Thermoplastiques surmoulés thermodurcissables, cycle de 2 minutes, une cellule

Le préformage automatisé de rubans thermoplastiques et le moulage hybride ultérieur - thermoformage et surmoulage par injection de nervures, clips et bossages sur les surfaces des pièces - ont été annoncés comme l'avenir de la fabrication de composites dans des applications à grand volume telles que l'automobile. Mais et s'il était possible de combiner la ténacité des thermoplastiques et la fonctionnalité des éléments moulés par injection avec les hautes performances des pièces en époxy renforcées de fibres de carbone ?

C'est ce à quoi le projet triennal OPTO-Light, qui s'est achevé en 2018, s'est attaché à répondre. Il a été financé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) dans le cadre de sa stratégie de développement de la photonique - une technologie basée sur la lumière telle que les lasers - pour la production en série de constructions légères. Le projet a été attribué au Centre d'Aix-la-Chapelle pour la construction légère intégrative (AZL) de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle (Aix-la-Chapelle, Allemagne), qui fournit un campus unique aux entreprises pour collaborer avec huit instituts de recherche afin de développer des matériaux légers, des technologies de production et des applications. /P>

La réalisation évidente d'OPTO-Light combine la rigidité élevée, la légèreté et le faible fluage du plastique renforcé de fibres de carbone à base d'époxy (CFRP) avec la grande liberté de conception et les temps de cycle réduits du surmoulage thermoplastique. Mais ce n'est qu'un des nombreux perturbateurs potentiels de l'industrie des composites que le projet a atteints, notamment :

• Développement d'un prétraitement laser pour l'assemblage de surfaces thermoplastiques et thermodurcissables 3D ;
• Intégration de trois technologies - traitement des polymères par réaction, traitement au laser et surmoulage - dans une seule cellule de fabrication à cycle rapide ;
• Moulage par compression préimprégné horizontal (HPCM) où les matériaux sont apposés verticalement pour le traitement dans une machine de moulage par injection standard
• Développement d'un moule rotatif unique qui intègre toutes les exigences pour le moulage par compression préimprégné et surmoulage thermoplastique ;
• Méthodologie de référencement de pièces optiques pour l'alignement critique du prétraitement laser et du surmoulage le long d'une surface 3D de forme libre ;
• Démonstration de ce processus pour produire une partie structurelle 3D du panneau de plancher pour la BMW i3 Life Module du véhicule électrique avec un temps de cycle de 2 minutes.

En effet, le rapport final du projet d'avril 2018 affirme que cette technologie peut réduire le coût des pièces en PRFC automobile jusqu'à 30 % par rapport à la production actuelle utilisant le moulage par compression humide et le collage d'inserts simples pour les clips (voir Fig. 2).

Des partenaires thermoplastiques à thermodurcissables

Pourquoi associer un surmoulage thermoplastique à une pièce en composite thermodurcissable ? « Les composants CFRP thermodurcissables fabriqués avec de la résine époxy offrent les meilleures caractéristiques pour les applications de carrosserie automobile », affirme Richard Schares, ingénieur de recherche chez AZL. Le surmoulage des nervures composites thermoplastiques augmente la rigidité de conception de la pièce (module de section), réduisant ainsi la quantité de fibre de carbone requise. « En utilisant une épaisseur de nervure égale à celle de la coque en CFRP, la rigidité en flexion spécifique de la pièce de démonstration OPTO-Light peut être triplée », ajoute-t-il. Le surmoulage peut encore réduire le coût des pièces en fournissant des clips de fixation ou des bossages moulés pour les vis tout en fournissant simultanément une isolation pour empêcher la corrosion galvanique entre la fibre de carbone et les fixations métalliques.

Ainsi, l'objectif était défini, mais la question était de savoir comment combiner les deux matériaux dans une même cellule de moulage. Schares explique comment les partenaires de l'industrie ont été sélectionnés. « BMW avait le plus d'expérience dans la production en série de pièces en PRFC. KraussMaffei a été très proactif dans la création de technologies combinées, telles que sa machine de moulage par injection multi-composants ColorForm et sa machine de moulage hybride FiberForm. »

La partie de démonstration OPTO-Light était une partie de 470 millimètres de long sur 317 millimètres de large et 130 millimètres de profondeur de la BMW i3 Plancher du module de vie, y compris la paroi de fond au niveau du passage de roue. « Les cas de charge de ce composant nécessitent de bonnes caractéristiques de rigidité et de résistance en cas de collision », explique Schares. « Nous voulions également que la complexité de la forme et du drapage prouve le moulage par compression horizontal du préimprégné, l'ablation au laser et le surmoulage le long d'une surface de forme libre. »

Pourquoi la photonique ?

