Préimprégné avancé pour moulage par compression rapide dans le RAPM

Le préimprégné fibre de carbone/époxy a été le matériau de base pour les composites aérospatiaux pendant des décennies car il fournit de hautes propriétés mécaniques et une teneur précise en résine/fibre, ainsi qu'une facilité de manipulation pour le drapage et le durcissement en autoclave. Cependant, alors que les fabricants d'avions et de mobilité aérienne urbaine (UAM) explorent des cadences de production plus élevées et des coûts plus bas, le moulage par compression est attractif, réduisant les temps de cycle et augmentant l'efficacité par rapport à l'autoclave. À son niveau le plus simple, le moulage par compression comprend le préchauffage du matériau de moulage, son placement dans une cavité d'outil ouverte et la consolidation sous pression hydraulique à température, pendant laquelle le matériau thermodurcissable liquide est converti en solide. La pièce durcie est ensuite éjectée pour les éventuelles étapes de parage et de finition requises.

Combiner le moulage par presse et le préimprégné ne fournit pas seulement un procédé efficace à haut débit avec la performance et la facilité de manipulation du préimprégné, il évite aussi certaines des dynamiques de procédé complexes du remplissage de renforts secs avec de la résine liquide lors de procédés tels que l'infusion de résine et le moulage par transfert de résine (RTM). Pour les petits aérostructures surtout, le moulage par presse de préimprégné offre le potentiel de temps de takt <30 minutes tout en atteignant des pièces de haute qualité à géométrie complexe.

Solvay Composite Materials (Alpharetta, Géorgie, États-Unis) était un partenaire clé dans le programme RApid high-Performance Manufacturing (RAPM) dirigé par The Boeing Co. (Chicago, Illinois, États-Unis). Le RAPM est la partie « formage » du programme Tailorable Feedstock and Forming (TFF) lancé par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Virginie, États-Unis) en 2015. Son objectif est de permettre la fabrication rapide, peu coûteuse et agile de petites pièces composites de forme complexe et d'augmenter la capacité des composites à concurrencer l'aluminium usiné dans les applications de défense.

Fournisseur de longue date de Boeing pour les applications de défense, Solvay a aussi été un leader dans les solutions novatrices pour l'aérospatial commercial, comme le préimprégné époxy hors autoclave (OOA) CYCOM 5320-1, et pour l'automobile également, comme le préimprégné vinyle hybride SolvaLite 730 à temps de takt de 1 minute.

Le RAPM était une opportunité parfaite pour Solvay de tester et affiner son système expérimental XEP-2750, maintenant commercialisé sous le nom CYCOM EP2750, qui a été développé pour combler la production de composites aérospatiale et automobile. Ce blog — un encart en ligne pour l'article de mai 2020 « Révolutionner le paradigme des coûts des composites, Partie 2 : Formage » — passe en revue ce développement ainsi que les procédés de moulage par compression utilisés et ce que le CYCOM EP2750 offre aux fabricants de composites aérospatiaux et automobiles.

Références pour ce blog incluent :

• « Spring Frame Press Fabrication of Aerospace Production Components » par Timothy J. Luchini¹, Alejandro J. Rodriguez², Scott A. Rogers², Aurele Bras³, Adam Whysall³, Richard Russell³, Scott Lucas², Gail L. Hahn¹. SAMPE Conference Proceedings. Charlotte, NC, 20-23 mai 2019.
  
• « Challenges of Aerospace Structural Part Geometries for High-Rate Compression Molding » par Aurele Bras¹, Alejandro J. Rodriguez², Richard Russell¹, Timothy J. Luchini³, Travis Adams³, Adam Whysall¹, Scott A. Rogers², Scott Lucas², Gail L. Hahn³. Society for the Advancement of Material and Process Engineering – North America. SAMPE Conference Proceedings. Seattle, WA, 4-7 mai 2020.
  
• « Rapid High Performance Molding of Structural xEP-2750 Prepreg for Compression Molding » par Timothy J. Luchini¹, Alejandro J. Rodriguez², Scott A. Rogers², Aurele Bras², Adam Whysall², Richard Russell², Scott Lucas², Gail L. Hahn¹. SAMPE 2019.

