis que les autres l'étaient dans le dispositif de serrage PtFS pour réduire le temps entre essais. De multiples pièces de haute qualité ont été produites.

Cycles de température dynamiques pour l'infusion de résine

Les essais de pièces d'infusion de résine utilisant la cellule de travail PtFS ont commencé avec la pièce canal en C courbe RI-RAPM-003. Trois systèmes de résine époxy différents ont été initialement testés :

• Solvay CYCOM 823, infusé à 80 °C puis rampé pour palier à 125 °C
• Huntsman FAF2 (système à durcissement rapide) infusé à 100 °C avec palier à 150 °C
• Applied Poleramic (maintenant acquis par Kaneka) API DD3-84 (aussi un système à durcissement rapide) infusé à 60 °C avec une température de palier de 160 °C.

La préforme en tissu sans ondulation était infusée, rampée à 2 °C/min à la température de palier spécifiée et maintenue pendant 60 minutes avant refroidissement. Pour les résines à durcissement rapide, au fur et à mesure que la réaction exothermique progressait, le PtFS appliquait automatiquement un refroidissement actif sur les régions d'outil spécifiques pour maintenir les températures de pièce spécifiées.

L'équipement PtFS était également capable de fournir le contrôle positionnel pour soutenir une méthode d'infusion par interstille pour les pièces RI-RAPM-003. Dans cette méthode, l'outil était fermé à une hauteur initiale du joint de vide, permettant à l'outil de rester ouvert de 1,3 mm pendant l'infusion. Après la fin de l'infusion, l'outil était ensuite fermé de la distance restante pour chasser la résine dans la préforme dans la direction z. Des pièces ont été fabriquées avec succès en utilisant ce procédé.

Contrôle de température dynamique pour l'estampage thermoplastique

L'équipement PtFS a également été utilisé pour fabriquer le canal en C courbe RAPM-003 en composites thermoplastiques. Plus précisément, il a été utilisé pour consolider une préforme complexe, qui passait de 32 à 24 plis le long de la longueur de la pièce, en une charge plate à section transversale effilée. Les charges consolidées étaient ensuite envoyées à ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, États-Unis) qui estampait la pièce finale avec des ailes verticales.

Le matériau consolidé pour le canal en C courbe TP-RAPM-003 était un tissu sergé 2x2 en fibre de carbone enduit de poudre de polyetheretherketone (PEEK). La cellule de travail PtFS a été utilisée pour former par superplasticité un ballonnet en AZ31 magnésium sur la charge thermoplastique, chauffant le ballonnet et la charge à une température de processus PEEK de 400 °C en env. 55 minutes.

À cette température de formage, du gaz argon était appliqué au ballonnet, qui appliquait une pression de consolidation au matériau composite thermoplastique. La cellule refroidissait ensuite le ballonnet et la charge en dessous de la température de cristallisation du PEEK en 30 minutes, pour un temps de cycle total de 3 heures.

La diapositive 11 ci-dessus montre la progression de la pression appliquée pendant le formage par superplasticité du ballonnet et la consolidation du thermoplastique — augmentant de 20 psi à 140 psi après que le ballonnet a atteint la température de formage par superplasticité, qui était maintenue pendant le refroidissement. Les préformes ont été consolidées avec succès et envoyées à ATC Manufacturing où les pièces ont été estampées pour cette géométrie extrêmement difficile.

La cellule PtFS a également été utilisée pour l'estampage en une étape charge-à-pièce de panneaux TP-RAPM-017 faits d'un stratifié équilibré et symétrique de ruban UD carbone/polyetherketoneketone (PEKK) dans une étude de la façon dont diverses options et caractéristiques de pièce affectent le formage par ballonnet. Les panneaux TP-RAPM-017 mesuraient 40,6 × 40,6 cm avec un contour doux atteignant 1,3 cm de hauteur. Trois géométries de pièces différentes étaient évaluées — plate (pas de réduction de plis), réduction de plis unidirectionnelle et cadre d'image — ayant 32 plis dans les zones épaisses, 16 plis dans les zones fines et un rapport de réduction de plis de 20:1 entre les deux. Le temps de cycle de pièce était de 1,5 heures pour toutes les géométries.

Les faces d'outil étaient usinées dans de l'Invar 42 pour correspondre au mieux à l'expansion thermique du ruban composite thermoplastique UD. Les kits de plis en ruban UD étaient découpés et collatés, soudés par ultrasons ensemble et placés dans l'outil de durcissage, où ils étaient chauffés à 385 ± 15 °C. Divers cycles de pression étaient testés, et la pièce était ensuite refroidie en dessous de 220 °C, après quoi la pression était relâchée et la pièce démoulée.

