Préformage automatisé : Partie 7 – Comment Fill Gesellschaft a révolutionné la production de skis

Cette dernière partie d'une série en sept volets sur le préformage présente des études de cas d'automatisation chez Fill Gesellschaft.

Histoires de cas d'automatisation

Les premières machines de Fill ont été développées pour automatiser la production de skis pour Fischer. Aujourd'hui, il ne faut que 25 % des effectifs pour produire 80 % du volume de production annuel d'origine. Notons que les skis sont un design hybride, comprenant couches de composite fibres de verre et/ou carbone, cœurs en bois, carres en acier et multiples types de plastiques.

BMW

Lors du développement des modèles i3, i8 et nouvelle Série 7 — tous utilisant des composites CFRP — Fill a fourni une gamme de solutions d'automatisation.

Monocoques composites

Fill a aussi développé une ligne de production unique pour Mubea CarboTech capable de produire des monocoques CFRP pour deux modèles de voitures différents : la Volkswagen VW XL1 et la Porsche 918 Spyder. Cette ligne automatisée comprenait des outils de moulage multi-pièces actionnés, presse HP-RTM (high-pressure resin transfer molding), post-polymérisation et capacités d'usinage.

Automatisation du drapage

Pour le drapage automatisé, Fill a développé des systèmes pour une gamme de matériaux différents, incluant tissus secs jusqu'à 3 m de largeur (pour production à plus haut volume chez BMW). Le système SpeedLayer 800 de pose automatique de longerons d'ailes d'éoliennes applique du préimprégné carbone unidirectionnel jusqu'à 800 mm de largeur à un débit rapporté de 1,5 m/s et une précision de ±1,5 mm. Il gère des rouleaux de préimprégné de 600 kg et intègre des fonctions de validation de process et assurance qualité.

Le projet LOWFLIP (Low-Cost Flexible Integrated Composite Process) était une initiative UE de 3 ans (oct 2013-oct 2016) incluant Fill et neuf autres partenaires, visant à automatiser le drapage de préimprégné pour structures de transport polymérisées hors autoclave (OOA). Il comprenait trois démonstrateurs :

• Paroi avant 2,5 x 2,9 m pour remorque poids lourd
• Poutre transversale automobile 1,2 m de long
• Panneau queue d'avion raidie 1,0 x 1,2 m

« Nous utilisions un chauffage par résistance électrique pour chauffer le moule jusqu'à 120 °C », rappelle Wilhelm Rupertsberger, responsable du Centre de compétences Composites et Plastiques de Fill. « Le matériau était toujours sous tension pendant le drapage automatisé », ajoute-t-il, « et nous avons obtenu un drapage sans plis directement sur le moule. Nous avons construit un processus humain, mais utilisant des robots pour améliorer la répétabilité. »

Du système Multi-Layup au système Multilayer

Le système Multi-Layup de Fill a été développé pour la production de pièces carrosserie automobile (BIW) comme parois arrière et raidisseurs de pare-chocs inférieurs utilisant des bandes thermoplastiques. Il était envisagé que ces pièces incluent des nervures surmoulées et autres caractéristiques, ainsi le cycle de drapage du préformé devait correspondre au cycle de moulage par injection subséquent.

Fill a depuis modifié le système et le renommé Multilayer. Il alimente, coupe et place jusqu'à 16 bandes en largeurs jusqu'à 50 mm (chacune 0,01-0,04 mm d'épaisseur) sur une table tournante. Le lit de pose de bandes peut produire des pièces jusqu'à 1,6 x 1,6 m. Les bandes sont appliquées à une vitesse de ≈500 m²/hr — toutes les 12-15 secondes une couche de pièce pleine taille est appliquée pour un temps de cycle d'environ 1 minute par préformé fini. Les couches ne sont pas pleinement consolidées mais jointes par collage thermique. À chaque épuisement de bobine, le changement se fait automatiquement sans arrêter la machine.

Les préformés finis sont ensuite consolidés en presse. « Nous avons intégré Multilayer avec une presse de consolidation automatisée et une cellule de moulage par injection Engel qui fonctionnent ensemble pour délivrer un temps de cycle de 1 minute », dit Rupertsberger. Fill a reçu une commande pour le premier système Multilayer de l'Université de technologie Swinburne (Melbourne, Australie) plus tôt cette année et démontrera l'équipement en direct pour la première fois au JEC World 2019 (12-14 mars, Paris, France).

Presses RTM et injection adaptative

Fill a fourni de multiples presses RTM, incluant des presses HP-RTM à SGL Composites.

