Fibre de carbone recyclée : paysage actuel et perspectives d'avenir

Le cas de la fibre de carbone recyclée est complexe. L'industrie repose sur l'espoir de résoudre deux problèmes : éviter que les déchets de fibre de carbone ne finissent en décharge et combler un éventuel écart entre l'offre et la demande. On estime généralement qu'environ 30 % de la fibre de carbone produite devient déchet. Pendant que ce matériau précieux s'enfouit, la plupart des analystes s'accordent à dire que la demande annuelle pourrait dépasser la capacité de production actuelle dans les prochaines années. La demande mondiale moyenne est estimée entre 65 000 et 85 000 tonnes métriques par an, pour une capacité nominale mondiale (supérieure à la capacité réelle) d'environ 150 000 tonnes, selon Brett Schneider (Hexcel) et Dan Pichler (CarbConsult GmbH) lors de la conférence Carbon Fiber de décembre 2018. Comme le rapporte la contributrice de CW Amanda Jacob en mars, certains analystes prévoient que la demande pourrait excéder l'offre d'environ 24 000 tonnes d'ici 2022. (voir « Building confidence in recycled carbon fiber ».)

Si les fournisseurs commerciaux de fibre de carbone recyclée (rCF) présentent le matériau récupéré comme solution potentielle à cet écart, l'industrie du rCF fait face à ses propres défis. Bien que la technologie de recyclage des composites en fibre de carbone existe depuis plusieurs années et puisse produire un matériau aux propriétés mécaniques très proches du vierge, l'industrie du recyclage des composites est encore jeune et en phase initiale de développement de marchés pour ses matériaux. Alors que la confiance dans la qualité de la fibre produite par les recycleurs augmente, les questions de coût et de disponibilité passent au premier plan. Le plus grand défi reste la sécurité de la chaîne d'approvisionnement.

« Les technologies existent depuis un moment, mais la chaîne d'approvisionnement n'a pas été validée », déclare Andrew Maxey, PDG de Vartega (Golden, Colorado, États-Unis). « Sans les bons éléments réunis, vous pouvez avoir la meilleure technologie au monde, mais vous n'aurez ni matière à recycler ni produits où l'utiliser. »

Les fournisseurs commerciaux se tournent souvent vers l'industrie aérospatiale comme source de chutes de production et de matériel en fin de vie pour le recyclat. Pourtant, bien que la quantité de déchets de l'aérospatiale soit importante en termes de mise en décharge, de nombreux OEM et fabricants ont été réticents à s'y fier comme source stable pour une ligne de produits à haut volume.

Des progrès se font néanmoins. En décembre 2018, Boeing a annoncé qu'il fournirait à ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Royaume-Uni) des déchets de fibre de carbone durcis et non durcis pour être recyclés en produits secondaires pour d'autres applications de fabrication de composites. Cet accord est la première relation formelle d'approvisionnement en matière entre un recycleur de fibre de carbone et un grand OEM aéronautique, et semble de bon augure pour l'industrie.

Ce n'est pas qu'une question environnementale

L'argument pour le rCF va au-delà de la durabilité. Le coût réduit est aussi un avantage. Par exemple, le rCF d'ELG Carbon Fibre coûte environ 40 % de moins que la fibre de carbone vierge de grade industriel. D'autres fournisseurs affirment que leur matériau est 20 à 40 % moins cher. De plus, de nombreuses applications nécessitent des formats de fibres discontinus — ce qui suggère une opportunité où le rCF pourrait offrir une alternative plus durable et économique au matériau vierge.

