Révolutionner le design automobile : Assemblage hybride automatisé métal-composite thermoplastique

Permettre l'assemblage hybride à l'échelle industrielle
FlexHyJoin démontre un procédé de production de masse pour produire un raidisseur de toit composite thermoplastique avec supports métalliques soudés pour assemblage dans une caisse en blanc métallique, comme celui du cas d'usage du projet, la Fiat Panda citadine. Source : IVW

Les structures hybrides métal-composite continuent d'intéresser pour applications automobile et aérospatiale, offrant poids réduit et performance améliorée en mettant « le bon matériau au bon endroit ». Les composites thermoplastiques (TPC) sont attractifs pour de telles structures multi-matériaux grâce à leur traitement rapide, incluant la capacité d'être soudés et thermoformés. Cependant, l'assemblage composites-métaux a, jusqu'à maintenant, reposé principalement sur fixations mécaniques, qui requièrent le perçage de trous endommageant les fibres porteuses. Le collage adhésif a aussi été utilisé, mais nombre de thermoplastiques sont difficiles à coller ainsi ; aussi, les adhésifs ajoutent du matériau et du poids. Par exemple, la BMW i3, qui utilise un châssis PRFC (plastique renforcé fibre de carbone) et panneaux de carrosserie plastiques, utilise 16 kilogrammes d'adhésif, ce qui contrebalance partiellement le potentiel d'allègement des composites.

FlexHyJoin est un projet financé par le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union Européenne, conduit d'octobre 2015 à décembre 2018, qui cherchait à relever les défis de l'assemblage pièces TPC et métal. Coordonné par l'Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) – un institut de recherche à but non lucratif de l'État de Rhénanie-Palatinat et de l'Université Technique de Kaiserslautern, Allemagne – FlexHyJoin a réuni 10 partenaires à travers l'Europe pour développer un processus automatisé permettant à une structure de toit TPC automobile d'être assemblée dans une caisse en blanc (BIW) métallique. La stratégie était de produire un assemblage neutre en poids, haute résistance – sans adhésifs ni fixations – par prétraitement laser de supports métalliques et fixation de ceux-ci au raidisseur de toit par soudage par induction et laser. Cela a été réalisé dans une seule cellule de production automatisée avec contrôle de processus intégré et tests non destructifs (CND) en ligne.

Démonstrateur hybride en 140 secondes

Le partenaire du projet Centro Ricerche Fiat (Pomigliano d'Arco/Naples, Italie) a fourni les spécifications pour la pièce démonstrateur – un raidisseur de toit pour la Fiat Panda citadine actuellement fabriquée en acier. Pour FlexHyJoin, la pièce a été thermoformée à partir de composite thermoplastique (Fig. 1) par Gubesch Thermoforming (Wilhelmsdorf, Allemagne) en utilisant de l'organofeuille Tepex Dynalite 102 fibre de verre tissée/polyamide 6 (PA6) de 1,5 millimètre d'épaisseur fournie par Bond-Laminates (Brilon, Allemagne). Afin d'assembler ce raidisseur de toit TPC dans la BIW acier de la Panda, un ensemble de supports latéraux (gauche et droit) en acier DC04 de 0,7 millimètre d'épaisseur ont été soudés par laser sur les extrémités. Un support central du même matériau a été fixé par soudage par induction. FlexHyJoin a montré que les deux méthodes de soudage peuvent être utilisées pour la production de structures hybrides industrielles.

Fig. 1 Structuration de surface pour assemblage hybride
FlexHyJoin démontre le soudage laser et par induction de supports acier sur un raidisseur de toit GF/PA6 estampé (haut). Ces assemblages hybrides reposent sur le traitement de surface des supports métalliques pour créer des sous-coupes, qui sont remplies de plastique fondu pendant les étapes du processus d'assemblage (bas). Source : IVW