Avec Airbus Operations (Stade, Allemagne) et l'Institut de transformation des matières plastiques (IKV) à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, Fill a développé une unité d'injection adaptative innovante pour RTM, initialement pour structures aérocomposites. Avant que des pièces RTM puissent voler sur un avion, elles doivent passer un processus de qualification qualité (QA) long et coûteux. Pour raccourcir ce processus, les outils de moulage RTM ont été équipés de capteurs, permettant le QA en ligne pendant la production. IKV, Airbus et Fill ont maintenant intégré ces capteurs dans le système d'injection, éliminant le besoin d'équiper chaque outil de moulage. En utilisant des cartouches jetables comme les systèmes à injection piston dans le RTM typique, l'unité d'injection adaptative est équipée d'une boîte à capteurs permettant de mesurer et enregistrer in situ : température, pression, viscosité résine, densité de réticulation du système résine, température de transition vitreuse (Tg).

Tout en assurant la qualité des pièces moulées, ces données peuvent aussi gérer et contrôler le processus d'injection. Ce système d'injection adaptative Industrie 4.0 est développé pour aérocomposites, et étendu à d'autres industries comme l'automobile.

Formage par drapage à chaud

Fill fournit des systèmes HDF (Hot Drape Forming) depuis des années, incluant plusieurs unités en production chez FACC. Ce sont essentiellement des systèmes de thermoformage sous vide, équipés d'éléments chauffants infrarouges ou autres et d'une membrane en caoutchouc silicone réutilisable pour chauffer et comprimer — décompacter — les drapages de préimprégné sur leurs outils avant polymérisation. Le HDF devient un élément clé de la chaîne de production aérocomposites complète.

Cellules de production Industrie 4.0 pour CFRP

Fin 2013, Fill a commencé le développement d'un système de production pour la fabrication de longerons CFRP, utilisés pour raidir les coques de volets d'atterrissage Airbus A320, en collaboration avec le fournisseur de rang 1. À l'installation, ce système a réduit le nombre de stations, améliorant le flux de production, et amélioré l'ergonomie. Il comprend : stockage automatique d'outils de formage, station HDF, station presse-tour-levage où les stratifiés sont transformés en longerons.

Un système de deuxième génération pour produire le même type de pièces a été mis en service en 2017. Là où le premier système se concentrait sur l'optimisation des stations individuelles, ce système ultérieur visait à minimiser les tâches manuelles et intégrer toute la logistique d'outils. Trois domaines clés permettent à ce système de deuxième génération d'atteindre une haute reproductibilité et une productivité significativement accrue :

• Récupération et stockage manuels des outils de formage remplacés par un retour d'outil entièrement automatique, raccourcissant les temps de processus logistiques. Cela a aussi réduit l'emprise au sol de plus de 50 %.
• Automatisation accrue des sous-processus réduisant les temps improductifs.
• Numérisation Industrie 4.0 de tous les enregistrements et rapports. Le logiciel développé par Fill permet la visualisation du processus en tout temps et l'enregistrement de l'historique de chaque composant tout au long de la chaîne de processus. Des capteurs détectent la disponibilité des outils et matériaux pour éviter les goulots d'étranglement et améliorer le réapprovisionnement.

Fill travaille maintenant sur un système de production de troisième génération pour coques de volets d'atterrissage destinés à l'Airbus A350-900. Il comprend aussi stockage d'outils, station de formage par membrane (HDF), station presse-tour-levage et retour d'outil automatique, mais amélioré avec un système de transport pour outils d'autoclave, remplaçant les camions manuels et tracteurs électriques par des véhicules à guidage automatique (AGV). Fill travaille déjà sur de futurs systèmes, examinant comment améliorer encore la collaboration homme-machine.

Accubot

Bien avant que l'industrie des composites ne verbalise son besoin futur envisagé pour une cellule multi-opérations, Fill développait déjà les premiers prototypes, qu'il appelle Accubot. L'idée était de développer un robot précis utilisant un traceur laser pour compensation spatiale ainsi que des systèmes de mesure externes directs. Ce robot pourrait changer de fonctions avec des effecteurs de bout, devenant non seulement une cellule de contrôle non destructif (CND) mais aussi une cellule d'usinage. Applications Accubot : perçage, rivetage, CND ultrasons avec gicleur, CND rayons X, CND tomographie computée.

FlexHyJoin

Fill est membre du projet UE Flexible Production Cell for Hybrid Joining (FlexHyJoin). Ce programme de 3 ans vise à développer un processus pilote entièrement automatisé pour l'assemblage de supports/fixations métalliques avec composites thermoplastiques dans l'automobile en combinant technologies de soudage laser et par induction. Fill a conçu et construit la cellule automatisée incluant logiciel et intégration des diverses technologies.

La R&D de Fill continue. L'entreprise comprend que des systèmes de production innovants et intelligents sont requis pour rendre la fabrication de pièces composites plus économique et apte à des volumes plus élevés. Elle s'engage à développer ces systèmes selon l'échelle et les besoins spécifiques de ses clients.