Production à grande échelle de composites thermoplastiques recyclés

La recyclabilité a été un avantage longtemps promis de l'utilisation de composites thermoplastiques (TPC). Mais elle n'a pas encore été utilisée commercialement à grande échelle. Le fournisseur de matériaux TenCate Advanced Composites et le ThermoPlastic composites Research Center (TPRC) ont fait un partenariat avec le fabricant rang 1 GKN Fokker pour démontrer un tel processus en 2016. L'équipe a développé un panneau de porte d'accès en utilisant du rebut TenCate Cetex TC1100 tissé carbone/polyphénylène sulfure (CF/PPS) de la production de GKN Fokker de l'élévateur et du gouvernail du Gulfstream G650. Le déchet de production a été haché puis moulé par compression en utilisant un processus et un moule conçus par TPRC. Le panneau de porte d'accès présentait des nervures de raidissement moulées, des variations d'épaisseur et des trous moulés avec des bosses. (Un bossage est une saillie qui guide un fixateur dans le trou). L'utilisation du matériau récupéré a permis une pièce légère avec une fonctionnalité moulée plus grande tout en formant un processus de fabrication en boucle fermée, car le panneau de porte d'accès a ensuite été utilisé sur le bord d'attaque du gouvernail du Gulfstream G650. Le projet a gagné un JEC Innovation Award en 2016.

Panneau de porte d'accès démontré en 2016 fait de rebut Cetex CF/PPS avec nervures de raidissement et trous moulés avec bossages. SOURCE | TPRC.

Depuis cette recherche, une nouvelle organisation a été établie, le ThermoPlastic composites Applications Center (TPAC). « Le TPRC a été formé il y a dix ans et travaille mostly en recherche fondamentale TPC pour l'industrie aérospatiale », explique Thomas de Bruijn, chercheur en structures légères au TPAC. « Le TPAC a été formé il y a environ deux ans, et a une façon de travailler plus appliquée. Il est lié à l'Université Saxion et aussi avec des PME. Nous nous concentrons sur la réduction des coûts en développant des processus plus rentables. Ensemble, ces deux groupes forment TPC NL, un hub d'innovation numérique industrie intelligente pour la technologie TPC. »

L'implication du TPAC et aussi la R&D continue de TenCate ont démontré que ce type de fabrication en boucle fermée n'est pas seulement possible, mais économiquement bénéfique. Le focus, initialement, est sur les matériaux CF/PPS, et la recherche est en collaboration avec des partenaires industriels pour aider à implémenter cette production de pièces améliorée par le recyclage TPC.

Cependant, les processus réellement développés diffèrent. TenCate s'est concentré sur du matériau à fibres plus courtes utilisé comme couche de flux pour ajouter des caractéristiques géométriques moulées et de la fonctionnalité à des pièces en fibres continues. Pendant ce temps, TPRC et TPAC ont cherché à maintenir une plus grande longueur de fibre, créant un matériau pâteux qui peut être moulé par compression en pièces avec des propriétés mécaniques plus élevées que possible avec des composés traditionnels à fibres courtes.

TenCate — Pièces organosheet améliorées par couche de flux

« Il y a trois ans, nous avons commencé à investir plus de notre budget R&D dans le recyclage », dit Frank ten Napel, gestionnaire produit thermoplastiques chez TenCate. « Ce n'est pas juste pour obtenir un « label vert ». Nous sommes convaincus qu'incorporer du matériau recyclé dans votre pièce offre de très réels avantages économiques et de construction. Nous pouvons appliquer un niveau de géométrie à une pièce que nous ne pourrions pas atteindre autrement. En appliquant une couche de flux de matériau recyclé, nous pouvons mouler des nervures de raidissement et une épaisseur variable à travers la pièce, ainsi que des bossages autour des trous, qui répartissent les charges induites par les fixateurs. Tout cela permet d'utiliser moins de matériau en fibres continues, pour des pièces plus minces, plus légères et plus rentables versus l'utilisation juste de matériau vierge. » Il note que ces caractéristiques moulées sont difficiles à atteindre avec des matériaux en fibres continues, « mais en combinant les deux fibres continues plus surmoulage localisé, vous obtenez plus de liberté de design. »

Ce démonstrateur de type bracket montre les deux côtés de la même pièce, mettant en évidence une couche organosheet tissée conventionnelle et une couche de flux TPC recyclée. Cette dernière présente des nervures de raidissement et des bossages pour inserts. SOURCE | TenCate