Simplement fondre la matrice PA6 sur les supports acier ne produirait pas un assemblage avec assez de résistance pour répondre aux exigences structurelles. Ainsi, un traitement de surface laser était requis avant l'assemblage. « La surface des supports a été structurée par laser pour créer des sous-coupes », explique Johannes Voithofer, chef de projet chez Fill Gesellschaft (Gurten, Autriche), chargé d'assembler et d'intégrer la cellule de production automatisée. « Les supports traités sont placés sur la pièce composite. Chaleur et pression sont alors appliquées pendant l'assemblage, causant la matrice PA6 du composite à s'écouler dans les sous-coupes induites par laser [voir Fig. 1]. » Le processus de structuration a été développé par un autre partenaire, l'Institut Fraunhofer pour la Technologie Laser (ILT, Aix-la-Chapelle, Allemagne), et résulte en un assemblage métal-composite combinant adhérence matérielle et verrouillage mécanique.

Les pièces assemblées sont ensuite transférées vers une station CND où elles sont scannées pour défauts en utilisant un type de thermographie. « Des projecteurs halogènes sont utilisés pour le chauffage modulé de la surface composite », explique Vitalij Popow, associé de recherche IVW et responsable du développement CND et contrôle processus FlexHyJoin. « Cela conduit à un champ de température oscillant dans la structure composite. Nous analysons la réponse thermique en surface au fil du temps et identifions les défauts dans les assemblages. » Le test entièrement automatisé est complété dans la cellule de production pour chaque composant fabriqué. La validation du processus a été réalisée sur environ 400 assemblages.

La cellule de production automatisée FlexHyJoin, telle que configurée actuellement, exécute le structurage laser, l'assemblage et le CND en parallèle avec des temps de cycle de 81 secondes, 98-108 secondes et 100 secondes respectivement, sans compter le temps de transfert robotique des pièces entre stations. Voithofer dit que le temps de cycle par pièce hybride complète est d'environ 140 secondes.

Fig. 2 Permettre l'assemblage hybride à l'échelle industrielle
La cellule de production pilote FlexHyJoin comporte trois stations modulaires pour structuration de surface, assemblage et CND. Le robot de manipulation unique de la cellule transfère les composants du tiroir de chargement vers chacune de ces stations, plaçant les pièces hybrides finies dans un tiroir adjacent. Source : IVW et Fill

Structuration laser

Le processus de structuration laser produit des lignes avec géométries de sous-coupe sur la surface d'assemblage des supports métalliques. Pour FlexHyJoin, les sous-coupes mesuraient 75 micromètres de large et 215 micromètres de profondeur. Ces mesures, ainsi que le nombre de lignes et le motif global de lignes peuvent tous être adaptés, et idéalement sont adaptés pour répondre aux exigences de pièce et temps de cycle.

« La position ainsi que le nombre de microstructures sur la surface d'assemblage peuvent être adaptés à la sollicitation dans le composant », explique Stefan Weidmann, associé de recherche IVW et chef de l'équipe de développement pour l'unité d'assemblage par induction FlexHyJoin. « La distance entre microstructures peut être réduite dans les zones fortement sollicitées de la surface d'assemblage et augmentée dans les zones moins sollicitées pour permettre un processus de microstructuration efficace. »

La structuration est réalisée par ablation de la surface du support métallique en utilisant un laser à fibre monomode haute puissance fourni par IPG Photonics (Burbach, Allemagne). Ce laser YLR-1000-WC a une puissance de sortie maximale de 1 000 watts à une longueur d'onde d'émission de 1 070 nanomètres. « Nous avons utilisé le laser à fibre monomode pour le processus de microstructuration en raison de sa haute focalisabilité, maintenant une taille de spot d'environ 40 micromètres », explique Christoph Engelmann, chef d'équipe traitement polymères au Fraunhofer ILT.