« Partout où l'industrie utilise de la fibre de carbone discontinue ou hachée, la fibre recyclée devrait être la première considération », affirme Maxey. « Nous dépensons tant pour fabriquer de la fibre de carbone vierge en format continu... pourquoi la hacher ensuite pour la mettre dans du thermoplastique ? Si nous avons déjà un format discontinu dans ces chutes, c'est le meilleur matériau à utiliser, à mon avis, pour ces composés de moulage où vous allez le hacher de toute façon. »

De plus, la qualité du rCF produit s'est avérée, dans certains cas, équivalente à la fibre vierge. ELG Carbon Fibre, qui récupère les fibres par pyrolyse, affirme que sa fibre conserve généralement au moins 90 % de sa résistance à la traction sans changement de module. Vartega utilise un procédé chimique et prétend que sa fibre présente les mêmes propriétés mécaniques que la fibre vierge. Shocker Composites (Wichita, Kansas, États-Unis) utilise un procédé de solvolyse en ligne et revendique une haute qualité sans dommage apparent aux fibres.

Natte non-tissée en fibre de carbone recyclée d'ELG Carbon Fibre.

Photo CW | Scott Francis

Selon Vamsidhar Patolla, doctorant à Wichita State University et fondateur de Shocker Composites, le défi est de réduire le coût à un niveau comparable à celui d'autres matériaux comme l'aluminium. « La processabilité doit correspondre à l'échelle de production de grande série », dit-il. Le procédé de Shocker Composites offre cet avantage car il est en ligne, pas par lots. (En savoir plus dans l'article « Sustainable, inline recycling of carbon fiber ».)

Compte tenu des améliorations récentes dans le traitement du rCF et la qualité de la fibre, les fournisseurs commerciaux ont commencé à déplacer leur focus du « downcycling » du rCF vers des produits de performance inférieure vers la recherche d'applications appropriées qui bénéficient des propriétés du matériau.

« Nous ne remplacerons jamais complètement la fibre vierge, surtout dans l'aérospatiale où les exigences de résistance et rigidité sont élevées, mais les gens comprennent que la fibre recyclée n'est pas juste une fibre recyclée aux potentiels faibles », déclare Benjamin Andrews, ingénieur services techniques terrain chez ELG Carbon Fibre. « Elle a ses propres avantages supérieurs à la fibre vierge dans certaines applications. La drapabilité et la finition de surface sont meilleures... ce n'est pas juste un matériau réutilisable ; c'est un matériau qui a ses propres avantages. »

Qu'en est-il de l'automobile ?

Côté marchés, l'industrie automobile semble offrir le plus de potentiel pour le rCF. Sa capacité à combiner allègement et bonne finition de surface en fait un choix naturel pour les panneaux de carrosserie, sans compter divers composants intérieurs. Les fournisseurs commerciaux de rCF guettent l'adoption massive depuis longtemps, mais le point de bascule n'est pas encore arrivé. Le temps de cycle et le coût restent des obstacles.

Mark Mauhar, PDG de Carbon Conversions (Lake City, Caroline du Sud, États-Unis), estime que ces préoccupations sont un peu un prétexte vu les progrès réalisés, et que la vraie barrière à l'adoption dans n'importe quel marché est en fait l'aversion au risque.

« Personne ne veut être le premier à adopter un nouvel écosystème de matériaux », dit-il. Il souligne aussi que l'adoption massive du rCF par l'automobile n'est pas nécessairement souhaitable, car une douzaine de plateformes automobiles majeures pourrait rapidement consommer l'approvisionnement mondial en rCF. L'approche devrait cibler des programmes de niche, ce qui rendra la chaîne d'approvisionnement plus robuste d'un point de vue commercial.

Panneau de porte automobile en préimprégné fait à partir de re-Evo MCF de Carbon Conversions.

Photo CW | Scott Francis

« Il faut être malin sur où on le met dans l'auto », dit-il. « Choisir des pièces précises sur des modèles précis qui ont du sens. »

Mauhar espère que l'automobile sera le premier grand marché à consommer une fraction décente du rCF disponible. « Dans les 24 prochains mois, on commencera à voir du mouvement là-bas », prédit-il.