Projet TPC-Cycle

Ce projet de quatre ans a commencé en septembre 2015 et inclut des partenaires de toute la chaîne d'approvisionnement des composites thermoplastiques (TPC) :

• TenCate Advanced Composites (Groupe Toray) — matériaux
• GKN Fokker Aerostructures — design et fabrication rang 1 de structures et assemblages aérospatiaux
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) — PME design et fabrication de longerons, raidisseurs, clips, boîtes aéro
• Cato Composites — PME fabrication et design de pièces pour aéro, auto, défense, sport et grand public
• Nido RecyclingTechniek (NRT) — technologie pour déchiqueter et réduire la taille des matériaux/pièces à recycler

TPC-Cycle est facilité par TPAC et l'Université des sciences appliquées Saxion, particulièrement son groupe de recherche structures légères, et financé par Regieorgaan SIA, partie de l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO).

Thomas de Bruijn est chef de projet TPC-Cycle et chercheur en structures légères à Saxion/TPAC. Il explique qu'il y avait de nombreux moteurs pour démarrer le projet TPC-Cycle. « Nous pouvions voir une augmentation de l'utilisation de TPC à fibres continues, surtout pour le stamp-forming, comme dans les clips et supports. Avec cette augmentation, le volume de déchets post-industriels devient substantiel. Donc, le recyclage était nécessaire, tant pour l'environnement et économiquement, et aussi pour rencontrer les réglementations. Par exemple, la législation européenne de fin de vie exige que 95 % du matériel utilisé dans les automobiles soit recyclé. » Il note qu'Airbus aussi a fixé des objectifs de recyclage et fin de vie, et les a communiqués à leurs fournisseurs. « La chaîne d'approvisionnement ne devrait pas seulement dire qu'ils peuvent rencontrer ces objectifs, mais aussi prouver cette capacité avec des démonstrateurs », ajoute de Bruijn.

« Nous avons aussi vu les TPC grandir en dehors de l'aérospatial, dans des applications comme caisses alimentaires, meubles et composants industriels parce qu'ils offrent des temps de cycle plus bas, léger et structures plus intelligentes », dit de Bruijn.

Il continue : « Nous voulions prouver une chaîne de processus de recyclage commercialement viable mais pas juste broyage, qui est du downcycling. Nous voulions haute performance. Donc, nous avons choisi une approche de mélange à faible cisaillement pour retenir 0,5-1,0 pouce de longueur de fibre. Pour la rigidité, vous n'avez besoin que de quelques mm de longueur. Mais pour la résistance et la résistance à l'impact, vous avez besoin de plus de 0,5 pouce de longueur. » En plus de maintenir la longueur de fibre, un autre défi clé était d'obtenir une bonne homogénéité dans le mélange des matériaux et dans le produit recyclé final.

Le projet TPC-Cycle a développé une chaîne de processus complète pour le recyclage des composites thermoplastiques, incluant le déchiquetage rentable et la caractérisation de la longueur et distribution des fibres. SOURCE | TPRC/TPAC.

« L'objectif est de collecter les déchets, les déchiqueter en flocons de 0,5-1,0 pouce et les transformer en une pâte homogène, qui est extrudée et directement transférée à une presse de moulage par compression », explique le chercheur TPRC et doctorant Guillaume Vincent. « Le traitement de la pâte se fait via l'alimentation de flocons et de granulés de polymère vierge dans un mélangeur à faible cisaillement, réduisant la fraction massique de fibres à 25-40 %. » Il note que le processus est très similaire au compositage direct de thermoplastiques à fibres longues (D-LFT), qui est commun dans l'automobile. « Cependant, les processus D-LFT nécessitent des millions de dollars d'investissement, donc ils sont seulement utilisés en production de grande série. Nous avons modifié notre approche en utilisant des machines plus petites pourtant nous obtenons des résultats similaires. Nos volumes sont bas vs. processus D-LFT. »

Vincent décrit un exemple où l'inclusion de la chaîne de valeur de recyclage complète paie : « NRT a aidé à nous connecter avec des fabricants de machines de déchiquetage plus grandes, comme Untha. » C'est une partie clé de la mise à l'échelle du processus pour la production de pièces en série.

La première chaîne de processus en développement est pour CF/PPS. Vincent dit que TPC-Cycle a construit des modèles de simulation et méthodes d'analyse pour caractériser la longueur et la distribution des fibres dans le matériau recyclé. « Nous comprenons aussi comment ces caractéristiques matérielles se transmettent aux propriétés de la pièce moulée », observe-t-il. C'est, en fait, le sujet de sa thèse de doctorat, qui sera publiée d'ici fin 2019.

