CETMA : Le hub italien premier de R&D et innovation composites

Établi en 1994, Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA, Brindisi, Italie) est l'une des plus grandes organisations indépendantes de recherche et technologie en Italie, avec une installation de 4 000 m² et 75 employés. Depuis plus de 20 ans, CETMA a fortement investi dans les composites, résultant en une large gamme d'expertise :

• Conception et prototypage de composants
• Nouveaux procédés composites
• Procédés de recyclage pour composites et plastiques
• Optimisation de procédé pour coût, durabilité, débit, etc.
• Surveillance de procédé en temps réel
• Essais non destructifs (END)
• Surveillance de santé structurale (SHM) temps réel et à distance pendant production et service
• Conseil REACH
• Estampage thermoplastique, moulage par compression continu (CCM) et moulage par compression de préimprégné (PCM)
• Infusion liquide, moulage par transfert de résine (RTM) et RTM qualifié même (SQRTM)
• Préimprégné hors autoclave (OOA)
• Soudage par induction

Activités composites organisées en quatre domaines

L'objectif principal de CETMA est de soutenir les entreprises et l'innovation. Servi par quatre laboratoires principaux, les activités composites de CETMA sont organisées au sein de son département Advanced Materials and Processes (AMP) qui comprend aussi quatre domaines :

• Matériaux et Caractérisation
• Technologies et Procédés
• Modélisation et Simulation
• Diagnostics et Surveillance de Santé Structurale

L'AMP emploie 30 personnes incluant ingénieurs matériaux, aéronautiques, civils et chimiques ainsi qu'un chimiste, scientifique des matériaux, architecte et multiples techniciens — conformément à sa croyance en équipes multidisciplinaires.

Force dans les composites thermoplastiques

« Nous offrons un spectre complet de services en composites », note Alessandra Passaro, responsable du département AMP chez CETMA, « mais nos activités dans les matériaux thermoplastiques est l'un de nos domaines prioritaires, actuellement. Tous les différents types de polymères matrice thermoplastique ont été traités dans notre labo. Nous avons commencé à travailler avec la fibre commingled TWINTEX en 2004 et avec le moulage par compression en utilisant une presse simple il y a environ 15 ans. Maintenant, nous avons développé le moulage par compression continu (CCM) breveté et les technologies de soudage par induction. Nous avons analysé tous les matériaux composites thermoplastiques qui peuvent être utilisés dans ces procédés. »

La ligne CCM peut fabriquer des pièces à section constante en utilisant PPS, PEEK, PEKK ou PAEK. Mais comment le procédé CETMA diffère-t-il de ce qu'utilisent des entreprises comme XELIS (Markdorf, Allemagne) et ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, États-Unis) ? (Voir articles CW : « Aerospace-grade compression molding » et « Accelerating thermoplastic composites in aerospace ».) Passaro explique : « Il y a des détails spécifiques dans la conception du moule que nous utilisons. Notre technologie est plus flexible concernant les géométries et matériaux matrice qui peuvent être utilisés. Elle est encore en développement. » Bien que brevetée, la technologie est encore en développement et certains aspects sont propriétaires. La raison pour laquelle CETMA a poursuivi le CCM ne l'est pas. « Nous avons vu l'utilisation et le besoin accrus pour des procédés composites thermoplastiques continus », dit Passaro. « XELIS est une entreprise de produits, pas un fournisseur de machines. Nous sommes une organisation R&D indépendante et donc investissons et développons la technologie sous un angle différent. »

Un exemple de ceci est la simulation de procédé extensive pour analyser la distribution de température dans le moule. « Les résultats de simulation nous laissent avoir une image complète de l'évolution de la température dans le matériau au fil du temps », explique-t-elle, « ce qui est très difficile à surveiller en ligne d'un côté, et pourtant c'est crucial pour minimiser les défauts dans le composite. »

Soudage par induction pour l'assemblage

Une autre partie clé de l'expertise composites thermoplastiques de CETMA est la technologie brevetée de soudage par induction, qui inclut un système de contrôle et refroidissement pour maintenir la chaleur dans la ligne de soudure. CETMA a utilisé la technologie avec le partenaire EURECAT (Barcelone, Espagne) pour assembler des profils et plaques CCM en un longeron composite thermoplastique pour un avion de type Airbus A320 dans le projet Clean Sky 2 KEELBEMAN. Mon blog de jan 2020, « Advancing thermoplastic composites and RTM for Clean Sky 2... », donne plus de détails sur ce projet ainsi que les détails du soudage de CETMA.

