Surmoulage thermoplastique 2 minutes sur thermodurcissables : Procédé une cellule pour composites automobiles

Le préformage automatisé de bandes thermoplastiques et le moulage hybride subséquent — thermoformage et surmoulage par injection de nervures, clips et bossages sur surfaces de pièces — ont été annoncés comme l'avenir pour la fabrication de composites dans les applications à haut volume comme l'automobile. Mais qu'arriverait-il s'il était possible de combiner la ténacité des thermoplastiques et la fonctionnalité des caractéristiques moulées par injection avec la haute performance des pièces en carbone/époxy ?

C'est ce que le projet de trois ans OPTO-Light, qui s'est terminé en 2018, s'est proposé de répondre. Il a été financé par le Ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) dans le cadre de sa stratégie pour développer la photonique — technologie basée sur la lumière comme les lasers — pour la production de masse de constructions légères. Le projet a été attribué au Aachen Center for Integrative Light Construction (AZL) à l'Université RWTH Aachen (Aachen, Allemagne), qui fournit un campus unique pour que les entreprises collaborent avec huit instituts de recherche pour développer des matériaux légers, technologies de production et applications.

L'accomplissement évident d'OPTO-Light est de combiner la haute rigidité, le poids léger et le fluage bas du plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) à base d'époxy avec la haute liberté de design et les bas temps de cycle du surmoulage thermoplastique. Mais ce n'est qu'un des myriades de disrupteurs potentiels de l'industrie des composites que le projet a réalisés, incluant :

• Développement de prétraitement laser pour joindre thermoplastique à surfaces thermodurcissables 3D ;
• Intégration de trois technologies — traitement polymère par réaction, traitement laser et surmoulage — dans une seule cellule de fabrication à temps de cycle rapide ;
• Moulage par compression de préimprégné horizontal (HPCM) où les matériaux sont fixés verticalement pour traitement dans une machine de moulage par injection standard ;
• Développement d'un seul moule rotatif qui intègre toutes les exigences pour le moulage par compression de préimprégné et le surmoulage thermoplastique ;
• Méthodologie de référencement optique de pièce pour alignement critique de prétraitement laser et surmoulage le long d'une surface 3D libre ;
• Démonstration de ce processus pour produire une portion structurelle 3D du panneau de plancher pour le module Life du véhicule électrique BMW i3 avec un temps de cycle de 2 minutes.

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

Partenaires thermoplastique-thermodurcissable

Pourquoi joindre le surmoulage thermoplastique à une pièce composite thermodurcissable ? « Les composants PRFC thermodurcissables faits avec résine époxy offrent les meilleures caractéristiques pour applications carrosserie auto », affirme l'ingénieur de recherche AZL Richard Schares. Le surmoulage de nervures composites thermoplastiques augmente la rigidité de design 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 PRFC, la rigidité de flexion spécifique de la pièce de démonstration OPTO-Light peut être triplée », ajoute-t-il. Le surmoulage peut réduire davantage le coût de la pièce en fournissant des clips d'attache moulés ou bossages pour vis tout en fournissant simultanément une isolation pour prévenir la corrosion galvanique entre la fibre de carbone et les fixateurs métalliques.

Ainsi, l'objectif était défini, mais le problème était comment combiner les deux matériaux dans une seule cellule de moulage. Schares explique comment les partenaires industriels ont été sélectionnés. « BMW avait la plus grande expérience avec la production en série de pièces PRFC. KraussMaffei était très proactif dans la création de technologies de combinaison, comme sa machine de moulage par injection multi-composants ColorForm et sa machine de moulage hybride FiberForm. »

La pièce de démonstration OPTO-Light était une portion de 470 millimètres de long par 317 millimètres de large par 130 millimètres de profondeur du plancher du module Life de la BMW i3, incluant le mur final au passage de roue. « Les cas de charge de ce composant requièrent de bonnes caractéristiques de rigidité et résistance en cas de crash », explique Schares. « Nous voulions aussi la complexité de forme et de drapage pour prouver le moulage par compression de préimprégné horizontal, l'ablation laser et le surmoulage le long d'une surface libre-forme. »

Pourquoi la photonique ?

L'Allemagne a financé une stratégie à long terme pour continuer à développer la technologie photonique à cause du rôle clé qu'elle joue dans la transformation numérique globale actuelle de la fabrication. L'industrie des composites devrait prendre note, car la photonique permet non seulement le traitement avancé tel que placement automatisé de fibres, soudage laser de thermoplastiques, usinage de précision et divers processus d'impression 3D, mais aussi capteurs et communication visuelle pour métrologie, surveillance de processus et inspection en ligne. Dans OPTO-Light, un laser proche infrarouge (NIR) a été utilisé pour pré-traiter les surfaces pour surmoulage ; en plus, une variété de capteurs basés laser ont fourni des données pour contrôle de processus et assurance qualité (AQ) en ligne.

