Nouveau procédé de compression combinant bandes continues et D-LFT pour carrosseries légères de véhicules électriques

Un programme de recherche pluriannuel financé par des fonds publics, supervisé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) et nommé « Conception légère multi-matériaux intégrée pour l'électromobilité » (SMiLE), a combiné composites et métaux non ferreux pour réduire la masse et les coûts de l'ensemble de la structure de caisse en blanc (BIW) d'un véhicule électrique à batterie (BEV). Le module de plancher arrière a été conçu utilisant deux types de composites thermoplastiques ainsi que des profilés et inserts métalliques.

Bande UD + D-LFT

Le plancher arrière hybride utilise des bandes thermoplastiques unidirectionnelles (UD) et des composites thermoplastiques à fibres longues directes (D-LFT). Les bandes thermoplastiques offrent une rigidité/résistance élevée dans une structure mince et légère capable de résister à de forts charges de flambage en cas de collision ; le D-LFT permet de former des géométries complexes, l'intégration fonctionnelle/consolidation de pièces et la capacité d'insérer des éléments de fixation métalliques. Ont été utilisés : D-LFT Ultramid B3K polyamide 6 (PA6) avec 40 % en poids de renforcement en fibres de verre et huit couches d'Ultratape B3WG12 PA6 avec 60 % en poids de charge en fibres de verre, tous deux de BASF SE (Ludwigshafen, Allemagne).

Bien que le D-LFT puisse être moulé par injection ou compression, et que les stratifiés de bandes puissent être surmoulés par injection, les deux matériaux sont couramment moulés par compression – un processus automobile bien compris avec une capacité installée suffisante localement et mondialement pour soutenir l'objectif du programme SMiLE de 300 véhicules/jour.

Les bandes UD et le D-LFT sont souvent combinés dans une même pièce de deux manières : soit les bandes sont ajoutées sélectivement aux chemins de charge dans des structures majoritairement en D-LFT nécessitant de meilleures propriétés mécaniques – technique appelée D-LFT sur mesure, qui peut aussi utiliser des rovings de fibres continues à la place ou en combinaison avec les bandes – soit les bandes et le D-LFT recouvrent les faces opposées d'une pièce.

Dans la première technique, il est facile pour le D-LFT fluide de déplacer les bandes minces pendant le surmoulage, nécessitant l'utilisation de clips ou autre quincaillerie dans l'outillage pour maintenir la position des bandes. Bien qu'il soit moins coûteux d'utiliser sélectivement des bandes dans des structures majoritairement en D-LFT, ces pièces ne sont pas aussi résistantes ou légères que celles utilisant un ratio plus élevé de bandes par rapport au D-LFT. Avec la seconde technique, appliquant bandes et D-LFT sur les faces opposées, une meilleure intégration fonctionnelle/consolidation est réalisée côté D-LFT, et une rigidité/résistance plus élevée côté bandes UD, mais la structure résultante reste relativement lourde et pas aussi rigide et résistante qu'elle pourrait l'être.

Compte tenu de la nature critique pour la sécurité des planchers de véhicules, et du désir des chercheurs de SMiLE d'utiliser l'ensemble du plancher arrière en composite thermoplastique pour absorber les énergies de choc (pas seulement avec des profilés métalliques montés sur les côtés axiaux des planchers conventionnels tout-métal ou du nouveau plancher hybride), il était important de rendre le plancher arrière aussi rigide et résistant que possible. Comme les chercheurs devaient réduire à la fois le poids et le coût pour atteindre les objectifs du projet, souhaitaient garder le plancher mince tout en évitant le flambage à l'impact, et désiraient ajouter des fonctionnalités à des emplacements clés (ex: points de fixation pour ceintures de sécurité du second rang), ils ont développé un nouveau sous-procédé D-LFT/moulage par compression où la majeure partie du plancher était en bande thermoplastique (préconsolidée en stratifié avant moulage), avec du D-LFT appliqué sélectivement uniquement là où des nervures et géométries complexes étaient nécessaires, impossibles à former avec les seuls stratifiés de bandes.

L'équipe a également décidé d'essayer de produire le plancher arrière de 1,3 x 1,3 m en une seule étape dans la presse de compression. Pour réaliser tous ces objectifs, l'équipe a eu besoin d'une combinaison d'outillage innovant et d'un processus de formage séquentiel.