« Nous avons développé deux types de systèmes de soudage par induction », note Passaro. « L'un est une machine fixe pour surfaces plates et l'autre est robotisé pour géométries complexes 3D. Les deux permettent des soudures continues à l'échelle industrielle sans nécessiter de matériaux additionnels dans la ligne de soudure tout en délivrant une performance d'adhésion très élevée dans les assemblages. »

CETMA a démontré le soudage par induction sur des stratifiés composites faits en utilisant tissu tissé fibre de carbone et ruban unidirectionnel (UD) ainsi qu'une gamme de matériaux matrice : PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 et un système hybride thermodurcissable époxy/PVB (polyvinyl butyral) thermoplastique.

Il a aussi appliqué son expertise en modélisation et simulation informatique au procédé de soudage par induction. « Cela nous permet de prédire l'évolution de la température dans la zone de joint pendant le soudage, fournissant une aide fondamentale pour optimiser les paramètres de procédé », dit Passaro.

Clean Sky 2 et projets R&D composites

En plus de KEELBEMAN, le département AMP de CETMA est actuellement impliqué dans quatre autres projets Clean Sky 2.

TRINITI - Réservoirs azote haute pression multi-matériaux thermoplastiques pour avions (JTI-CS2-CFP09-2018-02). Le projet de deux ans, qui a débuté en 2019, vise à construire un prototype de réservoir d'avion pour stockage long terme d'azote pour fins de lutte contre l'incendie. Diehl Aviation (Gilching et Dresde, Allemagne) est le gestionnaire de sujet pour le projet. Les partenaires incluent aussi le labo R&D aérospatial Novotech s.r.l. (Naples, Italie), Composites Testing Laboratory (Inverin, Co. Galway, Irlande). Le projet fabriquera des réservoirs composites thermoplastiques multi-matériaux par une combinaison de procédés tels que la co-extrusion pour former un liner/stratifié multi-couche et multifonctionnel, suivi de consolidation in-situ (ISC) utilisant le placement de fibres automatisé laser-assisté (AFP). (Pour plus sur l'AFP ISC, voir « Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Partie 1 et Partie 2 ».) Un objectif au sein de TRINITI est de réduire ou même éliminer la micro-fissuration en environnements cryogéniques. Actuellement CETMA travaille à identifier tous les matériaux thermoplastiques qui peuvent satisfaire les exigences des vaisseaux sous pression aérospatiaux.

SPARE – Grilles de plancher passager et cargo composites innovantes à échelle réelle pour démonstrateurs fuselage avion régional au sol – (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). Démarré en oct 2018, ce projet de 18 mois vise à fabriquer des grilles de plancher passager et cargo à échelle réelle faites en composites thermoplastiques (TP) renforcés fibre de carbone. La production hautement automatisée comprend le formage par laminage progressif et le soudage par induction pour l'assemblage. L'objectif est de réduire le poids et les coûts récurrents comparés aux solutions traditionnelles métal et composites thermodurcissables. Les grilles de plancher composites seront assemblées dans les démonstrateurs fuselage avion régional Clean Sky 2 pour tests au sol et seront évaluées pour impact technique et économique ainsi que performance résistance au feu selon réglementations FAR 25.853. Le leader de sujet est Leonardo tandis que CETMA coordonne le projet en collaboration avec le fabricant de machines OMI S.r.l. (Fogliano Redipuglia, Italie).