Le laser est contenu dans une tête optique montée sur un bras robotique ABB 1200. « À l'intérieur de la tête optique, nous avons deux miroirs galvo pour dévier le faisceau dans un champ de travail de 240 millimètres par 240 millimètres », détaille Engelmann. « De plus, il y a une lentille mobile pour suivre la hauteur z (z-shifter). Nous n'utilisions le robot que pour positionner la tête de scan au-dessus des composants métalliques, et ensuite le faisceau est dévié par les miroirs et la position z pour chaque ligne unique de la microstructure est adaptée par le z-shifter. Ainsi, il n'y a pas de mouvement de la tête pendant le traitement. De cette façon, nous sommes capables de traiter des pièces 2,5D, restant dans la même position z pour chaque ligne discrète mais capable d'ajuster entre lignes. »

« Pour des raisons de sécurité, les unités de structuration et d'assemblage sont toutes deux encloses », explique Voithofer, notant les armoires noires dans la cellule de production pilote (Fig. 2). Ainsi, une porte/grille automatisée reste abaissée pendant les opérations laser, s'ouvrant pour le retrait des pièces finies et l'insertion de nouvelles.

Fig. 3 Cellule d'assemblage par induction et laser
Dans la cellule d'assemblage, l'assemblage par induction est utilisé pour fixer le support central tandis que le soudage laser est utilisé pour assembler les supports latéraux à chaque extrémité de l'arceau de toit composite. Source : IVW et Fill

Assemblage par induction et laser

Adjacente à la cellule de structuration se trouve la cellule d'assemblage, qui comprend deux opérations distinctes : l'assemblage par induction du support central et le soudage laser des supports latéraux gauche et droit. « Pour des pièces plus grandes avec une complexité modérée comme le support central, l'assemblage par induction est une méthode d'assemblage plus appropriée », dit Weidmann. « Un outil de consolidation céramique avec inducteur applique une pression sur la zone d'assemblage et est perméable au champ électromagnétique, menant à une entrée d'énergie efficace dans le support métallique pour le chauffage. C'est pratique pour formes plates, mais plus difficile pour formes complexes, comme la géométrie des supports latéraux. Ainsi, il était plus efficace d'utiliser le soudage laser pour ceux-ci. » Weidmann ajoute : « L'assemblage par induction est meilleur pour grandes pièces et complexité modérée, tandis que le soudage laser est plus approprié pour pièces à haute complexité. »

Un trou percé dans le raidisseur de toit composite l'aligne sur l'outillage de support, façonné pour correspondre à la courbure du raidisseur thermoformé. Un trou découpé laser dans le support central le localise sur le raidisseur de toit tandis que les supports latéraux sont alignés par leur forme qui correspond aux extrémités du raidisseur de toit.

« Le support central a été assemblé en utilisant l'assemblage par induction discontinu. « C'est essentiellement un assemblage par pressage quasi-statique », dit Weidmann, « ce qui signifie simplement que c'est un processus statique, réalisant un assemblage surfacique en un endroit, mais il y a un mouvement dans la direction z car l'épaisseur du composite change légèrement à cause de la pression de consolidation appliquée pendant l'assemblage (par induction). »

L'unité d'assemblage par induction contient un générateur haute fréquence KGR (Brandizzo, Italie) pour fournir un champ électrique alternatif à la bobine d'induction. La tête est déplacée via un moteur électrique et broche (Fig. 3) de sorte que l'outil de consolidation céramique presse sur le support métallique. La bobine d'induction dans l'outil de consolidation cause le chauffage du métal, qui fond la matrice du composite et crée l'assemblage. « La pression est appliquée tout au long du chauffage et du refroidissement », note Weidmann.

Le soudage laser des supports latéraux commence simultanément à l'assemblage par induction. Deux dispositifs de serrage, situés de chaque côté de l'outillage de support, peuvent appliquer 4 000 Newtons de force de serrage aux supports latéraux. « Le serrage est nécessaire pour minimiser l'écart entre les composants composite et métallique », explique Voithofer. « Cela empêche les vides dans l'assemblage. » Après l'application de la force de serrage, la tête laser se met en position. Elle est équipée d'un laser diode LineBeam fourni par Leister Technologies (Kägiswil, Suisse). Johannes Eckstaedt de Leister explique que ce laser a une puissance de sortie maximale de 600 watts à une longueur d'onde d'émission de 980 nanomètres. Le faisceau est formé en une ligne de 27 millimètres par 1 millimètre par des lentilles optiques, et est focalisé sur le support métallique. La tête laser est montée sur un bras robot qui lui permet de se déplacer le long de la surface du support façonné. « Nous réglons différentes vitesses pour chaque zone des supports pour atteindre une température d'assemblage homogène, réduisant le stress thermique pour les meilleurs résultats d'assemblage », dit Eckstaedt.