Les quatre partenaires finaux OPTO-Light sont des fournisseurs de systèmes photoniques allemands. Le premier, Arges (Wackersdorf), est expert en scanners 3D utilisés pour usinage laser. « Il développe typiquement des systèmes innovants de scan laser, positionnement et déviation de faisceaux laser en traitement de matériaux industriels et applications médicales », dit Schares. « Une unité double-faisceau Arges a été développée pour ablation et chauffage. Precitec (Gaggenau) a fourni le capteur interférométrique pour mesure de distance utilisé pendant l'ablation et le référencement de pièce tout au long du processus. Sensortherm (Sulzbach) a fourni le pyromètre (capteur température) qui a aidé le contrôle de processus, et Carl Zeiss Optotechnik (anciennement Steinbichler, Neubeuern) a contribué le scanner laser T-scan pour l'AQ. « Il mesure la géométrie de la pièce et détecte la déformation potentielle », explique Schares. « Il montrera les défauts, comme la nervure surmoulée pas complètement liée à la coque PRFC. » Tous ces systèmes sont intégrés dans le scanner laser multifonctionnel (Fig. 2), qui est monté au bout d'un bras robotique Kuka (Augsburg, Allemagne) à six axes.

De HP-RTM à bande préimprégnée

L'idée initiale était de faire les pièces PRFC époxy en utilisant C-RTM, un type de moulage par transfert de résine haute pression (HP-RTM) aussi connu comme imprégnation par interstice, développé par l'Institut de traitement des plastiques IKV. Cependant, pendant ce temps, les procédés automatisés basés sur bandes ont commencé à défier le moulage liquide de tissus non-crimpés (NCF), offrant une réduction rapportée de 30 pour cent en gaspillage de découpe. Des résines époxy à durcissement rapide ont aussi été étendues aux matériaux préimprégnés, rendant le moulage par compression attractif, 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 blancs 2D nets en forme en utilisant la cellule de placement de bandes STAXX de Broetje-Automation (Rastede, Allemagne).

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

Le moule attaché au plateau pivotant était utilisé pour former deux cavités de moulage différentes pour deux processus différents — moulage par compression de préimprégné époxy et surmoulage par injection thermoplastique. « Personne n'a créé un tel outil avant », souligne Schares. BMW et KraussMaffei ont passé de nombreuses semaines à finaliser toutes les exigences pour les deux processus, incluant tolérances dues aux différentes zones de température, précision de rotation et étanchéité pour la résine thermodurcissable, ainsi que les détails standards pour les outils de moulage par injection.

Ablation laser et référencement de pièce

La coque PRFC époxy résultant du processus de moulage par compression doit être traitée avant le surmoulage thermoplastique pour atteindre une résistance de jonction suffisante entre les matériaux disparates. L'ablation laser offre un processus écologique, en étape unique, comparé 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 implique l'exposition des 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 d'infiltrer les fibres exposées.

Le scanner laser multifonctionnel émet un faisceau laser avec une longueur d'onde de 1,064 nanomètres en impulsions nanosecondes. « Vous avez besoin de haute intensité, et la pulsation atteint cela le plus efficacement », explique Schares. « Nous avons essayé un laser à onde continue, mais il introduit trop de stress thermique dans le stratifié composite sous les zones de jonction, réduisant l'adhésion fibre-époxy. Trouver une source de faisceau appropriée au processus qui peut être utilisée pour le traitement à distance dans un environnement industriel n'était pas facile. »

Puisque les nervures surmoulées doivent correspondre aux zones pré-traitées, le processus d'ablation requiert une haute précision de positionnement. Le placement subséquent du matériau composite verre/PA6 surmoulé est strictement défini par l'outil de moule. Ainsi, une méthodologie de référencement de pièce nécessaire a été développée par AZL. « L'offset entre la géométrie pré-traitée et le composé surmoulé devrait être moins de 300 microns. Ainsi, la précision pour le point central du champ de scan laser (tool center point) doit être dans 150 microns relatif au point de référence. Cela a été atteint, ainsi qu'un temps de cycle de moins de deux minutes pour le prétraitement laser. « Très important était le travail préliminaire de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production (IPT) pour développer la génération de chemin pour le robot et le faisceau laser — ce n'était pas trivial », dit Schares. Le système a en effet prouvé sa valeur — les résultats de test ont montré une résistance au cisaillement de 27 MPa entre le surmoulage GF/PA6 et le substrat PRFC époxy.