Les composites, en général, pénètrent l'automobile par étapes via des pièces comme les boîtiers de batteries, réservoirs sous pression, ressorts à lames et même systèmes de hayon. Il serait logique que le rCF suive la même trajectoire.

Ce plancher automobile moulé par compression utilise la natte non-tissée re-Evo MCF de Carbon Conversions.

Photo CW | Scott Francis

Un exemple intéressant d'approche de niche est ProDrive Composites (Milton Keynes, Royaume-Uni), fabricant de composites légers avancés pour applications allant de l'auto et sport automobile à l'aérospatiale et défense. L'entreprise collabore avec l'Université de Sheffield Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC, Sheffield, Royaume-Uni) et ELG Carbon Fibre sur son procédé P2T (Primary To Tertiary), un nouveau procédé utilisant une résine thermoplastique réactive pour fabriquer des composants composites recyclables. Un monomère plastique réagit avec un catalyseur en présence de fibres recyclées pour produire un stratifié durci, hors autoclave.

Exemple de pièce tertiaire produite avec le procédé P2T de ProDrive.

Photo CW | Scott Francis

« Nous avons démontré que des panneaux composites recyclables peuvent être produits à un rythme et un coût adaptés à de nombreuses industries », déclare John McQuilliam, ingénieur en chef chez ProDrive Composites.

L'entreprise affirme que le P2T permet d'utiliser un matériau composite trois fois ou plus. En fin de vie de la pièce primaire, les fibres et potentiellement la résine peuvent être recyclées, fournissant la matière première pour une pièce secondaire thermoplastique, comme un panneau de carrosserie. Quand cette pièce atteint sa fin de vie, elle peut être hachée et remoulée en nouvelles pièces. (En savoir plus dans l'article « P2T process positioned for recycling ».)

Parallèlement, Vartega mène un projet de l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, États-Unis) axé sur l'automobile. Cette collaboration technique de deux ans vise à relever les défis de la création de thermoplastiques renforcés en fibre de carbone recyclée cohérents pour l'allègement des véhicules. Maxey dit que le projet progresse vers un ensemble de données robuste offrant une caractérisation complète des matériaux, de l'interface fibre aux propriétés de la pièce finie.

Bien sûr, en considérant l'auto, le meilleur pari pourrait être sur les technologies émergentes connexes. Véhicules électriques, autonomes et connectivité apportent de nouvelles pièces et opportunités d'applications où les composites joueront probablement un grand rôle.

Maxey donne son avis sur la direction de l'auto : « Il s'est passé beaucoup de choses ces dernières années dans l'auto, où le focus passe de l'économie de carburant à d'autres priorités selon les régulations et l'administration. On ne voit pas de recul majeur sur l'allègement, mais peut-être que la motivation évolue. Je pense qu'on verra un focus sur l'allègement pour les applications de mobilité. »

L'aérospatiale peut-elle boucler la boucle ?

L'industrie aérospatiale génère le plus de déchets de fibre de carbone, et les fournisseurs commerciaux de rCF s'y tournent souvent comme source de recyclat. L'excédent, généralement du préimprégné thermoset non durci, est collecté et la résine est éliminée par chaleur (pyrolyse) ou solvant chimique (solvolyse) pour obtenir de la fibre qui est broyée, hachée ou granulée.

Alors que l'industrie se tourne vers une utilisation accrue des composites thermoplastiques (TPC), ce matériau présente de nouvelles opportunités de recyclage. Comme les polymères thermoplastiques peuvent être refondus et reformés, l'aérospatiale a plus d'opportunités de réabsorber certains de ses propres déchets dans des applications secondaires, réutilisant potentiellement fibre et matrice. Thomas de Bruijn, chercheur au Thermoplastic Composites Application Center (TPAC, Enschede, Pays-Bas) — un centre R&D composites thermoplastiques travaillant avec le Thermoplastic Research Center (TPRC, Enschede, Pays-Bas) à un niveau de recherche appliquée — pointe les efforts de l'industrie pour recycler en interne.