Une des contributions principales de CETMA à SPARE est le développement de la thermographie infrarouge (IRT) pour la surveillance en ligne du formage progressif par laminage. Ce procédé soumet des rouleaux de stratifié composite TP à compactage et chauffage jusqu'à ce que la température de procédé du matériau, la forme complexe et l'épaisseur de conception soient atteintes. « Cependant, il est important de s'assurer que les plis les plus internes expérimentent la fusion complète de la matrice et la consolidation », explique Passaro. « De plus, il y a une fenêtre de température étroite qui assure la fusion mais ne dégrade pas le polymère. L'IRT est une méthode sans contact qui mesure l'énergie thermique radiée à travers la surface de la pièce avec haute précision. »

CETMA a utilisé des fenêtres en sélénure de zinc (ZnSe) pour regarder à l'intérieur de l'équipement fermé. Transparentes aux ondes IR, elles performent à des températures jusqu'à 500 °C. Deux telles fenêtres ont été construites dans la ligne de formage progressif par laminage du projet SPARE avec caméras IRT suspendues au-dessus pour avoir une vue presque perpendiculaire du matériau traité. Un logiciel de contrôle editable a rendu possible la surveillance, l'enregistrement et l'alarme si les valeurs tombaient en dehors de la plage cible définie.

L'uniformité de la température du matériau à travers la section transversale du profil a été évaluée aux deux points limites — ligne 1 proche de l'étape de chauffage et ligne 2 plus loin dans le procédé de formage. Chacune était divisée en 3 étapes successives (Fig. 19) : phase initiale (étape 1), procédé de formage démarré (étape 2) et formage avec vitesse réduite (étape 3). L'IRT a montré que la température aux bords externes du stratifié était plus basse que dans la zone centrale, menant à un chauffage inégal et propriétés mécaniques. Une représentation 3D des températures de surface enregistrées par IRT (Fig. 20) a fourni un aide visuel pour mieux comprendre la distribution de température.

TOD – Thermoplastiques sur Portes (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD vise à développer et valider la production rapide et l'assemblage d'une porte composite thermoplastique à échelle réelle (incluant sous-structures fuselage) pour un avion régional. TOD fait partie de la plateforme démonstrateur d'avion innovant régional (IADP) Clean Sky 2, qui porte l'intégration des technologies développées dans la phase un de Clean Sky Green Regional Aircraft ITD (Innovative Technology Demonstrator) à un niveau plus élevé de complexité et maturité via deux bancs d'essai volants et trois grands démonstrateurs intégrés au sol. Mené par Leonardo, CETMA travaillera avec les partenaires du projet The Welding Institute (TWI, Cambridge, Royaume-Uni) et la firme d'ingénierie/industrialisation aérospatiale Tier 1 DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italie).

L'approche proposée inclut l'optimisation et la validation du thermoformage pour la fabrication de composants et les procédés de joint tels que le soudage par induction (IW) et le soudage par implant résistif (RIW), qui permettent la réduction de poids en éliminant les fixations mécaniques. TOD fera aussi progresser l'automatisation industrie 4.0 et la surveillance en ligne pour supporter la production à haut débit de pièces de haute qualité (zéro défaut) avec contrôle de procédé robuste. Avantages attendus incluent :

• Réduction de poids minimum 15 %
• Réduction déchets et rebuts de 10 % par capteurs et surveillance en ligne
• Jusqu'à 75 % économies d'énergie vs traitement autoclave standard
• Coûts récurrents réduits via fabrication intelligente adaptative (flexibilité accrue, coûts outillage ligne complète diminués)
• Émissions CO2 améliorées pendant fabrication et opération avion plus léger.

CETMA est impliqué dans de nombreux autres projets de développement. Un exemple est NHYTE (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by Out of Autoclave Continuous Automated Technologies) qui vise à démontrer des aérostructures intégrées innovantes faites de matériaux matrice hybrides thermoplastiques avec capacités multifonctionnelles.

Financé sous le programme Horizon 2020 et mené par NOVOTECH (Naples, Italie), NHYTE a débuté en sept 2018 et était prévu pour se terminer en jan 2020. Le matériau hybride haute performance est basé sur un préimprégné carbone/PEEK commercial avec films PEI amorphe ajoutés pour permettre la consolidation in-situ avec placement de fibres automatisé (ISC AFP) et puis assemblage via la technologie de soudage par induction brevetée de CETMA. CETMA a complété une large campagne de caractérisation comprenant tests physico-mécaniques et virtuels du matériau composite hybride et mise en place du procédé de soudage par induction.