L'Allemagne a financé une stratégie à long terme pour continuer à développer la technologie photonique en raison du rôle clé qu'elle joue dans la transformation numérique mondiale actuelle de la fabrication. L'industrie des composites doit en prendre note, car la photonique permet non seulement des traitements avancés tels que le placement automatisé des fibres, le soudage laser de thermoplastiques, l'usinage de précision et divers procédés d'impression 3D, mais également des capteurs et une communication visuelle pour la métrologie, la surveillance des processus et l'inspection en ligne. Dans OPTO-Light, un laser proche infrarouge (NIR) a été utilisé pour prétraiter les surfaces pour le surmoulage; en outre, divers capteurs laser ont fourni des données pour le contrôle des processus et l'assurance qualité (AQ) en ligne.

Les quatre derniers partenaires d'OPTO-Light sont des fournisseurs allemands de systèmes photoniques. Le premier, Arges (Wackersdorf), est un expert des scanners 3D utilisés pour l'usinage laser. « Il développe généralement des systèmes de balayage laser innovants, positionnant et déviant les faisceaux laser dans le traitement des matériaux industriels et les applications médicales », explique Schares. « Une unité Arges double faisceau a été développée pour l'ablation et le chauffage. Precitec (Gaggenau) a fourni le capteur interférométrique pour mesurer la distance utilisée pendant l'ablation et le référencement des pièces tout au long du processus. Sensortherm (Sulzbach) a fourni le pyromètre (capteur de température) qui a facilité le contrôle du processus, et Carl Zeiss Optotechnik (anciennement Steinbichler, Neubeuern) a fourni le scanner laser T-scan pour l'AQ. « Il mesure la géométrie des pièces et détecte les déformations potentielles », explique Schares. "Il montrera des défauts, tels que la nervure surmoulée pas complètement collée à la coque en PRFC." Tous ces systèmes sont intégrés dans le scanner laser multifonctionnel (Fig. 2), qui est monté à l'extrémité d'un bras robotique à six axes Kuka (Augsbourg, Allemagne).

HP-RTM pour bande préimprégnée

L'idée initiale était de fabriquer les pièces en PRFC époxy à l'aide de C-RTM, une sorte de moulage par transfert de résine à haute pression (HP-RTM) également connu sous le nom d'imprégnation d'espace, développé par l'IKV Institute of Plastics Processing. Cependant, pendant cette période, les processus automatisés à base de ruban ont commencé à remettre en question le moulage liquide du tissu non frisé (NCF), offrant une réduction de 30 % des déchets de coupe. Les résines époxy liquides à durcissement instantané ont également été étendues en matériaux préimprégnés, ce qui rend le moulage par compression attrayant, avec un temps de cycle potentiel d'une à deux minutes.

Quatre préimprégnés unidirectionnels ont été évalués pour la coque du démonstrateur. Ceux-ci ont été convertis en ébauches 2D en forme de filet à l'aide de la cellule de placement de bande STAXX de Broetje-Automation (Rastede, Allemagne).

Les coques en PRFC moulées seraient ensuite surmoulées avec du polyamide 6 renforcé de fibres de verre courtes à 30 % (GF/PA6) en utilisant Lanxess (Cologne, Allemagne) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Une injection KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm La machine de moulage a été choisie comme base pour la cellule de fabrication OPTO-Light et installée chez AZL. Il est doté d'une technologie de plateau pivotant développée pour permettre le moulage par injection multi-composants.

Le moule fixé au plateau pivotant a été utilisé pour former deux cavités de moulage différentes pour deux processus différents :le moulage par compression du préimprégné époxy et le surmoulage par injection thermoplastique. « Personne n'a jamais créé un tel outil auparavant », souligne Schares. BMW et KraussMaffei ont passé de nombreuses semaines à finaliser toutes les exigences pour les deux processus, y compris les tolérances dues aux différentes zones de température, la précision de tournage et l'étanchéité pour la résine thermodurcissable, ainsi que les détails standard pour les outils de moulage par injection.