« D'un point de vue faisabilité, pour les composites thermoplastiques, une approche interne a beaucoup plus de sens », dit-il.

Selon de Bruijn, les OEM aéronautiques sont plus enclins à recycler en interne qu'à s'adresser à un fournisseur commercial de rCF. La raison principale est la traçabilité. Faire correspondre les types de polymères à une application donnée devient bien plus difficile quand l'approvisionnement est externalisé.

Johan Meuzelaar, spécialiste ingénierie contrainte chez GKN Fokker (Hoogeveen, Pays-Bas), pense que la réponse est de trouver le plus d'applications possible dans son propre environnement de production. « Si je regarde le type de composants thermoplastiques qu'on fait à partir de matériau vierge, il y a beaucoup de pièces qu'on pourrait faire en recyclé. On pourrait certainement utiliser une quantité significative des déchets qu'on génère. »

« Nous avons déjà les installations », ajoute Guillaume Vincent, ingénieur composites thermoplastiques au TPRC. Il explique que le recyclage interne s'insère dans les chaînes de processus normales et que la majorité de l'équipement est déjà en place, ce qui en fait la voie la plus abordable. « Ça s'insère dans des activités qu'on a dans un environnement de production normal. »

Voie de recyclage TPC-Cycle

Source | TPRC, TPAC

De Bruijn, Vincent et Meuzelaar participent au projet TPC-Cycle, opéré par TPAC et TPRC. Le projet vise la réutilisation des chutes de production de composites thermoplastiques pour l'aérospatiale et applications de grande série. L'objectif est de conserver les hautes propriétés mécaniques des composites thermoplastiques et de réduire l'impact environnemental global à un coût abordable. Le TPC-Cycle se vante de cycles courts et permettrait la production de formes complexes.

Panneau d'accès démonstrateur pour rotorcraft développé avec le procédé TPC-Cycle.

Source | TPRC, TPAC, GKN Fokker

Plusieurs partenaires industriels, dont GKN Fokker, Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californie, États-Unis ; Nijverdal, Pays-Bas), Cato Composite Innovations (Rheden, Pays-Bas), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Pays-Bas) et Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Pays-Bas), participent au projet TPC-Cycle, représentant différents segments de la chaîne de valeur : matériau, fabrication, design et application.

Selon de Bruijn, le projet TPC-Cycle examine maintenant des analyses de coûts et de cycle de vie pour prouver que le procédé est économiquement avantageux.

De plus, des programmes comme le Clean Sky 2 Joint Undertaking (financé par le programme Horizon 2020 de l'UE) encouragent la R&D axée sur la boucle fermée pour les déchets d'usine aérospatiaux. Les OEM regardent le potentiel d'utilisation des déchets d'usine recyclés pour pièces intérieures, panneaux d'accès, petits composants et même clips de structure et supports de systèmes.

Le Dr Bas Veldman, responsable de programme chez GKN Fokker pour la moitié inférieure d'un démonstrateur de fuselage multifonctionnel thermoplastique, favorise ce concept en lançant un appel à propositions sous le programme Clean Sky 2 sur les clips et supports. Un élément important du développement du démonstrateur est de réduire l'impact environnemental par l'utilisation de déchets d'usine pour produits comme clips de cadre et supports. Le démonstrateur vise aussi à remplacer les fixations par soudage, économisant matériaux, énergie et coûts tout en contribuant à l'allègement.

Selon Meuzelaar, GKN Fokker étudie comment la technologie de recyclage pourrait faire partie du concept de fuselage de demain. Il dit que le concept utilisera potentiellement beaucoup de composites thermoplastiques, ce qui pourrait générer beaucoup de déchets utilisables pour bracketerie, raccords et pièces non structurelles recyclés.

« La raison de regarder un fuselage thermoplastique est le coût, et on pense que c'est une méthode de production économiquement viable, qui intègre aussi le recyclage », dit-il.