¹The Boeing Company, Saint Louis, MO 63134, ²Solvay Composite Materials, Anaheim, Californie, États-Unis et ³Solvay Composite Materials, Heanor, Royaume-Uni.

• Webinaire CompositesWorld : « Automotive Processes for High-rate Aerospace Composites Manufacturing » par Alejandro Rodriguez, Solvay Composite Materials, Anaheim, Californie, États-Unis.

Cibles matériau et procédé

Le CYCOM EP2750 a été développé pour répondre aux cibles de performance fixées par Boeing pour un époxy aérospatial durci, exhibant un équilibre de température de transition vitreuse (Tg) jusqu'à 350 °F, de bonnes propriétés entaillées — par exemple, compression à trou ouvert (OHC) et tension à trou ouvert (OHT) — et de résistance aux solvants. Cette nouvelle classe de préimprégné est applicable aux aérostructures primaires et secondaires et est compatible avec de multiples renforts (par exemple, fibres de carbone et de verre).

Le CYCOM EP2750 a aussi été développé avec la capacité d'augmenter la production en utilisant la manipulation automatisée et le moulage par compression. Cela inclut un temps de durcissement sur outil de 15-30 minutes à 330-370 °F, avec un post-durcissage de 1 heure à 350 °F. Ce temps de takt de 30 minutes ou moins permet un volume de production annuel de 10 000 pièces par outil.

Solvay a utilisé deux variations de moulage par compression pendant le programme RAPM : le moulage à cadre à ressorts et le formage à double diaphragme (DDF). Les deux utilisent le principe de maintenir une charge plate et de la faire passer par une étape de préchauffage infrarouge (IR) avant de la transférer dans une cavité d'outil métallique assorti. La presse ferme alors le moule en acier suivant un programme automatisé et applique la pression complète au préimprégné pour le temps restant sur outil.

Le moulage à cadre à ressorts et le DDF utilisent tous deux des outils métalliques assortis et offrent une approche chaud-dedans, chaud-dehors, éliminant la montée et la descente en température de l'outil, pour une production à haut débit. Les deux ont été utilisés pour moudre avec succès plusieurs types de pièces à géométrie complexe avec renforts locaux, ailes verticales et variations d'épaisseur de 3,8 à 8,9 mm. Ces pièces ont été faites au Centre d'Applications de Solvay à Heanor, Royaume-Uni. Bien que non disponible pendant le RAPM, Heanor dispose maintenant d'une ligne de moulage par compression entièrement automatisée du rouleau de préimprégné à la pièce moulée, atteignant des temps de takt de 15 à 60 minutes pour les pièces aérospatiales faites avec EP2750 et des temps de takt de 3 minutes ou moins pour les pièces petites à moyennes utilisant des préimprégnés automobiles. Solvay voit de multiples avantages dans le procédé DDF, notamment :

• Élimination de l'étape de préformage — de charge 2D à pièce 3D
• Pas de démoulage ou nettoyage de moule requis
• Réduction des matériaux auxiliaires (ex. : tissu de drainage, buvard, ensachage, ruban) vs autoclave
• Meilleur ratio achat-vol vs moulage à cadre à ressorts car moins de matériau excédentaire est nécessaire pour attacher les pinces à ressorts.

Imprégnation complète vs partielle maintient la pression

Les caractéristiques de l'EP2750 qui facilitent le moulage par compression incluent son faible tack pour la manipulation automatisée pick-and-place et sa nature entièrement imprégnée versus le CYCOM 5320-1, qui est partiellement imprégné pour faciliter la respiration par les bords, nécessaire pour des stratifiés sans vides en utilisant le traitement OOA. Le moulage par compression, cependant, exploite un écoulement de résine très rapide et forcé dû aux pressions plus élevées appliquées — par exemple, jusqu'à 350 psi (maximum typique pour l'EP2750) comparé à 35 psi courant en traitement autoclave et 14,7 psi en traitement OOA sous vide seul.

Avoir un préimprégné plus entièrement imprégné, même si la teneur en résine est seulement légèrement plus élevée — 40 % dans le CYCOM EP2750 comparé à 36 % dans le CYCOM 5320-1 — maintient la pression hydrostatique pendant le compactage et le durcissage dans la cavité d'outil métallique assorti, résultant en moins de risque pour les zones sèches, l'épaisseur de pièce durcie incohérente (CPT), le gauchissement et autres défauts tout en assurant une bonne qualité de surface.

