Innovation zéro déchet : nouveau procédé et équipement recyclent chutes de préimprégné et ruban

Un défi pour le kitting de tissus préimprégnés ou de rubans unidirectionnels (UD) est de déterminer quoi faire des chutes trop petites ou dont les fibres sont mal alignées pour être réutilisées dans un autre projet. Bien que les logiciels d'imbrication et les coupeurs aient réduit les chutes de manière significative, les rognures finissent souvent en décharge, ce qui ajoute aux coûts matériaux et pièces ainsi qu'à la charge environnementale. Cependant, une entreprise néerlandaise, Van Wees UD and Crossply Technology BV (Tilburg, Pays-Bas), aide à améliorer la durabilité en développant une nouvelle technologie — et les machines qui la rendent possible — pour réutiliser les chutes de ruban thermoplastique.

Racines textiles

Fondée en 1945 et avec des racines profondes dans l'industrie textile, Van Wees est un fournisseur complet qui conçoit, produit, installe et met en service des machines et lignes de production pour produire des composites avancés (thermodurcissables ou thermoplastiques, fibres de carbone ou de verre) avec un focus sur les méthodes de production de haute qualité, haut volume. L'entreprise fabrique des lignes d'imprégnation de préimprégnés (incluant des crèches) — principalement pour les époxys côté thermodurcissable et pour des matériaux allant du polypropylène (PP) aux polyamides haute température (PA) côté thermoplastique — ainsi que des machines de placement de rubans UD crossply et multiaxiaux, qui peuvent traiter soit des rubans thermoplastiques soit thermodurcissables. Une entreprise sœur, Eltra Engineering BV (aussi à Tilburg) se spécialise dans la technologie d'automatisation industrielle et fournit les contrôles électriques et logiciels pour les machines Van Wees.

Au Centre de Recherche et Technologie (R&T), Van Wees maintient des équipements à l'échelle de production pour son propre développement de procédé ainsi que pour les clients envisageant un système Van Wees, ou qui apprennent à opérer l'équipement en attendant que leurs machines soient construites. Cela permet aux clients de produire du matériau qu'ils peuvent évaluer ou, à leur tour, offrir à leurs propres clients pour évaluation. Par exemple, au R&T, des fils peuvent être tirés d'une crèche et les fibres écartées et imprégnées pour produire des rubans, qui peuvent ensuite être passés dans les machines crossply ou multiaxiales UD de l'entreprise pour produire des stratifiés avec une variété de couches de plis et d'orientations de fibres. (Les stratifiés crossply ont au moins deux plis orientés à 0/90 degrés et les stratifiés UD multiaxiaux ont au moins deux plis UD orientés à des angles autres que 0/90 degrés.) Les stratifiés sortant de ces machines sont tacqués ensemble pour faciliter la manipulation. Ils peuvent ensuite être découpés à l'emporte-pièce en préformes forme nette qui sont ensuite prêtes pour le traitement en pièce composite. Bien que le focus de l'équipement Van Wees avec l'équipement crossply et multiaxial UD soit sur la production de rubans UD thermoplastiques, les machines peuvent être utilisées pour produire des rubans avec des matrices thermodurcissables et/ou avec du tissu plutôt que des renforts UD.

Intéressant, c'est le propre problème de chutes de Van Wees en fabriquant ces produits pour les tests clients, ainsi que les demandes clients, qui a conduit les chercheurs de l'entreprise à développer un « procédé zéro déchet » pour recycler les copeaux/chutes de la production de préformes à fibres adaptées. En tant que service, l'entreprise offre aux clients l'opportunité d'évaluer ces préformes basées sur copeaux et a déjà développé l'équipement pour les produire commercialement à haut volume de production.

Pas de gaspillage, pas de manque

Pendant les opérations de découpe à l'emporte-pièce pour faire des préformes forme nette (que Van Wees appelle « patches »), le matériau de chute est collecté et ségrégué par type de résine et de fibre. Cette chute est de forme et taille irrégulières, donc les découpeurs à l'emporte-pièce sont conçus pour produire des « copeaux » avec une taille maximale de 50 par 50 millimètres. Les copeaux hachés sont ensuite pressés en une feuille consolidée (via moulage par compression ou sous vide), résultant en un stratifié avec des fibres discontinues orientées aléatoirement. Aucune résine additionnelle n'est nécessaire pour faire la feuille, et seulement les copeaux avec des résines chimiquement compatibles sont mélangés, bien que les copeaux renforcés fibres de verre et de carbone puissent être combinés selon les propriétés désirées dans la pièce finale qui sera formée depuis le stratifié basé sur copeaux.

Puisque les fibres dans les copeaux individuels dans le stratifié peuvent aller jusqu'à 50 millimètres de long, et l'orientation des fibres à travers la feuille est aléatoire, les préformes adaptées 100 % recyclées, zéro déchet, fournissent une bonne rigidité et résistance orthotropes — particulièrement comparées aux composés de moulage par injection à fibres courtes. Cependant, puisque les fractions massiques de fibres pour les faisceaux de fibres discontinus des stratifiés peuvent aller de 50-70 % — avec les formulations initiales sur la fin haute de cette gamme — le matériau peut à peine s'écouler dans une presse de compression. Par conséquent, pour remplir une géométrie 2,5D ou 3D, le stratifié basé sur copeaux doit être surmoulé avec des fibres courtes ou même de la résine pure dans une machine de moulage par injection. Il pourrait aussi être co-moulé avec un matériau à fibres continues dans une presse de compression. Dans les deux cas, le stratifié doit être préchauffé avant moulage.

