Révolutionner la délivrance d'énergie pour une fabrication composite efficace

Ceci est mon deuxième blog dans cette série pré-CAMX 2019 qui met en lumière des technologies clés qui ont été réellement exposées au CAMX 2018. Ce blog se centre sur le nouveau système black.infrared de Heraeus Noblelight, un nouveau type de système pour le traitement des composites, et sa technologie humm3, qui remplace les lasers et chauffages infrarouges dans les machines de placement automatisé de fibres (AFP).

Innover avec la lumière

Heraeus Noblelight innove une large gamme de processus industriels en utilisant la puissance de la lumière. Pour donner du contexte, toute la lumière est un rayonnement électromagnétique (REM) et a une longueur d'onde et une fréquence inhérentes, comme on peut le voir dans le diagramme ci-dessous. Heraeus Noblelight développe des dispositifs qui utilisent la lumière sur une grande portion de ce spectre, allant des émetteurs infrarouges (IR) aux lampes LED et systèmes ultraviolets (UV), ainsi que lampes à arc et flash.

Dans les composites, les systèmes UV et infrarouges (IR) ont été utilisés pendant des décennies, comme on peut le voir dans l'exemple ci-dessous. Le système black.infrared, cependant, est une nouvelle technologie.

• Sunrez a développé la technologie de durcissement UV pour infusion de résine et réparation composite dans les années 1990.
• Les revêtements époxy durcis UV sont standard dans de nombreuses industries.
• La résine époxy durcie UV est aussi utilisée par les pionniers de l'impression 3D fibre continue comme Continuous Composites et moi composites.
• Le chauffage IR est très courant dans les lignes de production composites automatisées où des blanks 2D sur mesure doivent être préchauffés avant préformage et/ou les préformes doivent être préchauffées avant estampage et surmoulage.

Système de chauffage black.infrared de Heraeus Noblelight pour composites. SOURCE : Heraeus Noblelight

Black.infrared

Heraeus Noblelight a exposé son nouveau système black.infrared au CAMX 2018. « C'est un émetteur IR à ondes moyennes qui délivre beaucoup de puissance dans un petit volume », explique Bruce Fricks, responsable ventes senior pour systèmes IR, Heraeus Noblelight America, LLC. Bien que Heraeus Noblelight soit basé à Hanau, Allemagne, sa division américaine pour systèmes IR et lampes flash est basée à Buford, Géorgie tandis que sa division américaine pour systèmes UV est basée à Gaithersburg, Maryland.

« Habituellement, pour un émetteur IR à ondes moyennes, vous êtes plus vers une densité de puissance de 60 kW/m² », dit Fricks, « mais « Black IR » atteint 200 kW/m². L'IR est un moyen beaucoup plus efficace de mettre de l'énergie dans un substrat versus chauffer tout l'air autour, mais Black IR est trois fois plus efficace comparé à un four à convection. Pour le traitement en ligne, cela signifie qu'un convoyeur pourrait tourner trois fois plus vite ou être raccourci pour prendre moins de place. Par exemple, un convoyeur avec un four de 30 pieds de long pourrait être réduit à un four de 10 pieds en utilisant Black IR. »

À ce jour, applications pour systèmes black.infrared incluent soudage plastiques et chauffage de films photovoltaïques mince (microns d'épaisseur) pour cellules solaires. « L'IR, en général, fonctionne très bien pour la déposition au niveau atomique », note Fricks, « par exemple, application de couches de gallium ou motifs dans silicium pour semi-conducteurs. Note, toutes ces opérations sont faites dans le vide. Black IR opère aussi bien dans le vide et à hautes températures. »

Il explique que les émetteurs black.infrared ont été conçus pour opérer avec une température de surface de 1000 °C. « Ces émetteurs sont tout à l'état solide, donc vous pouvez en mettre un dans un four tournant à 700-800 °C et il ne souffrira pas. Cependant, si un processus requiert des températures bien plus hautes que cela, disons 1500 °C ou plus, alors l'IR à ondes courtes serait un meilleur ajustement. »

Fricks explique que Black IR est aussi une technologie de ligne de visée. « C'est mieux pour surfaces planes ou convexes/concaves simples. Le plus grand problème est avec pièces ou matériaux ayant des zones internes ou externes où quelque chose projette une ombre. »

Module black.infrared (gauche) et image thermique montrant l'uniformité de température (droite). SOURCE : Heraeus Noblelight

Avantages Black IR et applications composites potentielles

Fricks note que black.infrared n'est pas un émetteur IR à filament, qui tend à être plus brillant au centre que sur les côtés. Au lieu de cela, il produit une énergie très uniforme à travers la surface plane 2D de l'émetteur, qui peut varier en taille de 40 millimètres par 400 millimètres jusqu'à 100 millimètres par 100 millimètres. « Nous pouvons aussi tuiler les émetteurs Black IR pour créer un dispositif planaire jusqu'à 400 millimètres par 400 millimètres », ajoute-t-il.