Un exemple de cycle de pression pour la géométrie 1 était 20 psi à température ambiante, rampe à 140 psi après que le thermocouple retardataire atteigne la température de fusion de 310 °C et puis refroidi à 10 °C/minute sous pression jusqu'à ce que le thermocouple de la pièce mesure en dessous de 220 °C. Des pressions initiales de 20, 30, 50 et 70 psi ont été testées. Les rampes de pression étaient également variées de 10 psi par minute à 10 psi par 15 secondes, jusqu'à la pression maximale de 140 psi.

Un résultat notable était que tous les panneaux montraient de mauvais résultats de C-scan là où les plis étaient soudés par points ultrasoniques. Ainsi, pour de meilleurs résultats, de telles soudures par points devraient être situées en dehors de la ligne de découpe nette de la pièce. Des pièces acceptables ont été produites mais certaines montraient une mauvaise consolidation aux bords des plis. Cela a été remédié en augmentant la pression de compactage initiale à 30 psi avant la montée en température. Cependant, cette augmentation de pression a causé une certaine rugosité de surface/fini mat du côté ballonnet de la pièce. Aussi, certains panneaux géométrie 2 faits en utilisant les pressions de compactage initiales de 50 et 70 psi montraient des plis au centre des pièces. On a cru que ces pressions plus élevées pouvaient avoir empêché les plis de glisser les uns par rapport aux autres pendant le traitement, piégeant ainsi le pli dans les pièces.

Une autre variation essayée était le remplacement du gaz argon par du gaz azote moins cher pour la pressurisation du ballonnet, mais cela a aussi diminué la qualité des pièces, incluant une rugosité de surface/fini mat qui causait des niveaux d'atténuation plus élevés dans les résultats de C-scan, même si aucune porosité n'a été trouvée en coupes transversales.

Avantages et inconvénients du PtFS dans le RAPM

La cellule de travail PtFS a démontré un chauffage rapide (<10 minutes pour le durcissement époxy à ≈180 °C). Combiné avec des changements d'outils automatisés, cela pourrait permettre des changements de pièce rapides et réduire le coût des pièces composites pour de courts runs de fabrication. Le PtFS est également bien adapté pour les runs dynamiques haute température (par opposition aux cycles de pièce isothermes).

La capacité de la cellule PtFS de Boeing St. Louis a été significativement augmentée pendant le programme RAPM, grâce à des mises à niveau logicielles améliorées pour une meilleure uniformité thermique et contrôle du dispositif de serrage, capacité de refroidissement améliorée et contrôle des thermocouples, ainsi qu'un système de contrôle de pression pressclave automatisé. Une augmentation de capacité supplémentaire pourrait être possible en utilisant la vaste quantité de données générées et enregistrées par le système chaque seconde, incluant chaque point de consigne de canal de chauffage, niveau de puissance de chauffage, niveau d'air comprimé, etc. L'application d'apprentissage automatique à ces données pourrait générer des améliorations de qualité de pièce et de procédé. D'autres améliorations logicielles pourraient aussi permettre à ces données d'identifier des anomalies de traitement telles qu'une énergie excessive requise et une faible réactivité de positions d'outil spécifiques.

« Le PtFS fournit beaucoup de personnalisation comme l'implique son nom : Production to Functional Specification », dit Hahn, « mais cette personnalisation peut nécessiter un investissement en temps pour établir et "régler" le système pour une nouvelle configuration outil/pièce. » La plupart des conceptions de faces d'outil en métal usiné pour le RAPM ont été produites par Surface Generation au Royaume-Uni. Cependant, Boeing et Surface Generation ont « entraîné » un concepteur d'outils américain et un fabricant d'outils américain pour démontrer que la conception de face de moule pouvait être conduite aux États-Unis par des sources autres que Surface Generation. Cette face de moule, CMD-TP-RAPM-008-503, a été utilisée avec succès pour fabriquer des panneaux d'accès à fibres courtes TP-RAPM-008-203.

« Bien qu'une forme de contrôle de température dans l'outil et/ou la pièce aide dans tout moulage de pièces composites », explique Hahn, « ce qui est réellement requis est le contrôle de température aux zones critiques et moments critiques, et cela varie par pièce et procédé. Ainsi, comprendre le contrôle de température réellement requis pour former une pièce donnée est la clé. Les 180 zones du PtFS sont utiles, mais aussi coûteuses car chacune exige un canal usiné dans l'outil. Si la pièce n'a besoin que d'une zone extérieure et intérieure ou d'une zone spécifique le long d'une géométrie de point de déclenchement, alors une solution différente peut être plus abordable. Cela ouvre cependant le débat sur quelle est la meilleure approche pour développer une cellule de fabrication de pièces composites flexible à travers plusieurs types de procédés et pièces. »

Boeing et la DARPA continueront d'alimenter ce débat alors qu'ils terminent le programme RAPM en 2020 et publient d'autres résultats.