Révolutionner la fabrication composite pour débloquer de nouvelles opportunités de marché

Bien que la base de l'entreprise soit certainement le filament winding, CompoTech a poussé ce procédé dans de nouvelles applications via le bobinage sur goupilles, le surbobinage et des concepts innovants d'outillage et de matériaux. Le résultat est une fluidité dans le procédé qui atteint souvent de nouveaux niveaux de performance via l'hybridation, par exemple, avec les métaux et les méthodes de fabrication comme l'impression 3D et sa propre version de placement automatisé de fibres (AFL).

CompoTech (Sušice, République tchèque) a été fondée en 1995 par Ondrej Uher et Vitek Sprdlik, maintenant respectivement directeur R&D et directeur technique de l'entreprise. « Ils ont originellement construit une machine de filament winding pour produire des manches de pagaies de kayak et canoë qui intégraient leur propre technologie pour le bobinage axial de fibres à 0° », explique Humphrey Carter, directeur développement commercial de CompoTech. « C'est maintenant une compétence centrale. Nous avons montré que cette construction produit des structures plus résistantes et plus rigides avec une résistance plus élevée au flambage des fibres. »

L'entreprise a également développé la capacité de bobiner des anneaux composites intégraux pour les connexions. Ceux-ci sont utilisés dans des pièces allant des longerons de deltaplanes aux arbres de transmission et composants industriels. « CompoTech conçoit les machines et le logiciel de contrôle », dit Carter. « Parce que nous avons le contrôle total du procédé, nous pouvons mieux optimiser la conception. Nous développons la technologie de procédé sur mesure pour les critères de conception et pouvons la rendre disponible pour nos partenaires technologiques ainsi que les concepteurs et producteurs composites. Par exemple, nous avons licencié la technologie à Southern Spars/North Marine Group. »

Conception d'outils machines

Actuellement, l'entreprise emploie environ 50 personnes, avec presque la moitié en conception et ingénierie. Elle a aussi des liens forts avec l'Université technique tchèque (CTU) à Prague et aussi avec l'Université de Bohême de l'Ouest (Pilsen, République tchèque). CompoTech a développé des solutions composites pour une large gamme d'applications, incluant des flèches pour équipements de pulvérisation agricole, des manches pour pointes de pales éoliennes, des cadres et roues de vélos, des tubes et cadres pour préhenseurs d'assemblage automobile et des composants de portique légers pour lasers de découpe et machines CNC.

« Nous travaillons depuis le début des années 2000 dans le secteur industriel et machines-outils à cause de sa prévalence en République tchèque », explique Carter. « C'est une industrie très conservatrice qui ne connaît pas les composites. Ainsi, nous allons aux salons machines-outils et les éduquons. » Cette industrie sait déjà que les vibrations des pièces en accélération et des surfaces de coupe, comme les dents de fraisage, causent une réduction de la précision d'usinage et de la durée de vie des outils. CompoTech explique que les harmoniques d'un outil de coupe — sa vibration basée sur la masse, la rigidité et les charges/forces appliquées — sont souvent le facteur limitant en performance et productivité. Pas si bien connu est que le plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) peut être utilisé dans la structure des machines et porte-outils pour réduire la masse et augmenter la rigidité vs. l'acier. En utilisant de la fibre pitch, CompoTech rapporte une réduction de poids de 25 % et une augmentation de rigidité de 200 % (400 GPa atteint avec fibre unidirectionnelle), respectivement. Ce sont les deux principales façons d'augmenter la fréquence naturelle d'une structure et prévenir la résonance. C'est quand la structure vibre sur sa propre fréquence, ce qui exacerbe les problèmes pour des pièces rotatives déjà sujettes aux vibrations et machines à vitesse variable.

« En utilisant notre procédé pour le PRFC, cela réduit aussi la dérive machine-outil versus les composites autoclavés parce que nous induisons moins de contrainte thermique », ajoute Carter. « Les porte-outils sont souvent de longs poutres minces qui peuvent changer avec le temps, selon leur conception et composition matérielle. Cela affecte alors la position relationnelle de l'outil, réduisant sa précision. »

Pour l'amortissement, CompoTech est allé au-delà des propriétés inhérentes des composites fibres et polymères pour pionnier l'inclusion d'autres matériaux, fournissant 12 à 20 fois l'amortissement de l'acier, contrant directement la vibration et accélérant sa décroissance (voir graphique ci-dessus). « Nous avons plus d'une décennie d'expérience dans la conception de composites amortis pour atteindre les propriétés et performances désirées », dit Carter. Un exemple est une nouvelle conception de mandrin de pièce qui nécessite beaucoup moins de force de serrage vs. un mandrin en acier. Un autre est le dispositif modifié pour le tournage d'un carter de turbine basse pression (LPT) de moteur d'avion fait en alliage Inconel 718 difficile à usiner. Développé à travers le projet INTEFIX financé par l'UE, CompoTech a développé des anneaux PRFC pour remplacer les anneaux métalliques utilisés comme repères dans le dispositif. Le résultat a été aucune perte de rigidité ou fonction tout en améliorant le comportement de la pièce et une meilleure performance d'usinage. En effet, le dispositif est devenu intelligent, capable d'adapter le serrage de la pièce selon les besoins pendant le processus.