Notamment, Solvay a développé un Film Transformateur breveté pour augmenter la pression hydrostatique lors de l'utilisation de préimprégné CYCOM 5320-1 à teneur en résine inférieure. Appliqué sur le stratifié de la pièce avant le moulage par compression, le Film Transformateur augmente la teneur en résine et a aidé à amener la CPT aux exigences dans les essais de moulage de pièces RAPM.

Essais de moulage de pièces RAPM

Comme expliqué dans l'article de CW de mai 2020, le CYCOM EP2750 était l'un des matériaux principaux testés dans la piste préimprégné thermodurcissable du RAPM. Les pièces pionnières testées dans la phase initiale de Fabrication & Développement incluaient les panneaux d'accès à perles TS-RAPM-001 et -009, la nervure TS-RAPM-002 et le canal en C courbe TS-RAPM-003. Les pièces étaient conçues chez Boeing (plusieurs sites globalement), l'outillage était fait chez C-Con GmbH (Munich, Allemagne), les pièces étaient fabriquées au Centre d'Applications de Solvay à Heanor, Royaume-Uni et étaient ensuite testées à Solvay Anaheim, Californie, États-Unis et Boeing St. Louis, Missouri, États-Unis.

La qualité de surface était évaluée par inspection non destructive (END) et des panneaux sélectionnés étaient coupés en coupe transversale pour porosité, cisaillement par poutre courte, fraction volumique de fibres, teneur en résine, degré de durcissement et température de transition vitreuse.

Des niveaux de porosité inférieurs à 0,5 % étaient facilement atteints, attribués aux hautes pressions de consolidation du moulage par compression. Bien que les paramètres de procédé aient dû être optimisés pour chaque pièce différente, une fois verrouillés, le procédé s'est montré répétable.

Panneau à perles TS-RAPM-009

Cette pièce plate de 600 mm de long comportait des perles parallèles de diverses géométries. L'épaisseur augmentait de 3 à 6 mm dans un coin (renfort local) tandis que le coin opposé comportait un décalé à épaisseur constante. Le bord opposé comprenait une aile verticale avec un angle de dépouille variant linéairement de 0° à 20°.

Glissement des renforts locaux

Les essais initiaux étaient menés avec les renforts locaux empilés sur la surface du stratifié. Cependant, comme les plis de renfort étaient situés près du bord de la pièce, il était possible qu'ils soient écrasés hors de la pièce, résultant en une zone de basse pression pendant le durcissement et de la porosité. La solution était d'intercaler les plis de renfort dans la pile de stratifié. Le risque de glissement et de porosité n'a pas été vu dans les pièces ultérieures où les renforts étaient situés loin des bords et efficacement bloqués par le matériau environnant.

Porosité avec temps de palier

Une porosité accrue était aussi vue si le temps de palier était trop long. Les panneaux à perles faits avec 8 minutes de palier avaient une teneur en vides plus faible que ceux faits avec 10 minutes de palier. Cela était particulièrement vrai dans la zone de renfort, où la teneur en vides était de 5,5 % pour le palier de 10 minutes et 0,4 % pour le palier de 8 minutes. Le palier plus court maintient un écoulement de résine élevé, mouillant efficacement les fibres et soutenant la pression dans la cavité d'outil à travers le durcissement.

Le palier plus long permettait à l'écoulement de résine et à la pression de diminuer, surtout dans la zone de renfort, due à sa proximité avec le bord de la cavité d'outil, qui n'avait pas de bord de cisaillement ou de réduction de section. Ainsi, la pression dans la cavité d'outil diminuait au bord de la pièce, surtout dans les régions plus épaisses où la section transversale était plus grande. L'absence de pression ici exacerbait aussi le risque de glissement des plis de renfort. « Lors de la conception d'outillage, une réduction de section dans l'entourage de la cavité d'outil aidera à construire et maintenir la pression, particulièrement pour les pièces à épaisseurs variables », explique Gail Hahn, fellow de recherche Boeing et investigatrice principale du projet RAPM. « Vous devez présenter une forme de pincement ou d'étanchéité pour encourager un état de pression hydrostatique dans la cavité. »