En général, le soudage laser peut utiliser soit l'assemblage par transmission soit par conduction de chaleur. Pour l'assemblage par transmission laser, le composite à assembler doit être transparent pour la longueur d'onde sélectionnée du laser. Le laser passe alors à travers le composite, frappe la surface métallique du support et la chauffe. Cependant, cette méthode n'a pas été utilisée dans le démonstrateur FlexHyJoin car le laminé organofeuille du raidisseur de toit n'était pas transparent au laser. À la place, la méthode alternative d'assemblage par conduction de chaleur a été utilisée. Cela applique simplement le laser directement sur la surface métallique, qui conduit la chaleur à travers le matériau de base métallique vers le composite, fondant la matrice PA6 à 220-300 °C et créant l'assemblage. « En raison de la haute conductivité thermique des supports acier, la chaleur du laser se propage rapidement, assemblant efficacement les supports latéraux », dit Voithofer.

Étape 1. Arceaux de toit TPC et supports métalliques sont chargés manuellement dans le tiroir pièces de la cellule FlexHyJoin. Le tiroir se ferme et la production commence.

Étape 2. Le robot prend un ensemble de supports métalliques et les place dans la cellule de structuration. La porte de protection laser se ferme.

Étape 3. À l'intérieur de la cellule de structuration, un laser à fibre haute puissance crée des sous-coupes dans la surface du support à assembler dans le raidisseur de toit composite.

Étape 4. Pendant que les supports sont traités au laser, le robot prend un arceau de toit TPC du tiroir pièces et le place dans la cellule d'assemblage, à droite de la cellule de structuration.

Étape 5. Le robot retourne à la cellule de structuration, prend les supports traités et les place, côté structuré vers le bas, sur l'arceau de toit TPC.

Étape 6. Le robot place alors les unités de serrage sur les trois supports. L'unité d'assemblage par induction s'abaisse sur le support central. La bobine d'induction cause le chauffage du support métallique, fondant la matrice PA6 du composite sous-jacent.

Étape 7. Pendant que l'assemblage par induction se termine, l'unité de soudage laser s'abaisse pour assembler les supports latéraux gauche puis droit. Le laser chauffe le métal, causant la fonte de la matrice PA6 sous-jacente dans les sous-coupes, créant un assemblage haute résistance.

Étape 8. La structure hybride terminée est placée dans la cellule CND où la thermographie verrouillée est utilisée pour détecter les défauts. Des lampes halogènes chauffent la surface composite et une caméra IR mesure la réponse au fil du temps. L'analyse de ces données est traitée pour fournir une évaluation qualité visuelle.

Contrôle du processus d'assemblage

La méthode de base pour contrôler les deux processus d'assemblage est de mesurer la température et le temps par rapport à un ensemble de paramètres optimisés définis par tests. « Donc, nous avons produit des échantillons d'assemblage avec différents paramètres et effectué des tests mécaniques pour chaque ensemble de paramètres en utilisant des montages de test spéciaux. Pour le support latéral, une combinaison de test de cisaillement et de pelage a été développée, et pour le support central nous avons utilisé un test de charge de pression, comparable à un test de cisaillement par recouvrement, mais on pousse au lieu de tirer, afin d'obtenir une charge de cisaillement dans la zone d'assemblage », dit Popow. La mise en place de ces tests spéciaux a été conçue avec EDAG Engineering GmbH (EDAG, Fulda, Allemagne), qui a aussi fait l'analyse des résultats de tests. Suite à cette procédure, le meilleur ensemble de paramètres pour les processus d'assemblage a été identifié et utilisé dans la cellule de production pilote.