Routes de processus plus courtes

Même alors que les bénéfices du processus initial étaient documentés, l'équipe OPTO-Light a réalisé qu'il était possible d'éliminer le prétraitement laser. Ce processus en deux étapes ne ferait que durcir partiellement la coque de préimprégné époxy et utiliserait la réactivité résiduelle dans la résine époxy pour atteindre l'attache avec le surmoulage thermoplastique. Trois mécanismes potentiels existent pour la liaison entre époxy non durci et PA6 :

• Liaison covalente entre cycles époxy réactifs et groupes amines PA ;
• Liaisons hydrogène avec l'hydrogène de l'amine comme donneur et l'oxygène de l'époxy comme accepteur ;
• Réseaux semi-interpénétrants par effets de diffusion, possibles par la mobilité à haute température des chaînes moléculaires du PA.

L'avantage de cette route de processus en deux étapes, dit Schares, « est que vous pouvez sauter le prétraitement, mais le contrôle de processus requis est beaucoup plus difficile et la qualité de surface n'est pas aussi brillante. Cependant, la réduction supplémentaire du coût de pièce par simplification de production est très attractive. »

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

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

Le processus, commençant avec la fixation du préformé préimprégné dans le moule et finissant avec 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 en moulage par compression avant le pivot vers le moulage par injection pour achèvement du durcissement et surmoulage. Les capteurs aident à caractériser le matériau pendant le traitement pour une qualité de pièce optimale. Dans le futur, le processus peut être adaptatif et intelligent, avec le pivot de processus déclenché par les signaux des capteurs DEA et DCR.

Les tests initiaux montrent une résistance à l'arrachement de 9 N/mm² et une résistance au cisaillement encore plus haute pour la jonction époxy-PA6 en utilisant cette seconde route de processus OPTO-Light plus courte. Le travail est en cours pour améliorer cette force de jonction, incluant l'utilisation supplémentaire de surveillance de processus. L'équipe explore aussi un processus en une étape dans lequel le moulage par compression de préimprégné horizontal n'est plus un processus séparé, mais est plutôt atteint simultanément avec le surmoulage.

Hybridation pour disruption future

Le potentiel de disruption d'OPTO-Light a été reconnu avec le prix AVK Innovation pour la catégorie recherche et science en 2017. Le rapport final 2018 du projet affirme que pour que les composites atteignent la parité de coût avec le métal en production automobile en série, il est nécessaire non seulement de maximiser l'intégration des fonctions dans les pièces mais aussi l'intégration des processus utilisés pour fabriquer ces pièces. OPTO-Light a développé une gamme de technologies, incluant métrologie basée photonique, traitement de surface et moulage thermoplastique/thermodurcissable, qui permettent les deux. Ces technologies ouvrent aussi la porte à des processus hybrides supplémentaires, tels que le traitement laser pour augmenter le moulage par injection. « En intégrant l'outil laser développé dans la cellule de moulage, vous avez maintenant la possibilité d'effectuer ablation laser, découpe, prétraitement ou chauffage avant, entre ou après les processus polymères à l'intérieur de la machine de moulage par injection », explique Schares. « Cela élargit la fonctionnalité de futures pièces. »

L'idée de combiner plusieurs processus de fabrication en une seule cellule de travail gagne du terrain dans les composites. Par exemple, de nombreux fabricants de machines CNC offrent maintenant des cellules qui combinent fabrication additive et usinage CNC soustractif. MF Tech (Argentan, France) a combiné bobinage filament 3D et usinage CNC, et le co-fondateur Emanuel Flouvat confirme une hybridation supplémentaire, avec des robots capables de changer d'effecteurs finaux vers un soudeur ultrasonique ou laser pour joindre thermoplastiques, ou une tête de placement automatisé de fibres pour appliquer des patches locaux de bande unidirectionnelle. « En intégrant un système laser guidé par robot, la « boîte à outils » pour la définition de technologies de combinaison en ligne supplémentaires est étendue », dit Schares. C'est une autre étape significative en avant dans cette avance vers la fabrication de composites automatisée, multi-processus qui intégrera sans doute bientôt l'électronique dans les produits finis.

La leçon finale qu'OPTO-Light offre en hybridation est dans son partenariat. « Le défi le plus intéressant dans la gestion de ce projet était comment prendre tous les différents partenaires, chacun avec leur expertise unique — par exemple, photonique, polymères par réaction, moulage par injection, métrologie — et les faire développer et avancer une compréhension commune des effets de chaque opération afin de rendre cette chaîne de processus unique réussie », dit Schares. Il souligne l'importance de l'expertise et du support contribués par cinq instituts partenaires — IKV moulage par injection, IKV polymères par réaction, ISF pour soudage et jonction, Fraunhofer IPT pour intégration laser et Fraunhofer ILT pour sources laser alternatives. « Ce projet a démontré la capacité d'un tel développement interdisciplinaire à résoudre efficacement les défis techniques pour une production de composites à coût réduit », dit Schares. Il a aussi posé les bases pour une innovation disruptive encore plus grande.

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