Nervure TS-RAPM-002

Une fois les paramètres de traitement établis pour les panneaux à perles TS-RAPM-009, le procédé a été répété pour la nervure TS-RAPM-002, qui mesurait 540 mm sur son bord le plus long. La nervure augmentait l'épaisseur au centre de 3,3 à 5,2 mm et la profondeur du formage était de 42 mm sur la pièce finale parée. Les quatre bords comportaient des ailes verticales. Notez qu'un angle de compensation du spring-in (retour élastique) a été déterminé pendant les essais de panneaux à perles et a ensuite été appliqué à la géométrie d'outil de la nervure. Les essais de panneaux à perles ont aussi conduit à une capacité de tension plus élevée et une modularité d'emplacement des ressorts sur le cadre à ressorts.

Matériau excédentaire pour pinces

Les nervures étaient faites en utilisant à la fois le moulage à cadre à ressorts et le DDF. En raison du formage profond de la nervure, du matériau excédentaire était requis pour attacher les pinces du cadre à ressorts, mais cela pouvait être réduit en utilisant le DDF. Un autre problème était que la conception de l'outil limitait l'espace pour que les pinces à ressorts soient à proximité immédiate dans la cavité d'outil.

Variations de CPT

L'épaisseur de pli durcie (CPT) était plus élevée sur les parties plates de la nervure que sur ses bords verticaux. On a raisonné que la géométrie de la pièce gardait la résine dans la zone plate centrale, notant que les ailes verticales agissaient comme un joint de résine. Cela aidait le compactage et la finition de pièce dans la zone plate centrale. Cependant, les ailes verticales souffraient d'un fort cisaillement pendant la fermeture de l'outil, ce qui causait une rugosité de surface mais pas de porosité (voir données de porosité ci-dessous). Le CYCOM EP2750, un matériau à faible gonflement, aidait à atténuer cet effet — son épaisseur moindre réduisait le cisaillement.

Variations d'épaisseur d'âme avec la teneur en résine du préimprégné

Les investigations qualité montraient des nervures répétables avec porosité <0,1 % et gauchissement/ondulation de fibres minimal. Cependant, bien qu'on supposait que la variation d'épaisseur de pièce serait minimisée avec le traitement par moules assortis, la revue des paramètres de traitement matériau et de la CPT de pièce finie montrait que tandis que l'interstille d'outillage dans les ailes verticales de la nervure était fixe et consistante, l'épaisseur d'âme pouvait varier en fonction de la teneur en résine du préimprégné (moins de +/-2 %) et du procédé — la CPT pouvait varier entre les ailes et l'âme car la résine était autorisée à migrer à l'intérieur de la cavité.

Canal en C courbe TS-RAPM-003

Cette pièce faisait 640 mm de long avec une section en U de 40 mm de profondeur sur la pièce finale parée. Le rayon intérieur de la section était plus grand que le rayon extérieur, et l'épaisseur augmentait de 6,6 mm dans la section étroite à 8,8 mm au bout large. En raison de son épaisseur, la pièce de canal en C était substantiellement plus lourde que les pièces précédentes discutées. Par conséquent, le cadre à ressorts nécessitait plus de points d'attache qu'avec les pièces précédentes.

Double palier pour maintenir la pression dans les pièces épaisses

Les C-scans de pièces moulées mettent en évidence un pli se propageant du rayon intérieur au rayon extérieur pour les pièces utilisant des charges pré-consolidées. L'échelle de gris indique que les plis transportent aussi de la porosité.

Ces plis et porosité ont été éliminés pour les pièces en préimprégné CYCOM EP2750 en utilisant un procédé « double palier ». Cela consiste à appliquer une certaine quantité de pression pendant le palier immédiatement suivant la montée de viscosité du matériau. « Cela a été déterminé en utilisant les données fournies par la presse et les outils pendant le développement du procédé », explique Hahn. « Fondamentalement, il y a deux étapes de montée progressive de pression avant l'application de la pression complète. En résultat, le profil pression-temps a une forme similaire au profil de viscosité de la résine. Un palier initial à l'épaisseur en vrac est utilisé pour faire monter la viscosité de la résine pour prévenir un amincissement de la charge [charge ou préforme]. Si la charge est d'épaisseur significative, deux paliers sont utilisés pour prévenir la perte de pression due au retrait de la résine. Le premier palier est à un interstille de X, et le second à un interstille de Y, avec Y < X. »