Ablation laser et référencement de pièces

La coque en CFRP époxy résultant du processus de moulage par compression doit être traitée avant le surmoulage thermoplastique pour obtenir une résistance de jointure suffisante entre les matériaux disparates. L'ablation laser offre un processus en une seule étape respectueux de l'environnement par rapport au prétraitement mécanique ou chimique et permet une profondeur et un chemin d'ablation précis, bien adaptés pour joindre des nervures à des pièces le long de surfaces 3D. La méthode d'ablation consiste à exposer les fibres de carbone en enlevant localement la couche supérieure de 10 microns d'épaisseur de résine époxy. Cela nettoie la surface et produit une microstructure qui permet au composé de surmoulage de mouiller et de s'infiltrer dans les fibres exposées.

Le scanner laser multifonctionnel émet un faisceau laser d'une longueur d'onde de 1,064 nanomètre en impulsions nanosecondes. « Vous avez besoin d'une intensité élevée, et la pulsation y parvient de la manière la plus efficace », explique Schares. « Nous avons essayé un laser à onde continue, mais il introduit trop de contraintes thermiques dans le stratifié composite sous les zones de jonction, réduisant l'adhérence fibre-époxy. Trouver une source de faisceau adaptée au processus qui peut être utilisée pour le traitement à distance dans un environnement industriel n'a pas été facile. »

Étant donné que les nervures surmoulées doivent correspondre aux zones prétraitées, le processus d'ablation nécessite une précision de positionnement élevée. Le placement ultérieur du matériau composite fibre de verre/PA6 surmoulé est strictement défini par l'outil de moulage. Ainsi, une méthodologie de référencement des pièces nécessaires a été développée par AZL. « Le décalage entre la géométrie prétraitée et le composé surmoulé doit être inférieur à 300 microns. Ainsi, la précision du point central du champ de balayage laser (point central de l'outil) doit être inférieure à 150 microns par rapport au point de référence. Ceci a été atteint, ainsi qu'un temps de cycle de moins de deux minutes pour le prétraitement au laser. « Très important a été le travail préliminaire de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production (IPT) pour développer la génération de trajectoire pour le robot et le faisceau laser – ce n'était pas anodin », explique Schares. Le système a en effet fait ses preuves :les résultats des tests ont montré une résistance au cisaillement de 27 MPa entre le surmoulage GF/PA6 et le substrat époxy CFRP.

Voies de processus plus courtes

Alors même que les avantages du processus initial étaient documentés, l'équipe OPTO-Light s'est rendu compte qu'il était possible d'éliminer le prétraitement au laser. Ce processus en deux étapes ne durcirait que partiellement la coque époxy préimprégnée et utiliserait la réactivité restante dans la résine époxy pour réaliser la fixation avec le surmoulage thermoplastique. Il existe trois mécanismes potentiels pour la liaison entre l'époxy non durci et le PA6 :

• Liaison covalente entre les cycles époxy réactifs et les groupes amine PA ;
• L'hydrogène se lie avec l'hydrogène de l'amine en tant que donneur et l'oxygène de l'époxyde en tant qu'accepteur ;
• Réseaux semi-interpénétrés par effets de diffusion, possibles par mobilité à haute température des chaînes moléculaires PA.

L'avantage de ce processus en deux étapes, explique Schares, « est que vous pouvez ignorer le prétraitement, mais le contrôle du processus requis est beaucoup plus difficile et la qualité de la surface n'est pas aussi brillante. Cependant, une réduction supplémentaire du coût des pièces par la simplification de la production est très attrayante. »

La clé de cet itinéraire de processus est la surveillance des processus. « Vous devez regarder à l'intérieur du processus de moulage par compression du préimprégné car la connaissance de l'état de durcissement doit être sûre afin d'obtenir une bonne jonction avec le surmoulage thermoplastique », explique-t-il. Cette surveillance de l'état de durcissement a été réalisée en utilisant des capteurs de pression et de température dans le moule, ainsi que des capteurs de résistivité à courant continu (DCR) et d'analyse diélectrique (DEA) dans le moule.

DCR et DEA sont bien établis pour la surveillance du durcissement des composites. Dans OPTO-Light, le contrôle de processus DCR/DEA comprend un système Optimold de Synthesites (Uccle, Belgique) comprenant un capteur DCR durable de 16 millimètres et le logiciel Optiview. Optimold surveille la résistance électrique et la température de la résine jusqu'à 210°C et une pression de 90 bars avec une fréquence d'échantillonnage de 1 Hz. Le dispositif d'analyse DEA288 Epsilon de Netzsch Gerätebau (Selb, Allemagne) comprend une monotrode en céramique de 4 millimètres et le logiciel Proteus. Kistler Instruments (Winterthur, Suisse) Le logiciel DataFlow pour l'optimisation du moulage par injection est un autre élément clé.