LFT avancé local sur mesure

La conception finale du plancher arrière est une structure coquille mince, près du format final, produite via des bandes UD préconsolidées en stratifié. De grandes corrugations sont incluses le long de l'axe longitudinal de la pièce pour une haute résistance à faible masse et épaisseur. Cependant, les chercheurs savaient que ces corrugations seraient difficiles à mouler dans le grand stratifié. Pour assurer un bon drapage, la simulation a été utilisée pour concevoir le moule afin de vérifier le formage reproductible des corrugations (50 mm de haut par 115 mm de large) et minimiser le froissage. En cas d'échec, le stratifié pourrait se froisser ou se décaler hors plan, et la résistance de liaison avec le D-LFT serait médiocre. Le prototypage virtuel a prédit que la meilleure séquence de formage était de l'intérieur/centre vers l'extérieur, similaire au drapage manuel. La seule façon de réaliser un processus de formage séquentiel en une seule étape de moulage (où le stratifié n'était pas préformé hors de la presse principale) était d'utiliser l'action d'outillage (coulisses).

Les coulisses sont courantes dans les outillages d'injection très complexes. Bien qu'elles ne soient pas inconnues en moulage par compression, elles y sont moins courantes et tendent à être bien moins complexes. Les chercheurs ont conçu l'outillage avec six cavités déplaçables (utilisant quatre coulisses) pour former les corrugations et autres structures dans le stratifié, plutôt que de les surmouler simplement en D-LFT, ce qui aurait ajouté une masse et une épaisseur significatives à la pièce.

Des travaux antérieurs sur la résistance d'interface aux jonctions stratifié/nervures D-LFT avaient montré qu'une résistance de liaison supérieure était obtenue si, avant surmoulage, le stratifié maintenait une température d'au moins 130 °C – en dessous du point de fusion de la matrice PA6 – et que le D-LFT était livré à l'outillage à 280 °C, au-dessus du point de fusion du PA6. Pour empêcher le stratifié de refroidir trop vite contre l'outillage avant le placement des charges D-LFT, les chercheurs l'ont posé sur des goupilles d'éjection entièrement sorties côté cavité. Au moment où deux charges D-LFT étaient livrées, les goupilles d'éjection s'abaissaient et le moule commençait à se fermer. Ensuite, les quatre coulisses – trois actionnées par le système hydraulique de la presse, la quatrième par action de ressort – se déployaient en séquence pour former le stratifié, y compris ses corrugations profondes. Une fois la presse complètement fermée, les structures de nervures D-LFT (en treillis en X complexe) étaient formées. Les chercheurs ont appelé cette technique de formage séquentiel LFT avancé local sur mesure.

Autre différence avec la conception conventionnelle d'outillage de compression, le moule a été construit avec des plans de joint seulement dans les sections où le D-LFT s'écoulait vers un bord de pièce afin de mouler des charges sélectives de D-LFT fluide contre le stratifié de bandes non fluide constituant la majeure partie de la structure.

Technologie de consolidation par vide induite par rayonnement

Une étape importante pour assurer un comportement de formage reproductible et des performances mécaniques élevées dans la pièce finale est la consolidation des bandes. En chauffant rapidement les empilements de bandes thermoplastiques juste avant le formage, les vides sont éliminés à l'intérieur et entre les plis et une excellente consolidation/imprégnation des fibres est obtenue. Pour éviter que cela ne devienne l'étape limitante, le processus a été calé sur la vitesse du dépôt automatisé de bandes thermoplastiques – une machine de dépôt Fiberforge RELAY de Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Allemagne) a été utilisée – ainsi que sur les cycles de moulage sur la presse de compression, une presse Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS de 3 600 tonnes, également de Dieffenbacher, utilisée pour former le plancher arrière.

Avant SMiLE, l'Institut Fraunhofer de technologie chimique (F-ICT, Pfinztal, Allemagne) – qui a dirigé le développement des planchers avant et arrière dans le programme SMiLE et a également aidé à développer le processus de moulage séquentiel LFT avancé local sur mesure avec d'autres partenaires – avait développé un processus innovant appelé technologie de consolidation par vide induite par rayonnement pour consolider rapidement des empilements de bandes UD en stratifiés, ensuite appliqué pour produire le plancher arrière thermoplastique. Dieffenbacher a depuis commercialisé ce procédé avec une machine appelée Fibercon. Le processus était conçu pour corriger les défauts d'imprégnation dans les bandes, permettant l'utilisation de bandes moins coûteuses tout en minimisant les vides dans les pièces finales. Il consiste à appliquer de grandes quantités de chaleur infrarouge (IR) sur les couches supérieure et inférieure de l'empilement de plis (la transmission se fait à travers des plaques de verre transparentes aux IR sur lesquelles repose l'empilement) tout en maintenant l'ensemble sous vide. Cela élimine l'air, fait couler la résine et comble les espaces dans et entre les bandes. La chaleur n'est appliquée que pendant une courte durée, permettant aux bandes de se lier et de se solidifier rapidement sans déplacer l'empilement. Il était également conçu pour une consolidation rapide et homogène de l'empilement en un stratifié aux propriétés élevées et constantes, rendant le comportement de formage reproductible et plus facile à simuler, et assurant des propriétés mécaniques élevées dans la pièce finale. Une autre préoccupation était de maintenir la chaleur dans le stratifié consolidé en route vers la presse, pour assurer de bonnes propriétés de moulage sans gaspiller d'énergie à réchauffer le stratifié avant formage. Une fois consolidé, le stratifié maintenant fusionné est rapidement réchauffé avant d'être retiré de la machine et déplacé rapidement vers la presse pour le formage.