La Fig. 18 ci-dessus montre l'effet du double palier sur l'épaisseur de la pièce de canal en C. Faire correspondre la pression à la viscosité de la résine a permis de retenir plus de résine dans la pièce, qui a mouillé les fibres pour une faible porosité et a construit l'épaisseur pour atteindre la nominale requise tout en maintenant une faible distorsion de fibres. Cependant, l'équipe RAPM a souligné que ce procédé de double palier est favorisé seulement pour les pièces épaisses, notant qu'il peut induire une inégalité de CPT dans les pièces à épaisseurs variables.

Leçons apprises du RAPM et essais de pièces supplémentaires

Les essais de pièces RAPM discutés ici ont contribué aux connaissances vers la fabrication à haut débit de pièces structurales aérospatiales utilisant le moulage par compression de préimprégné. Leçons apprises incluent :

• Le faible gonflement est bénéfique pour la qualité de pièce, spécifiquement pour contenir les niveaux de porosité et augmenter la finition de surface sur les bords verticaux. Le préimprégné à teneur en résine plus élevée, comme le CYCOM EP2750, permet une fenêtre de fabrication plus large, ainsi qu'une répétabilité de procédé accrue
  
• Idéalement, l'équipement de presse devrait inclure une station de préchauffage infrarouge (IR), un cadre porteur automatisé pour transférer la charge/préforme préchauffée au moule, des tolérances de parallélisme serrées entre les plateaux supérieur et inférieur de la presse, la capacité de contrôler et surveiller la position des plateaux à une tolérance serrée et la capacité de presser en utilisant des forces basses aussi bien qu'élevées.
  
• Le pré-consolidage de charges/préformes permet de réduire la perturbation des fibres dans les parois verticales et contribue à réduire les niveaux globaux de porosité dans les pièces moulées. NOTE : ceci est du déboulage, PAS du préformage sur un outil façonné

Le RAPM a montré que le moulage par compression de préimprégné peut produire des structures aérospatiales de haute qualité tout en réduisant le temps de cycle et la main-d'œuvre. Cela permet aux composites de mieux concurrencer dans les études de compromis pour les applications aérospatiales tout en offrant des économies de poids accrues et une performance de composant accrue (par exemple, résistance à la corrosion, fissuration et fatigue, etc.).

Solvay et Boeing ont travaillé ensemble pour affiner le nouveau système de préimprégné EP2750, démontrant des temps de takt jusqu'à 20 minutes, grâce à une combinaison de chimie de matériau, connaissance du préimprégné et du procédé et automatisation.

En plus des pièces de Développement de Fabrication discutées ci-dessus, le RAPM a aussi produit plusieurs pièces de Défi et Transition, destinées à défier les développements initiaux et faire transitionner les candidats avec potentiel de l'emporter contre l'aluminium usiné dans les applications de défense. Celles-ci incluent :

• TS-RAPM-007 pièce défi Solvay
• TS-RAPM-008 panneau d'accès peau
• TS-RAPM-012 Boeing « wave »
• TS-RAPM-014 bras moteur
• TS-RAPM-015 dérive

Les résultats et leçons apprises de ces essais de pièces et autres études de caractéristiques de fabrication RAPM seront publiés en 2020/2021.

Essais de pièces automobiles Solvay

Solvay a aussi illustré comment l'EP2750 performe dans des pièces automobiles, comme un montant B de 36 × 16 × 2 pouces avec une épaisseur de 0,0725 pouces, comprenant 5 plis de fibre de carbone Solvay THORNEL T650-35 à module standard 3K en tissu satin 8 brins de 376 g/m². Cette pièce a été faite à Solvay Heanor, Royaume-Uni en utilisant le DDF. Comparé au préimprégné standard autoclavé, la combinaison du CYCOM EP2750 et du DDF offre une réduction de 60 % du temps de cycle et 85 % du temps de takt (temps entre le démarrage d'une pièce et la pièce suivante sur une ligne de production — c.-à-d. le temps de cycle de la ligne).