Le processus, commençant par la fixation de la préforme préimprégnée à l'intérieur du moule et se terminant par l'éjection de la cavité de surmoulage par injection, est décrit par les signaux des capteurs DCR/DEA. Ces données sont cruciales pour déterminer le temps de durcissement optimal dans le moulage par compression avant le pivotement vers le moulage par injection pour l'achèvement du durcissement et le surmoulage. Les capteurs aident à caractériser le matériau pendant le traitement pour une qualité de pièce optimale. À l'avenir, le processus pourrait être adaptatif et intelligent, avec un pivotement du processus déclenché par les signaux des capteurs DEA et DCR.

Les premiers tests montrent une résistance à l'arrachement de 9 N/mm ² et une résistance au cisaillement encore plus élevée pour la jonction époxy-PA6 en utilisant cette deuxième voie de processus OPTO-Light plus courte. Des travaux sont en cours pour améliorer cette force commune, notamment en utilisant davantage la surveillance des processus. L'équipe explore également un processus en une étape dans lequel le moulage par compression horizontal du préimprégné n'est plus un processus distinct, mais est plutôt réalisé simultanément avec le surmoulage.

L'hybridation pour une future perturbation

Le potentiel de perturbation d'OPTO-Light a été reconnu par le Prix de l'innovation AVK pour la catégorie recherche et science en 2017. Le rapport final 2018 du projet affirme que pour que les composites atteignent la parité des coûts avec le métal dans la production automobile en série, il est nécessaire non seulement de maximiser la l'intégration des fonctions dans les pièces mais aussi l'intégration des procédés de fabrication de ces pièces. OPTO-Light a développé une gamme de technologies, y compris la métrologie basée sur la photonique, le traitement de surface et le moulage thermoplastique/thermodurci, qui permettent les deux. Ces technologies ouvrent également la porte à d'autres processus hybrides, tels que le traitement au laser pour augmenter le moulage par injection. « En intégrant l'outil laser développé dans la cellule de moulage, vous avez désormais la possibilité d'effectuer une ablation, une découpe, un prétraitement ou un chauffage au laser avant, entre ou après les processus de polymère à l'intérieur de la machine de moulage par injection », explique Schares. « Cela élargit la fonctionnalité des futures pièces. »

L'idée de combiner plusieurs processus de fabrication dans une seule cellule de travail prend de l'ampleur dans les composites. Par exemple, de nombreux fabricants de machines CNC proposent désormais des cellules qui combinent la fabrication additive et l'usinage CNC soustractif. MF Tech (Argentan, France) a combiné le enroulement filamentaire 3D et l'usinage CNC, et le co-fondateur Emanuel Flouvat confirme une nouvelle hybridation, avec des robots capables de remplacer les effecteurs finaux par une soudeuse à ultrasons ou laser pour assembler des thermoplastiques, ou une tête de placement de fibres automatisée pour appliquer des patchs locaux de ruban unidirectionnel. « En intégrant un système laser guidé par robot, la « boîte à outils » pour la définition d'autres technologies de combinaison en ligne est étendue", explique Schares. Il s'agit d'une autre étape importante dans cette avancée vers la fabrication automatisée de composites multi-procédés qui intégrera sans aucun doute bientôt l'électronique dans les produits finis.

La dernière leçon offerte par OPTO-Light en matière d'hybridation est dans son partenariat. « Le défi le plus intéressant dans la gestion de ce projet était de savoir comment prendre tous les différents partenaires, chacun avec leur expertise unique - par exemple, la photonique, les polymères de réaction, le moulage par injection, la métrologie - et les faire développer et faire progresser une compréhension commune des effets de chaque opération afin de garantir le succès de cette chaîne de processus unique », déclare Schares. Il souligne l'importance de l'expertise et du soutien apportés par cinq instituts partenaires :moulage par injection IKV, polymères de réaction IKV, ISF pour le soudage et l'assemblage, Fraunhofer IPT pour l'intégration laser et Fraunhofer ILT pour les sources laser alternatives. « Ce projet a démontré la capacité d'un tel développement interdisciplinaire à résoudre efficacement les défis techniques pour la production de composites à moindre coût », déclare Schares. Il a également jeté les bases d'une innovation de rupture encore plus poussée.

Regardez une vidéo du processus intégré OPTO-Light sur https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.