Séquence finale du processus

La séquence finale pour le plancher arrière s'est déroulée sur quatre équipements, dont trois fonctionnent simultanément dans la cellule de travail.

D'abord, les bandes étaient déposées automatiquement avec des orientations déterminées par simulation via un système de dépôt Fiberforge RELAY. Une table d'indexage facilite le dépôt de bandes dans pratiquement n'importe quelle orientation sur chaque couche de l'empilement. Les bandes individuelles de chaque couche sont légèrement tacquées à la couche inférieure par soudage par points, et la couche inférieure est maintenue en place pendant le dépôt par vide. Comme la bande est coupée individuellement pour chaque pièce de chaque couche, il y a un minimum de déchets et un minimum de rognage post-moulage. Le système peut aussi créer des trous/fenêtres dans l'empilement en rognant les bords des bandes avant tacquage, réduisant le rognage post-moulage et les rebuts.

Ensuite, l'empilement était déplacé de la machine Fiberforge RELAY vers la machine Fibercon et placé entre ses plaques de verre. À la fermeture de l'unité, un vide était tiré sur l'empilement et de la chaleur IR projetée pendant un court instant à travers les plaques supérieure et inférieure, chauffant rapidement la matrice PA6 au-dessus de son point de fusion (~230 °C), faisant couler la résine et éliminant les vides. Le stratifié était ensuite refroidi en dessous de la température de cristallisation de la résine (~180 °C), consolidant les bandes individuelles en un seul stratifié.

Dans la presse de compression maintenant ouverte, qui venait d'éjecter sa pièce précédente, les goupilles d'éjection restaient sorties et les chercheurs chargeaient manuellement deux profilés aluminium et plusieurs inserts métalliques dans le côté noyau/supérieur de l'outillage en attendant le prochain tour de matériaux.

Le stratifié encore chaud dans le Fibercon était à nouveau chauffé au-dessus du point de fusion du PA6, l'unité s'ouvrait et le stratifié était transféré vers la presse de compression ouverte. Comme l'air est un moins bon conducteur thermique que l'acier, le stratifié était alors posé sur les goupilles d'éjection entièrement sorties côté cavité pour aider à conserver la chaleur dans le stratifié avant l'arrivée des charges D-LFT.

Pendant que les bandes étaient déposées et consolidées, le matériau D-LFT était composé à proximité à l'aide de deux extrudeurs (le système In-Line Compounder de Dieffenbacher). Le premier extrudeur combinait résine et additifs tandis que le second hachait la fibre à la longueur désirée puis combinait résine/additifs et fibre pour produire des charges pré-pesées de D-LFT chaud qui étaient ensuite livrées à la presse de compression. Dans le cas du plancher, deux charges D-LFT étaient placées sur le stratifié au moment où il était abaissé vers l'outillage par la rétraction des goupilles d'éjection.

Avec les charges D-LFT plus chaudes posées sur le stratifié plus froid, la presse commençait à se fermer pendant que les quatre coulisses se déployaient en séquence pour pré-former le stratifié avant la fermeture complète de l'outillage. L'application séquentielle des coulisses empêchait le froissage du stratifié lors de la formation des éléments 3D, y compris les corrugations. Une fois l'outillage supérieur fermé, le stratifié de bandes était complètement formé et les charges D-LFT chaudes étaient moulées à 1 430 MT en structures de treillis nervurées. La pièce complète, avec inserts métalliques entièrement intégrés, était ensuite éjectée après l'ouverture de la presse.

Dans un environnement de production, toute la manutention serait réalisée par des robots à portique équipés de pinces à aiguilles, mais pour le programme de recherche SMiLE, elle était faite manuellement. Pour le programme de recherche, le cycle de moulage total était de 240 secondes, ralenti par le moulage des nervures épaisses du plancher. Les chercheurs pensent qu'en production, ils pourraient atteindre des temps de cycle inférieurs à 100 secondes avec d'autres modifications d'outillage, et les réduire encore si le stratifié était préformé avant placement dans la presse.