Meuzelaar dit que l'objectif à haut niveau est de rendre les produits aérospatiaux plus abordables et plus durables. Alors que des progrès sont faits vers la production en série en thermoplastiques, cela produira aussi des déchets (comme hélas pour les composites en général). Mais il croit que ces déchets peuvent être commercialement viables et que le mélange à bas cisaillement / moulage par compression de TPC à fibre de carbone recyclée offre une liberté de design non offerte par la stratification traditionnelle avec fibres continues. « Vous obtenez beaucoup d'options supplémentaires pour faire des pièces non structurelles très intéressantes comme panneaux, petits carénages ou supports de systèmes qui en aérospatiale ont tendance à être surdimensionnés en termes de matériaux, alliages et systèmes de production utilisés », explique-t-il.

Il croit que l'opportunité réside principalement dans les pièces non structurelles de taille et complexité moyennes, qui représentent encore une part significative du coût total des composants plus grands.

« On ne fera pas d'ailes en thermoplastique recyclé dans un avenir proche », dit Meuzelaar. « Mais à l'intérieur de l'aile, il y a des pièces qu'on peut faire qui ont du sens économiquement. »

Tout cela dit, il est un peu prématuré de prédire l'impact des composites thermoplastiques sur l'industrie du recyclage.

« Le pourcentage de déchets diminuera probablement grâce à de nouvelles méthodes de production comme le placement de bandes ou les blanks sur mesure, qui produisent probablement moins de déchets que les processus typiques d'imbrication et de formage-tamponnage qu'on voit aujourd'hui », dit de Bruijn. « Mais en général, je pense qu'il y aura plus de déchets thermoplastiques dans les années et décennies à venir. »

Et si cet intérêt pour le recyclage interne monte, il y aura toujours des déchets non utilisables que les fabricants ne voudront ou ne pourront pas recycler en interne. Dans ces cas, ces matériaux pourraient être récupérés par un fournisseur de matériaux. Le temps dira ce que l'utilisation accrue de composites thermoplastiques signifiera pour la chaîne d'approvisionnement. (En savoir plus sur le projet TPC-Cycle et l'initiative Clean Sky 2 dans « Recycled thermoplastic composites for production ».)

Fabrication additive

La fabrication additive est un autre domaine prometteur pour le rCF. Par exemple, Shocker Composites a compoundé sa fibre de carbone recyclée en filament ABS renforcé 20-40 % et démontré son utilisation réussie avec le procédé Big Area Additive Manufacturing (BAAM) d'impression 3D de Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, États-Unis).

En outre, Vartega dit exploiter sa technologie de recyclage de fibre de carbone et son expertise en développement de matériaux pour faire progresser les matières premières polymères pour la fusion sur lit de poudre en fabrication additive. L'entreprise a récemment obtenu une subvention Small Business Innovation Research (SBIR) de la National Science Foundation (NSF, Alexandria, Virginie, États-Unis) pour mener de la R&D dans ce domaine.

Vartega affirme aussi développer un procédé permettant de renforcer des poudres thermoplastiques avec de la fibre de carbone tout en assurant que les matériaux produisent des pièces fonctionnelles dans des systèmes additifs infrarouges. Cette avancée permettrait aux fabricants numériques de réaliser tout le potentiel des nouvelles plateformes matérielles à base de poudre pour produire des pièces performant comme du moulé par injection à des cadences de production moyennes.

« En offrant des poudres polymères renforcées en fibre de carbone, les fabricants dans des secteurs comme les UAV [véhicules aériens sans pilote] et les prothèses médicales réaliseront les bénéfices d'une impression 3D rapide, complexe et personnalisée, tout en assurant que leur sélection de matériau exhibe l'intégrité structurelle requise pour leur produit », déclare Alice Havill, directrice des opérations chez Vartega.

Autres applications

Pendant ce temps, d'autres marchés et applications où la fibre de carbone recyclée peut jouer un rôle continuent d'émerger.