Le projet TPC-Cycled a développé une chaîne de processus complète pour le recyclage des composites thermoplastiques, incluant le déchiquetage rentable et la caractérisation de la longueur et distribution des fibres. SOURCE | TPRC/TPAC.

Cette pâte recyclée est parfois appelée bulk molding compound (BMC). Historiquement, le BMC était un mélange pâteux de fibres de verre courtes (<25mm), pâte de résine thermodurcissable et charges qui était moulé par compression en pièces composites. Avec moins de volume de fibres et plus de flux versus sheet molding compound (SMC), il offrait aussi des propriétés mécaniques légèrement inférieures. TenCate a vendu du BMC thermodurcissable et thermoplastique pendant des années, bien que ce dernier soit un processus où des bandes de préimprégné unidirectionnelles hachées sont étalées dans un moule et pressées. « Notre produit est en fait assez différent », affirme Vincent. « Avec le BMC thermoplastique conventionnel, il n'y a généralement pas de mélange et nécessite un long cycle de chauffage et consolidation. Nous avons trouvé qu'avec le mélange vous obtenez un produit plus homogène et moins de concentrations de contraintes dans la pièce, donc des propriétés plus hautes. Avec le BMC thermoplastique conventionnel, vous obtenez des flocons plus épais qui ont des régions riches en matrice aux extrémités qui produisent des concentrations de contraintes dans le stratifié composite. »

Le processus de mélange à faible cisaillement désentrelace les flocons en couches puis sépare les couches en faisceaux et les faisceaux en fibres libres. Le polymère est aussi mélangé pour diminuer le contenu en fibres afin d'obtenir de meilleures propriétés de flux, pour que le matériau soit plus facile à traiter en formes.

La pâte est extrudée et ensuite placée robotiquement dans un moule de compression ouvert, isotherme [chauffé], explique de Bruijn. « Après mélange, les fibres dans la pâte sont orientées aléatoirement. Mais pendant le pressage, le flux de matériau réoriente les fibres. Cette orientation est moins comparée aux mélanges utilisant des fibres plus courtes qui sont moulées par injection, mais elle est similaire de pièce à pièce. C'est un de nos sujets d'étude continue. »

Coût

La chaîne de processus TPC-Cycle développée à ce jour apparaît économiquement bénéfique. « Nous espérons répondre de combien nous pouvons baisser les coûts de pièce plus tard en 2019 », dit de Bruijn. « Mais c'est complexe car vous avez besoin d'un marché et devez vendre le matériau recyclé. » Il note qu'il y a de nombreux facteurs économiques. Par exemple, la plupart des fabricants aujourd'hui jettent simplement les déchets de production. Le coût local pour mise en décharge est de 80 € par tonne (90 $). « Mais ce matériau jeté a de la valeur », dit de Bruijn. « Aussi, vous devez comptabiliser les coûts pour collecter les déchets, les déchiqueter, mélanger et puis mouler par compression en nouvelles pièces. Cependant, c'est aussi un processus near net-shape avec des temps de cycle courts grâce au moule isotherme. » En d'autres termes, il devrait y avoir une réduction drastique ou élimination du finissage et usinage secondaires. De Bruijn dit que TPC-Cycle regarde maintenant à compléter l'analyse de coûts et l'analyse de cycle de vie.

SOURCE | TPRC/TPAC

Clean Sky RESET

Un troisième projet qui réitère l'importance du travail complété par TenCate et aussi dans le projet TPC-Cycle est le projet RESET, qui a couru de janvier 2016 jusqu'à décembre 2017 et a été coordonné par l'Institut technologique Leitat à Barcelone, Espagne. Il apparaît que RESET a été commencé sous Clean Sky (2008-2016) et complété pendant Clean Sky 2 (2017-2021).

Les programmes Clean Sky et Clean Sky 2 sont organisés en un niveau supérieur de Programmes de Démonstration d'Aéronefs Innovants (voir Vehicle IADPs dans l'image ci-dessous) et un niveau inférieur de Démonstrateurs de Technologie Innovante (voir Large System ITDs dans l'image ci-dessous). RESET a été complété comme partie de l'ITD Cellule, spécifiquement Work Package (WP) A-3.4 Eco-Design pour Cellule.

