Stimuler la production d'aérostructures : Le nouveau système époxy 2-composants de Hexion pour RTM

Ceci est le troisième de ma série de blogs sur les technologies à découvrir au CAMX 2019 (23-26 sept, Anaheim, CA, États-Unis). Hexion (Columbus, Ohio, États-Unis) a développé un système deux composants (2K) pour RTM d'aérostructures basé sur sa résine époxy Epikote System 600. L'introduction ci-dessous expliquera pourquoi ce développement est important. Ensuite, je donne plus de détails sur ce nouveau système 2K et comment Hexion répond aux demandes des OEM aérospatiaux pour l'assurance qualité in situ de la résine mélangée. En bas, je discute aussi de l'époxy 2K infusion/RTM de Hexion pour applications résistantes au feu (FR).

Pourquoi résines 2K pour RTM ?

Plus tôt cette année, j'ai écrit sur les programmes chez le spécialiste outillage Alpex Technologies (Mils, Autriche) et la filiale Airbus Composites Technology Center (CTC, Stade, Allemagne) pour produire des pièces d'avion composites en utilisant le moulage par transfert de résine (RTM). L'utilisation du RTM en aérospatial n'est pas nouvelle. Il y a eu et il y a une variété de pièces d'avion faites en utilisant RTM, incluant :

• Gouvernes de direction pour Gulfstream G250 business jet (Israel Aerospace Industries et North Coast Composites)
• Pales et carter de ventilateur pour le turbofan LEAP (Albany Engineered Composites)
• Encadrement de porte A350 (Airbus Helicopters Donauworth)
• Porte passager A350 démonstration (Elbit Cyclone)
• Volet multispar A320 démonstration (Airbus Brême)
• Matrix Composites a produit plus de 6 000 composants pour le F-22 en utilisant RTM.

Cependant, le RTM en applications aérospatiales a traditionnellement été un processus basse pression avec des temps de cycle mesurés en heures. Les programmes chez Alpex et CTC sont concentrés sur l'exploitation de l'automatisation, l'injection rapide et des temps de cycle de 15 à 20 minutes offerts par le RTM haute pression (HP-RTM). Dans mon article « HP-RTM pour production série de structures aéro CFRP rentables », j'ai discuté de l'utilisation de résines époxy 2-composants (2K) versus la norme actuelle d'utilisation de systèmes 1-composant (1K) pré-mélangés :

« Schiller [Jan Schiller, chef de projet CTC pour systèmes de production et contact principal pour technologies RTM] observe que toutes les structures avion RTM précédentes n'ont utilisé que des systèmes 1K mélangés par le fournisseur, qui certifie alors le mélange et porte la responsabilité de s'assurer que la résine répond aux exigences de qualification. « Maintenant nous considérons des systèmes 2K, mais le défi est d'assurer la qualité du mélange », explique-t-il. Les systèmes 1K pré-mélangés requièrent expédition et stockage au froid pour prévenir la réaction jusqu'au traitement de la pièce. Ainsi, les avantages des systèmes 2K incluent l'élimination de cette dépense ainsi qu'une réactivité plus élevée pour un traitement plus rapide. »

« Un problème, cependant, est que l'assurance qualité (AQ) sera transférée du fournisseur de résine au fabricant de pièces. « Cette AQ requiert la détection du ratio de mélange et la qualité de la résine mélangée. Les deux sont nécessaires pour la qualification Airbus d'un nouveau matériau. Donc cela signifie mesures des deux composants juste avant le mélange et de la résine après mélange. Aujourd'hui, nous n'avons que des capteurs avant la tête de mélange, montrant combien de résine et combien de durcisseur sont dosés dans le mélange. Ce n'est pas assez pour la qualification. »

Hexion (Columbus, Ohio, États-Unis), un leader dans le développement d'époxy à cuisson rapide pour HP-RTM en composites automobile (voir « HP-RTM en hausse »), a annoncé en mars 2019 qu'il a développé un système 2K pour RTM d'aérostructures basé sur sa résine époxy Epikote System 600. J'ai interviewé le leader du segment Aérospatial Époxy Global de Hexion, Jean Rivière, pour en apprendre plus sur leur système 2K pour l'aérospatial et comment ils répondent à cette demande d'AQ in situ de la résine mélangée.