Ce bois lamellé croisé (CLT) de grade construction combine du bois thermiquement modifié avec de la fibre de carbone recyclée du Composite Recycling Technology Center.

Source | The Composite Recycling Technology Center

Le Composite Recycling Technology Center (CRTC, Port Angeles, Washington, États-Unis) explore l'utilisation de fibre de carbone recyclée dans divers produits, des bancs de parc aux articles de sport haute performance en passant par le tubage composite. L'entreprise travaille avec du préimprégné non durci récupéré de Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, États-Unis) ainsi que du rCF d'ELG Carbon Fibre.

Dave Walter, PDG du CRTC, pointe l'industrie de la construction comme zone de croissance potentielle. L'entreprise a récemment développé un CLT de grade construction sous procédé brevet en instance combinant bois thermiquement modifié et fibre de carbone recyclée. La modification thermique élimine sucres et lignine, offrant résistance à la pourriture et aux termites, puis des bandes de fibre de carbone sont intégrées pour la résistance.

Le CRTC utilise aussi la fibre de carbone recyclée pour créer des panneaux collés avec placage bois. Ces panneaux mettent en valeur la beauté du bois avec un substrat solide, léger et flexible pour diverses applications intérieures et extérieures, comme le montre l'image ci-dessous d'une installation 2019 au Benaroya Hall à Seattle.

Octave 9 Raisbeck Music Center – Benaroya Hall (Seattle, Washington, États-Unis)

Photo | The Composite Recycling Technology Center

Un changement d'état d'esprit pour l'industrie ?

Les grands changements se font souvent par étapes, et l'industrie relativement jeune de la fibre de carbone recyclée continue d'avancer lentement. Si le downcycling du rCF se poursuit, les perceptions sur le matériau commencent à changer. La qualité de la fibre a été prouvée et les procédés continuent d'évoluer. La conscience de la nécessité de recycler la fibre de carbone est forte et de plus en plus d'acteurs s'impliquent.

« L'annonce ELG et Boeing était vraiment importante ; elle aide tout le monde à faire avancer les choses et à accélérer les connexions de la chaîne d'approvisionnement », dit Maxey.

« Nous sommes là pour permettre et connecter les points », ajoute-t-il, résumant l'industrie. « Nous avons cette technologie habilitante qui se trouve au milieu de la chaîne d'approvisionnement, mais c'est vraiment une question de connecter cet actif échoué dans le flux de déchets à une demande non satisfaite en aval. »

Le plus grand changement, selon Mark Mauhar de Carbon Conversions, c'est que les fournisseurs veulent maintenant faire partie de la solution. « Avant il y a deux ans, on recevait plusieurs appels par semaine de fournisseurs pour se débarrasser de chutes, mais aucun intérêt pour utiliser le matériau », dit-il. « Maintenant, les gens commencent à marcher le discours. Seulement récemment, on commence enfin à voir des clients potentiels de fibre de carbone récupérée investir des ressources significatives dans la coupe d'outils de moulage, la construction de prototypes et maquettes, la résolution de problèmes de process — toutes activités bien avancées en termes d'adoption commerciale. »

Peut-être que tout se résume à la patience. Detlef Drafz, PDG d'ELG Carbon Fibre, souligne qu'il est utile d'examiner l'historique du recyclage pour d'autres matériaux traditionnels.

« Depuis plus de 50 ans, ELG recycle des matières premières pour l'industrie de l'acier inoxydable. Avec le métal, c'est accepté qu'on utilise la ferraille même dans les fours sous vide pour aubes de turbine... c'est accepté que le métal recyclé est une matière première, qui correctement traitée peut juste être utilisée. Ce n'était pas commun dans l'application aérospatiale il y a 25 ans ; cependant, on a établi une chaîne d'approvisionnement pour donner les garanties que le matériau performe. On fait la même chose ici. »