« Le processus d'assemblage par induction a été calibré à l'avance », dit Weidmann. « Nous savons que nous atteignons la température d'assemblage après environ 30 secondes, mais nous mesurons aussi la température in-situ pour des raisons de sécurité pour éviter une surchauffe. » Un pyromètre, qui mesure à distance le rayonnement d'une surface, a été utilisé pour mesurer un point chaud connu dans la zone d'assemblage par induction. « Mais il ne peut pas fournir de mesures précises du soudage laser en raison du haut niveau de lumière et chaleur irradiés in-situ », explique-t-il. Cependant, des capteurs de contact pourraient être utilisés du côté composite des zones de soudage laser, bien qu'ils ne soient pas applicables pour le processus d'assemblage par induction car ils sont typiquement faits de métal et chaufferaient par induction et fausseraient la mesure.

« Les zones chauffées pour tous les assemblages sont aussi couvertes par l'outil de pressage et les dispositifs de serrage », note Weidmann. « Ainsi, nous avons validé le changement d'épaisseur du composant dû à la pression et la chaleur avant et après l'assemblage comme méthode d'assurance qualité. » Ce changement d'épaisseur est mesuré par un capteur de distance intégré dans l'outil de positionnement pour le raidisseur de toit (aussi montré Fig. 3). « Quand nous pressons les pièces ensemble, le capteur de distance est déplacé », explique-t-il. « Quand nous appliquons chaleur et pression d'assemblage, le polymère de matrice fondu s'écoule dans les cavités du structurage laser et est légèrement extrudé hors de la zone d'assemblage jusqu'au refroidissement de l'assemblage. Cela conduit à un changement d'épaisseur qui est enregistré par le capteur de distance. » Weidmann et l'équipe IVW ont corrélé cette distance à la qualité de la pièce. « Un changement d'épaisseur – en d'autres termes, un compactage – supérieur à 0,1 millimètre signifie que la qualité de l'assemblage est bonne », note Weidmann.

CND en ligne

IVW a développé une autre méthode pour l'assurance qualité – le test thermographique en ligne. « Pour l'assurance qualité, le but principal était de voir les propriétés dans la zone d'assemblage », explique Popow. « Mais c'était très difficile, donc nous avons effectué la thermographie du côté composite des assemblages après que la pièce était terminée. »

IVW a choisi une technique de thermographie active appelée Thermographie Verrouillée (Lock-In Thermography) car elle offre un meilleur rapport signal/bruit que d'autres méthodes actives (ex. Thermographie de Phase Impulsionnelle) et peut aussi inspecter des défauts plus profonds. « L'idée de base est de mettre de la chaleur dans le composite, qui conduit alors dans la zone d'assemblage et revient à la surface », dit Popow. « Avec la Thermographie Verrouillée, le composant est excité avec une fréquence définie sur plusieurs périodes. Nous analysons ensuite cette réponse au fil du temps. Si vous avez des zones entre la surface composite et la zone d'assemblage qui ne sont pas homogènes en raison d'un vide ou défaut, cela apparaîtra dans la réponse thermique. »

La réponse thermique est capturée comme une image. Les points qui composent ces images sont des pixels, abréviation de picture elements. Chaque pixel est aussi un point de mesure. Ainsi, le signal de température pour chaque pixel sur toute la zone d'inspection est analysé. « Comme résultat, vous obtenez des informations d'amplitude et de phase pour chaque pixel, et le logiciel reconstruit cela en une image à nouveau, qui peut être inspectée visuellement », ajoute-t-il. Mais cela a aussi fourni de grands ensembles de mesures pour les 126 pièces testées. « Nous avons corrélé ces résultats CND avec les résultats des tests mécaniques effectués par EDAG », dit Popow. Son équipe a aussi testé la zone d'assemblage après retrait des supports – c'est-à-dire tests destructifs. « Nous avons ainsi corrélé trois ensembles de résultats de tests et pouvons maintenant identifier les zones d'assemblage faible versus forte depuis l'analyse visuelle des résultats de thermographie », dit-il.