Surmonter les limitations des systèmes 1K

« Tout comme avec le préimprégné, les systèmes 1K pour RTM et infusion en aérospatial doivent être gardés au froid et ont une durée de vie limitée », dit Rivière. « En utilisant un système époxy 2-composants (2K), vous supprimez ces contraintes. Nous avons vu des résines époxy 2K et hautement réactives utilisées dans la fabrication de pales éoliennes et structures automobiles. Alors pourquoi pas en aérospatial ? »

Rivière explique qu'après avoir parlé à de nombreux clients à ce sujet, Hexion a compris la préoccupation principale – vous avez besoin d'une validation que le ratio de mélange est correct à tout moment avant l'injection dans le moule. Sans cela, vous avez un risque inacceptable pour le fabricant de pièces », note-t-il. Il ajoute qu'auparavant, il n'y avait pas de demande pour le type de volumes de production vus dans pales éoliennes et automobile. Maintenant, cependant, Airbus et Boeing veulent dépasser les taux de production actuels tout en visant plus de pièces composites par avion. « Donc maintenant il y a un besoin de s'éloigner du drapage préimprégné et vers un époxy 2K pour RTM ou infusion aérospatiale », dit Rivière.

Dans les diagrammes de chaîne d'approvisionnement ci-dessous, la technologie 2K non seulement supprime les étapes de stockage au froid et de réchauffage, elle supprime aussi les restrictions sur la taille des conteneurs de résine pour l'expédition. « Vous devez garder la masse de résine pré-mélangée à 20 litres et maintenir ces fûts à température très basse », dit Rivière, « sinon la résine peut commencer à réagir. Pour un système 2K, des fûts standard de 200 litres peuvent être expédiés sans restrictions de basse température. Donc, il y a moins de risque, pas de fort refroidissement et moins de précautions nécessaires. »

Les chaînes d'approvisionnement ci-dessus montrent comment le contrôle analytique change. Alors qu'un seul contrôle initial est effectué au lieu de fabrication pour les systèmes de résine 1K, le contrôle est mis en œuvre à plusieurs points de contrôle pour le système 2K. En plus du contrôle des composants A et B pendant la production d'usine, le ratio de mélange A:B est aussi contrôlé numériquement dans l'équipement de dosage, mélange et distribution (MMD) et encore juste avant l'injection de la résine dans le moule. SOURCE : Hexion.

Contrôle analytique

Pour développer cette technologie 2K, Hexion a travaillé avec Hübers (Bocholt, Allemagne), un fabricant d'équipements de dosage, mélange et distribution (MMD), et Composyst (Hurlach, Allemagne) qui a une licence exclusive pour le procédé Vacuum Assisted Process (VAP) breveté par Airbus pour l'infusion. Hübers a une forte réputation pour les systèmes MMD haute performance utilisés dans la fabrication de composants électriques et électroniques (ex. résine de coulée et composants imprégnés pour transformateurs, etc.) tandis que Composyst est un expert en injection de résine et infusion pour applications Airbus, et ainsi, comprend ce que l'OEM aéronautique recherche concernant le traitement et l'assurance qualité (AQ) des résines mélangées.

« Le contrôle analytique entre en jeu après que les composants A et B de l'époxy ont été mélangés précisément par l'équipement Hübers et se préparent à être introduits dans le moule », explique Rivière. Les tubes noirs entre le système MMD Hübers et la configuration d'infusion VAP sous vide dans l'image ci-dessous sont un composant clé de ce système de contrôle analytique. « C'est là que nous avons un dispositif analytique qui contrôle le ratio de mélange en temps réel », dit Rivière. « Nous avons démontré la mesure du ratio de mélange toutes les 12 secondes, mais une mesure plus fréquente est aussi possible. En effet, la technologie permet un contrôle continu du ratio de mélange, qui est rapporté et logué. »

Note les tubes noirs entre l'équipement MMD Hübers et la configuration d'infusion VAP où Hexion a développé la mesure en ligne du ratio de mélange de la résine avant injection. SOURCE : Hexion

« Avec ce système », continue-t-il, « il y a un double contrôle : le contrôle normal dans l'unité MMD et notre contrôle analytique pré-injection par-dessus. D'abord, Rivière souligne que les machines MMD Hübers sont bien connues pour leur précision et exactitude. « Elles ont un système de double pompage pour les deux composants et doivent maintenir l'exactitude en volume et température ainsi que ratio de mélange pour les applications qu'elles alimentent. Notre système ajoute alors une seconde mesure après mélange et juste avant injection où vous pouvez définir des cibles pour alarmes. » Si le ratio de mélange mesuré ne rencontre pas les cibles et déclenche l'alarme, le système évacuera alors la résine mélangée dans un vaisseau séparé, contournant le moule pour qu'elle ne soit pas introduite dans la pièce infusée. « Il est alors possible de récupérer le processus et continuer l'injection », note Rivière.