SOURCE: Clean Sky 2 Joint Technical Proposal
Pour plus de détails, voir « Thermoplastic composite demonstrators — EU roadmap for future airframes »

Selon le responsable de projet Clean Sky, Elena Pedone, l'équipe RESET au Leitat a développé un processus pour recycler du matériau composite d'avion précédemment utilisé et l'utiliser pour fabriquer de nouvelles pièces. Ils ont comparé ces pièces recyclées à celles faites commercialement et les ont trouvées avoir des caractéristiques mécaniques similaires. « La technologie développée dans ce projet pourrait être commercialisée de façon réaliste dans le secteur aéronautique dans les prochaines années et éventuellement déborder vers d'autres secteurs économiques », dit Pedone.

Pendant le projet RESET, du travail a été complété pour investiguer les effets des matériaux de matrice thermoplastique PEEK et PPS et la nature chimique du renfort en fibre de carbone. La forme du renfort a été étudiée, incluant la longueur de fibre et tissé versus non-tissé. L'effet du contenu en fibres (ratio polymère/fibre) a aussi été étudié.

Dans un second work package, l'objectif principal était le conditionnement et la caractérisation de CF/PPS recyclé basé sur l'extrusion et les composites moulés résultants. Deux pièces — un support thermoplastique et un taquet thermoplastique — ont été créées par moulage par injection et deux autres par thermoformage, explique la coordinatrice scientifique du projet de Leitat, Claudia Aguilar. Ces pièces ont ensuite été testées. « Les propriétés mécaniques du matériau ont été trouvées comparables avec le contrepartie commercial », dit Aguilar.

Le projet RESET revendique avoir démontré un processus de recyclage qui peut prendre du matériau déchet TPC de la production d'avions et l'utiliser comme matière première pour produire de nouvelles pièces pour avions. « Jusqu'à 70 % de matériau recyclé a été utilisé pour produire une nouvelle famille de matériaux composites », dit Aguilar. Elle ajoute que « le processus de recyclage de RESET permet à l'aviation européenne de limiter l'empreinte environnementale et de réduire les coûts de production de nouvelles pièces d'avions. Donc, le projet rend l'industrie aéronautique plus compétitive et plus verte. »

Support (gauche) et taquet (droite) faits de matériau CF/PPS recyclé démontrés par le projet Clean Sky RESET. SOURCE | Institut Technologique Leitat

L'avenir TPC commence par le design

L'affirmation de TenCate et TPRC/TPAC est que ces processus de recyclage qui ont maintenant été démontrés ne sont pas juste verts, mais économiquement attractifs. Alors, quel genre d'investissement est requis ? « Cela dépend du volume de production », dit Ten Napel chez TenCate. « Les machines de déchiquetage nécessaires ne sont pas grandes ou chères et le processus a été développé à un point où il est assez simple. » Le type de matrice affecte-t-il la recyclabilité ? « Non », dit Ten Napel, « mais en termes de viabilité économique, la fibre de carbone et PPS, PEEK ou PEKK sont plus viables que la fibre de verre et polypropylène à cause de leur valeur plus haute versus cette dernière. »

« Je pense que si cela doit être repris par l'industrie, cela devrait commencer par le design », continue-t-il. « Le plus grand obstacle maintenant est l'état d'esprit des ingénieurs. De réellement aller concevoir avec du matériau recyclé (ou concevoir ces derniers partiellement dans un nouveau produit) est assez nouveau pour eux. »

Ten Napel concède que TenCate ne conçoit ni ne fabrique des pièces commercialement, « mais nous essayons d'inspirer les designers à penser de cette façon en développant leurs nouvelles pièces et structures. » Il cite les intérieurs d'avions et les panneaux d'accès et portes d'accès comme fruits faciles pour la réutilisation de matériau recyclé. « Si nous comme industrie pouvons nous habituer à réutiliser nos propres rebuts et déchets, alors nous pouvons passer à l'étape suivante et commencer à regarder comment adresser les pièces fin de vie. »

Le mantra sur le recyclage des composites thermoplastiques — simplement broyer et remouler — peut définitivement être adopté, dit Ten Napel, mais cela ne fait souvent pas beaucoup de sens économiquement. « Nous avons démontré un meilleur processus et un qui peut en fait créer des pièces et programmes globaux plus rentables. Nous avons choisi de diffuser cette connaissance, avec le TPRC et TPAC, afin d'inspirer l'industrie sur ce qui est pleinement possible avec les composites thermoplastiques. » Si les composites thermoplastiques doivent être adoptés à grande échelle, le recyclage comme partie inhérente de la production n'est plus une option, c'est une nécessité.