Cellule intégrée pour production de masse

Une des plus grandes réalisations de FlexHyJoin, dit Weidmann, est l'intégration de toutes les unités technologiques, chacune développée par un partenaire de projet différent, dans une ligne de production automatisée, optimisée. Voithofer, celui qui a intégré l'équipement chez Fill, explique que « chaque ensemble d'équipement expédié vers nous utilisait un contrôleur différent. J'ai dû concevoir un automate maître pour contrôler toutes les différentes unités de processus. » Cela incluait les enceintes laser et le robot de manipulation de la cellule, qui étaient fournis par Fill. « C'était aussi très difficile de faire fonctionner toutes ces étapes de processus ensemble car elles prennent des durées différentes », ajoute-t-il.

Voithofer a commencé par développer une architecture pour chaque unité de processus et robot, en considérant comment positionner celles-ci pour le meilleur flux. « Notre concept était de garder les trois stations – structuration, assemblage et CND – modulaires, dans trois boîtiers séparés », dit-il. « De cette façon, nous pouvions extraire des unités individuelles et les utiliser pour des salons ou autres projets de démonstration, puis les retourner. Donc, la cellule de travail est modulaire, mais intégrée. »

Les décennies d'expérience de Fill dans ce type d'intégration de systèmes pour production série composites ont aidé à réaliser ce que Popow voit comme le plus grand exploit de FlexHyJoin : passer de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle. « Nous sommes le premier consortium à réaliser un processus comme celui-ci, qui est approprié pour la production de masse de composites assemblés au métal », dit-il. « Ce processus peut être utilisé pour de nombreuses pièces automobiles telles que barres stabilisatrices, pare-chocs et portes », note Voithofer. « Il y a beaucoup de pièces composites qui se connectent à des pièces métalliques dans une BIW allégée. »

Adaptation pour industries multiples

Cependant, quelques changements sont nécessaires avant que la cellule ne soit mise en production série. « Nous ne garderions plus la structuration laser et l'assemblage dans des enceintes séparées, mais les combinerions en une seule », dit Voithofer. « Cela supprimerait le besoin pour les portes d'enceinte de s'ouvrir et fermer entre ces processus, réduisant le temps de cycle. » Il connecterait aussi toutes les stations linéairement sur un convoyeur. La ligne tournerait ainsi en continu, avec pièces reprises et reposées sur le convoyeur pour chaque station avant de sortir de la cellule prêtes pour assemblage dans une BIW. Cela réduirait davantage le temps de cycle. Aussi, des tiroirs étendus capables de nourrir des centaines de pièces permettraient à la ligne de tourner sur des shifts entiers sans besoin de réapprovisionnement.

Bien que cette cellule de production pilote visait l'industrie automobile, Popow note qu'elle peut être facilement adaptée à l'aérospatial, biens de sport/consommation et applications industrielles. « C'était en fait une des principales directives », dit Weidmann, « qu'elle doit pouvoir assembler différentes géométries et pièces. Le seul changement devrait être l'outil de compactage d'assemblage par induction, les dispositifs de serrage pour soudage laser et l'outillage de support. Les parties principales de la cellule devraient rester les mêmes. » Il note que l'IVW a aussi démontré l'assemblage hybride de titane et acier sur composites organofeuille carbone tissé/polyphénylène sulfure (PPS) et développe maintenant des démonstrations polyetheretherketone (PEEK) et polyetherketoneketone (PEKK). « Cela requiert simplement d'adapter les processus d'assemblage pour températures plus hautes et redéfinir les paramètres de processus optimaux », dit Weidmann. « La cellule est ouverte à une variété de matériaux, incluant aluminium et cuivre ainsi que d'autres systèmes de matrices thermoplastiques composites tels que polypropylène et polyéthylène. »

« Les partenaires du projet ont bien travaillé ensemble et sont excités d'aller plus loin dans le développement », note-t-il. « Nous pensons que ce type de production est très prometteur, et la réponse que nous avons reçue de l'industrie jusqu'à maintenant montre qu'il y a une variété d'entreprises qui voient cette promesse aussi. »