Il dit que le système de contrôle analytique post-mélange, pré-injection de Hexion fournit un enregistrement indépendant pour la traçabilité et peut aussi être intégré dans l'unité MMD, selon les besoins du client. Rivière note que l'unité MMD Hübers effectue aussi un dégazage complet de la résine, qui est requis par l'industrie électronique, où il ne peut y avoir de vides ou porosité dans les composants d'application. « Ce système fournit aussi un contrôle portable de la pression sur le moule en gérant le flux de la résine à niveaux hauts ou bas », pointe-t-il. « Vous pouvez atteindre une très bonne imprégnation avec ce type de contrôle, et vous pouvez aussi raccourcir le temps de processus d'infusion tout en rencontrant les exigences de qualité aérospatiale en termes de porosité et taux de fibres. »

Photos montrant la configuration d'infusion utilisant l'équipement MMD Hübers et le contrôle analytique 2K Hexion et un laminé carbone UD de 2 centimètres d'épaisseur préparé avec cette configuration, atteignant plus de 60 % de taux de fibres. SOURCE : Hexion

Fenêtre de traitement améliorée

« Parce que le mélange est fait avec un mélangeur statique et dans un court laps de temps juste avant l'injection, le mélange de résine offre une durée de vie en pot plus longue (jusqu'à 40 % comparé au 1K) », note Rivière. Cela fournit une meilleure fenêtre de traitement et nous avons produit des laminés carbone épais avec 60 % de taux de fibres. La performance mécanique du 2K versus 1K est la même car la chimie est la même. Nous croyons que ce sera un processus plus fiable et la valeur complète est quand vous connectez le contrôle du mélange à la configuration d'injection de résine. »

SOURCE : Hexion

Hexion présentera des informations détaillées sur son système 2K Epikote 600 pour RTM et son époxy EPON FlameX pour répondre aux exigences feu, fumée et toxicité (FST) d'avion (voir ci-dessous) au Théâtre CAMX sur le sol d'exposition :

• Nouvelle Technologie 2K pour Fabrication Époxy Aérospatiale
  Mardi, 24 sept – 11:00 - 11:25 am
• Systèmes Époxy FlameX pour Applications Sécurité Incendie
  Mardi, 24 sept – 11:30 - 11:55 am

Vous pouvez aussi obtenir plus de détails au stand Hexion Y24.

Époxy EPON FlameX pour infusion/RTM de composites résistants au feu

Hexion a aussi développé un époxy 2-composants pour infusion/RTM de pièces qui doivent répondre aux exigences résistance au feu (FR) et flamme, fumée, toxicité (FST). Les moteurs pour ce développement incluent :

• Taux de production augmentés
• Réglementations REACH pour systèmes sans halogène, non phénoliques
• Résines plus fortes, plus tenaces versus phénoliques fragiles
• Coût compétitif avec phénoliques mais bien moins cher que thermoplastiques.

Le système EPON FlameX de Hexion n'utilise pas d'additifs halogènes ou particulaires pour atteindre la résistance au feu, mais construit plutôt cette performance dans le squelette moléculaire de la résine. Il n'y a pas de filtrage particulaires pendant l'infusion, la résine infuse bien avec une viscosité de 250 cps à 60-70 °C (140-158 °F) et cuit en 1,5 heures à 150 °C (302 °F). Une post-cuisson sur outil ou autoportante à 180 °C est recommandée pour propriétés structurelles maximales.

Les pièces faites avec ce système passent les suivants sans revêtements ou mesures FR additionnels :

• Brûlage vertical 60s FAR25.853(a)
• Toxicité fumée BSS7239
• Densité fumée BSS7238

Il passera aussi le dégagement de chaleur OSU 65/65, dans certaines configurations avec un gelcoat ou revêtement intumescent certifié. Ceci est requis seulement pour les pièces qui peuvent être touchées pendant le roulage, décollage et atterrissage d'avion.

Applications incluent intérieurs d'avion, zones cargo, toilettes, galeries et composants de sièges, ainsi que marine, rail et intérieurs architecture.

« Nous avons démontré des bacs de rangement qui requièrent actuellement 10-12 heures à fabriquer en utilisant les processus préimprégnés phénoliques conventionnels mais peuvent être produits en 90 à 120 minutes avec infusion ou RTM en utilisant le système FlameX », dit Nathan Bruno, spécialiste développement applications et produits époxy Hexion. « Aussi, parce qu'il n'y a pas de charges, il a une densité plus faible versus époxy FR chargés. »