Parce que black.infrared est un dispositif IR à ondes moyennes, il est relativement insensible à la couleur (blanc vs sombre), explique Fricks. « Il ne cuira pas les matériaux noirs ou sous-chauffera les matériaux jaunes ou blancs. » Et pourtant, il prend selon les dires moins de 60 secondes pour chauffer. « Watt-pour-watt, ce n'est pas terriblement cher versus autres options IR », dit Fricks. « L'IR est plus cher qu'un four à convection, mais il offre vitesse et efficacité, ainsi que la capacité de fournir une température très uniforme – c'est-à-dire variation moins de plus ou moins 5 degrés. »

Black IR pourrait potentiellement être utilisé dans la production de fibres, préimprégnés, bandes composites et éventuellement processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) comme ceux utilisés pour faire du graphène et autres matériaux nanocomposites. Fricks cherche des discussions avec fabricants et fournisseurs de matériaux pour explorer et développer davantage d'applications dans les composites.

Le système humm3 pour placement automatisé de fibres de thermodurcissables préimprégnés, fibres sèches et bandes composites thermoplastiques. SOURCE : Heraeus Noblelight

humm3 remplaçant les lasers dans l'AFP

L'autre technologie que Heraeus Noblelight a exposée au CAMX 2018 était son système humm3 pour placement automatisé de fibres (AFP) de préimprégné thermodurcissable, fibre sèche et bandes composites thermoplastiques. Le système humm3 utilise une lampe flash au xénon qui est pulsée plusieurs fois par seconde. Dans la partie 2 de mon article 2018 sur la consolidation in-situ de composites thermoplastiques, j'ai décrit dans Fig. 2 comment les lasers couramment utilisés dans l'AFP thermoplastique peuvent être distingués par leur lumière violette vs la lumière orange des chauffages infrarouges (IR) typiquement utilisés dans l'AFP préimprégné thermodurcissable. Notez que la technologie humm3 est différenciée des deux par sa lumière blanche brillante.

SOURCE : Heraeus Noblelight

« Les lampes infrarouges sont relativement peu chères, mais elles sont lentes et ne peuvent pas atteindre les hautes températures requises par les thermoplastiques aérospatiaux », dit Kyle Hudspeth, responsable ventes pour le système humm3 de Heraeus Noblelight en Amérique du Nord et du Sud. « De l'autre côté, les lasers sont très rapides pour chauffer et refroidir, mais ils sont chers et requièrent des précautions de sécurité significatives. Humm3 comble un vide dans le marché pour un chauffage rapide, sûr, compact et rentable pour l'AFP. »

Image thermique de pose PEEK sur machine AFP robotique. L'optique de livraison quartz humm3 est vue à droite, pointant sur le point de pincement entre le substrat et le matériau entrant. Des vitesses de 6 mètres par minute ont été atteintes avec de bons résultats de qualité. SOURCE : Heraeus Noblelight

Hudspeth explique que humm3 délivre une chaleur uniforme au point de pincement AFP sur une large gamme de températures, de 50 °C au maximum actuellement mesuré de 600 °C. Il peut aussi être contrôlé précisément en utilisant trois paramètres programmables :

• énergie d'impulsion (quelle taille),
• durée d'impulsion (combien de temps)
• fréquence d'impulsion (combien de fois par seconde).

Il ajoute que le temps de chauffage et la température sont approximativement les mêmes qu'avec un laser, « mais aucune cabine de protection laser n'est requise, donc les techniciens peuvent être proches du drapage pendant l'opération. »

Dans les tests pour le traitement de laminés polyetheretherketone (PEEK) renforcés fibre de carbone, Heraeus Noblelight a démontré que humm3 peut produire des laminés AFP thermoplastiques de haute qualité avec la cristallinité ≈35 % et <2 % porosité requises pour les structures composites aérospatiales. Dans le cadre du programme Clean Sky 2 de l'UE, le Center for Lightweight Production Technology (ZLP, Stade, Allemagne) travaille avec Heraeus Noblelight pour développer humm3 dans le système multi-robot GroFi au German Aerospace Center (DLR) à Stade. Le travail vise à augmenter significativement les taux AFP pour structures composites thermoplastiques tout en rencontrant les exigences de qualité strictes.

Pour les laminés fibres sèches qui seront traités en utilisant infusion de résine ou moulage par transfert de résine (RTM), Hudspeth affirme que humm3 permet une vitesse de drapage de 1 mètre par seconde et chauffage uniforme sur huit ou 16 bandes, chacune 0,25 pouce de large. Le chauffage sur une largeur de 300 millimètres peut être atteint avec une seule lampe et coordonné avec l'alimentation modulaire et le design modulaire de humm3 pour adapter davantage un système AFP pour zones chauffées encore plus grandes. L'optique de livraison quartz humm3 est aussi personnalisable pour atteindre une forme de zone de chaleur précise.

Démonstrateur pièce aérospatiale utilisant la bande fibre sèche HiTape d'Hexcel (gauche) et résine RTM6 (droite). SOURCE : Heraeus Noblelight

Le système humm3 est en développement pour d'autres traitements composites, incluant soudage thermoplastique, bobinage filamentaire et tacking de multiples couches composites pour préformes. Hudspeth note que humm3 est une technologie mature, bien prouvée, démontrée au National Composites Centre (Bristol, Royaume-Uni) depuis 2016 et gagnante du Queen's Award for Innovation au Royaume-Uni en 2015.

Pour plus de détails, visitez Heraeus Noblelight au stand CAMX Y47.

SOURCE : Heraeus Noblelight