CompoTech a aussi des travaux en cours sur une boîte de vitesses hybride métal/composite pour véhicule électrique, visant à réduire la masse de 25 % et aussi réduire le bruit en augmentant la fréquence naturelle et l'amortissement. Ce projet (2016 à oct 2019) est en collaboration avec l'Université technique tchèque (CTU) à Prague, l'Institut coréen des machines et matériaux (KIMM, Daejeon, Corée du Sud) et Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Corée du Sud). Le corps principal de la boîte de vitesses sera composite avec des inserts métalliques pour les surfaces de roulement. CompoTech a conçu et produit le carter supérieur et inférieur de la boîte de vitesses, ainsi que les arbres de transmission. Tous comprennent de multiples pièces, qui sont collées adhésivement. CTU a fourni les tests et analyses EF, tandis que les partenaires coréens du projet fournissent la spécification technique et finiront, assembleront et testeront les boîtes de vitesses.

Aileron résistant à la délamination

Carter explique que beaucoup de la R&D que CompoTech effectue pour les machines-outils est ensuite appliquée à de nouvelles applications, comme l'aileron pour le L-39NG jet trainer d'Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, République tchèque). « C'est une application exigeante, avec des pressions très hautes au bord de fuite », dit-il. En plus des charges de vol, la version armée de l'avion subit des ondes de pression quand des roquettes montées sur l'aile sont tirées. « Avec la construction composite conventionnelle, il y avait délamination au bord de fuite de l'aileron », note Carter. « Nous avons éliminé tout collage adhésif et créé à la place une structure intégrale en utilisant le filament winding humide et la co-polymérisation. Nous avons passé des mois à développer la conception et les étapes de procédé. D'abord, notre bobineuse assistée par robot est utilisée pour filamenteer les quatre poutres boîtes qui forment les longerons de l'aileron. Ce sont des trapèzes et puis des formes en D aux bords d'attaque et de fuite. Le bord de fuite a aussi une pièce séparée mise dessus pour créer une surface plus aérodynamique. »

« Nous assemblons ensuite toutes ces pièces sur leurs mandrins ensemble et surbobinons pour créer les surfaces externes sur le dessus des raidisseurs longitudinaux », continue Carter. La structure entière est mise sous vide et polymérisée à température ambiante avec une post-polymérisation à 90 °C.

« Ce projet est un bon exemple de comment nous travaillons avec un client en développant la technologie de procédé et la conception. Notre idée n'est pas de produire en masse des ailerons ou d'autres pièces. Nous produirons les machines et nos clients bobineront les pièces. » L'aileron vole maintenant et Aero Vodochody a un carnet de commandes de 4 ans pour les L-39NG jet trainers.

En général, le procédé de bobinage humide de CompoTech est basé sur la précision, créant essentiellement du towpreg à la volée. « Nous utilisons principalement des résines époxy et polymérisation 100 °C », dit Carter. « Pour des applications nécessitant un Tg plus haut, comme certains outils de fond de trou que nous avons produits pour l'industrie pétrole et gaz, nous pouvons polymériser à 140 °C. »

Nouveaux procédés

Le composite cellulaire 3D (3Dc) est le nom de CompoTech pour une série de procédés qui produisent un composite avec un renforcement tridimensionnel. Résultant en une section transversale avec une apparence cellulaire, cette construction atteint un haut contenu en fibres axiales dans la direction x interconnecté avec des fibres dans les directions y- et z-, qui forment les parois des cellules. « Nous avons créé ce procédé pour des pièces épaisses qui requièrent une rigidité axiale très haute », dit Carter. Cette rigidité est créée par le très haut contenu en fibres à 0° (axial). Les parois des cellules portent aussi la charge de cisaillement à travers la section via les parois des cellules et permettent des sections plus intéressantes à réaliser, comme le T-slot montré ci-dessus.

L'entreprise imprime aussi en 3D des mandrins et supports pour rencontrer les exigences de torsion et fréquence naturelle sans stratifiés plus épais. « C'est un autre projet travaillant avec CTU », dit Carter, « où nous développons la conception automatisée interne de structures. » Il note que le bobinage de composites thermoplastiques décolle massivement. « C'est notre prochaine étape, combiner notre bobinage en thermoplastiques avec l'impression 3D et utiliser le pliage pour créer des outils de moulage innovants pour composites ainsi que structures machines-outils. »