Intéressant, Van Wees a trouvé que les panneaux basés sur copeaux fournissent encore la moitié de la résistance et du module de flexion de ses panneaux crossply haute performance à fibres continues dans la même configuration fibre et résine.

Preuve de concept

Pour montrer les capacités de ses préformes adaptées zéro déchet, Van Wees a conduit plusieurs projets démonstrateurs. L'un était une poutre de raidissement/anti-intrusion pour panneaux de porte intérieurs sur une voiture de tourisme. Cet effort était basé sur le projet Lipa Series, qui a développé des pièces composites légères pour production en série pour une gamme d'industries. Le consortium maintenant inactif basé à Büsslingen, Suisse, s'est construit sur des technologies de base impliquant le préformage de composites organofeuille/thermoplastique à mat de verre (GMT) continus et puis le remplissage arrière avec de la résine renforcée de fibres dans une machine de moulage par injection.

La poutre anti-intrusion démonstratrice de Van Wees (une pièce utilisée pour passer les régulations d'intrusion/impact latéral) était d'environ 650 millimètres de long, 110 millimètres de large, avait une paroi nominale de 3 millimètres, et pesait environ 450 grammes dans le matériau de référence, qui était un tissu de verre renforcé PA6 de 3 millimètres. La pièce comportait aussi une structure bombée au centre de 40 millimètres de haut. La poutre anti-intrusion en organofeuille ne fournissait pas une absorption d'énergie suffisante pour répondre aux exigences de l'application, donc les chercheurs de Van Wees ont tenté d'améliorer la performance globale dans la même épaisseur de paroi (puisque l'outillage existant était utilisé), en un temps de cycle de moins d'une minute et avec zéro déchet.

Travaillant avec plusieurs fournisseurs de polymères, Van Wees a produit des rubans UD en interne en utilisant plusieurs polymères et renforts — incluant fibre de verre/PA4/10, fibre de verre/PP, fibre de carbone/PP, et verre + carbone/PP. Les composés de surmoulage par injection à fibres courtes correspondants ont été produits par les fournisseurs de résine. La simulation a été utilisée pour évaluer le nombre et l'orientation des plis UD individuels pour préformes adaptées afin de rencontrer ou dépasser les exigences de performance. Ensuite, les rubans ont été utilisés pour produire des stratifiés à fibres continues, à partir desquels les poutres anti-intrusion ont été produites. Les résultats d'ingénierie assistée par ordinateur (CAE) prédisaient que les préformes adaptées fibre de verre/PA4/10 fourniraient les meilleures propriétés à coût inférieur au tissu/organofeuille, et les tests physiques ont confirmé cela.

Pour explorer davantage les opportunités de réduire déchets et coûts, les chercheurs ont réutilisé les chutes (environ 30 % de pertes de coupe) générées en produisant des stratifiés à fibres continues pour produire des poutres anti-intrusion, recyclé ce matériau en stratifiés basés sur copeaux de 1 millimètre d'épaisseur, et utilisé ce produit comme couche de cœur (remplaçant trois plis UD) entre des « peaux » de plus de matériau UD fait sur la machine multiaxiale UD. Intéressant, dans des tests préliminaires avec un échantillon limité, ils ont vu peu ou pas de perte de performance pour les stratifiés hybrides avec un mélange de renforcement continu et discontinu comparé aux stratifiés entièrement renforcés en continu.

Des calculs additionnels conduits par l'équipe indiquaient qu'il serait possible de rencontrer les objectifs de production de Van Wees de 2 millions de poutres anti-intrusion par an, en utilisant le procédé de surmoulage composite de 1 minute développé par l'équipe Lipa Series. Donnée la vitesse à laquelle les lignes de production de préformes adaptées Van Wees opèrent (1 800 patches/heure sur la machine multiaxiale UD et 1 260 patches/heure sur la machine crossply), l'ajout d'équipement additionnel pour convertir les chutes en stratifiés basés sur copeaux créerait un système de production zéro déchet et augmenterait les volumes de production de 30 % à 2,6 millions de pièces par an. Ironiquement, les machines de moulage par injection seraient l'étape limitante en débit dans cette séquence de production — quelque chose qui n'arrive pas souvent.

Un autre projet à retour rapide que les chercheurs de l'entreprise ont conduit était de développer des poignées de porte à face composite pour la salle de conférence au siège de Van Wees. Les inserts composites finaux étaient disponibles pour les participants à voir à la conférence Composites Overmolding de l'an dernier.

« La co-développement et l'innovation sont les forces motrices de l'industrie moderne », note Rien van den Aker, directeur de Van Wees. « Nous croyons que le développement conjoint avec tous les acteurs de la chaîne composite est d'intérêt premier. Les métaux sont les concurrents de notre industrie et sont faits de la façon la plus rationnelle. Par conséquent, ce ne sera qu'avec des procédés et équipements intelligents que nous pourrons introduire des produits composites légers dans des applications à haut volume. » Il souligne qu'il faudra un effort conjoint parmi les membres de la chaîne d'approvisionnement pour rendre possible la production zéro déchet de pièces composites thermodurcissables et thermoplastiques. « Van Wees est heureux d'assister les parties intéressées avec le développement de produits et procédés », ajoute-t-il.