Recyclage fibre de carbone

Un autre domaine clé pour CETMA est le recyclage. Le projet CIRCE vise à utiliser les chutes de préimprégné générées pendant la fabrication de pièces composites en le recyclant en un composé de moulage par compression, qui sera ensuite utilisé pour moudre des inserts d'embout pour chaussures de sécurité. CETMA caractérisera cette matière première secondaire et développera un modèle numérique pour prédire la performance structurelle des inserts de chaussure. Ce modèle aidera à analyser et vérifier le comportement à l'impact pour rencontrer les réglementations de sécurité, avec résultats utilisés pour affiner et finaliser la conception des inserts d'embout. L'équipe projet italienne inclut Base Protection (Barletta), fabricant pièces composites motorsport/auto HP Composites (Ascoli Piceno), spécialiste machines et lignes de production Elks Group (Ascoli Piceno) et Petroceramics (Stezzano).

Peut-être le plus grand investissement de CETMA dans le recyclage à ce jour a été via le projet REVALUE visant les fibres de carbone recyclées pour composites à HAUTE VALEUR. Financé par l'Institut Européen d'Innovation & Technologie (EIT, Budapest, Hongrie), l'objectif du projet REVALUE est de prendre de la fibre de carbone recyclée (RCF) fournie par le producteur leader ELG Carbon Fibre (Coseley, Royaume-Uni) utilisant la pyrolyse et la combiner avec des polymères thermoplastiques vierges et recyclés pour remplacer les matériaux actuels utilisés par Centro Ricerche Fiat (CRF, Turin, Italie) pour la production de composants automobiles sélectionnés.

Cependant, comme noté dans l'article du magazine JEC Composites jan-fév 2020, « New sizing formulation for recycled carbon fibres » par Alessandra Passaro, et al., la RCF produite par pyrolyse n'a pas de sizing, rendant les fibres fragiles sujettes à rupture fréquente pendant la manipulation ainsi que la séparation des faisceaux de fibres en filaments, résultant en une forme emmêlée, « duveteuse » avec faible densité en vrac. Comme partie de REVALUE, CETMA a développé une formulation spécifique de sizing pour RCF, compatible avec polypropylène (PP) vierge ou recyclé et PA6. Il a ensuite évalué la capacité du sizing à améliorer la procesabilité de la RCF et augmenter l'interface avec les matrices thermoplastiques sélectionnées.

Pour faire ceci, CETMA a développé une usine pilote pour le sizing de RCF, capable d'appliquer le sizing en quantités kilogrammes et, en même temps, d'évaluer l'effet des paramètres principaux sur le procédé de dépôt. L'usine comprend trois stations principales : traitement du sizing et lavage des fibres ; manipulation des fibres sèches avant et après traitement ; et séchage au four des fibres. Quatre kilogrammes de RCF peuvent être traités par jour en cycle continu.

La RCF taillée de CETMA a ensuite été utilisée par le centre de recherche français CEA et le compoundeur français SUEZ pour produire un composé de moulage utilisant des polymères thermoplastiques vierges et recyclés. La caractérisation physico-chimique des composés a été complétée, et la capacité du sizing CETMA à améliorer la performance mécanique finale du composite a été vérifiée.

Les composés de moulage RCF innovants ont ensuite été utilisés pour moulage par injection de composants automobiles semi-structuraux qui sont actuellement faits avec du PP ou PA6 renforcé fibre de verre. Au-delà de l'avantage évident en recyclage et réutilisation de matériaux, la réduction du poids du véhicule, consommation de carburant et émissions CO2 ont aussi été démontrées.

En dehors de REVALUE, CETMA a aussi davantage développé et évalué le sizing pour RCF dans multiples procédés composites incluant moulage par compression, infusion sous vide et RTM, montrant des propriétés améliorées dans tous les cas.

Surveillance de santé structurale (SHM)

Ce domaine final clé d'activité composites pour CETMA est aussi une emphase croissante dans l'industrie. « Nous avons de nombreuses années d'expérience avec l'application SHM pour applications construction et bâtiment », note Passaro. « Et nous avons aussi fait beaucoup de travail avec SHM dans les composites. Nous savons que ce sera important pour les applications futures et nous sommes intéressés à continuer travailler avec les fabricants composites et l'industrie pour pousser cette technologie en avant. »