Avancées dans le soudage des composites thermoplastiques : De la recherche à l'usage commercial

Ce blog accompagne l'article de septembre 2018 « Soudage des composites thermoplastiques ». C'est une compilation d'images et détails qui ne rentraient pas dans l'article imprimé, incluant une chronologie des développements du soudage par induction et détails sur la qualification pour futurs avions commerciaux, ainsi que des sections courtes sur réparation, développements automobile et soudage thermodurcissable-thermoplastique (TS-TP).

Pour réitérer pourquoi les assemblages composites thermoplastiques (TPC) soudés intéressent l'aérospatial et l'automobile pour structures légères, comparez les deux images ci-dessous du longeron arrière de pressurisation Airbus A320. L'image du haut est la version actuelle en aluminium. Remarquez le grand nombre de rivets. Comparez avec le démonstrateur TPC soudé présenté par Premium Aerotec au salon ILA 2018 à Berlin. Remarquez l'absence de rivets. Pour les composites, cela élimine non seulement le poids, temps et coût des fixations, mais aussi le temps et coût de positionnement et perçage des trous, plus nettoyage et inspection de ces trous. Cela signifie aussi des structures bien plus légères sans les renforts de stratifié requis pour compenser les coupures dans les fibres porteuses.

« Un autre avantage est que l'inspection des structures soudées est plus facile que pour les assemblages collés », dit le Dr Hans Luinge, directeur R&D et développement produit composites thermoplastiques chez TenCate-Toray Group. « Le C-scan fonctionne bien, montrant s'il n'y a pas de porosité dans le stratifié, ce qui signifie que le soudage est bon. Pour les structures collées, on peut avoir un baiser de colle ou contaminants difficiles à détecter. » Bien que TenCate-Toray ne développe pas la technologie de soudage elle-même, elle soutient divers projets industriels et clients. « Nous optimisons nos matériaux au besoin », dit Luinge, « et essayons d'orienter les développements dans la bonne direction basée sur notre participation de longue date à des efforts comme TAPAS et avec des partenaires comme KVE Composites, le TPRC, fournisseurs de rang 1 et OEM. »

Développements du soudage par induction

KVE Composites développe le soudage par induction pour TPC depuis 2001. Les premières applications utilisaient des stratifiés tissu carbone/PPS, incluant gouverne de direction et gouvernes de profondeur pour les jets d'affaires Gulfstream G650 et Dassault Falcon 5X.

Autres applications TPC soudées par induction : portes d'accès réservoir carburant produites par AVIACOMP S.A.S. (Launaguet, France, maintenant partie du groupe Sogeclair) pour l'aile de l'Airbus A220 (précédemment Bombardier CSeries). (Aviacomp a aussi produit les longerons pour le fuselage TPC soudé de STELIA montré au Salon du Bourget 2017.)

Cette catégorie générale de portes d'accès est une opportunité pour le soudage TPC d'économiser les coûts, montrée dans une étude de conception et fabrication par KVE Composites. Même les avions plus petits peuvent avoir jusqu'à 60 de ces panneaux d'accès, tous de formes différentes, et typiquement faits en construction sandwich composite avec cœur nid d'abeilles usiné. « Si vous utilisez l'assemblage thermoplastique soudé, vous pouvez faire tous les différents panneaux d'accès pour un avion avec seulement 100 000 $ de coûts d'outillage, ce qui est une économie dramatique », dit Harm van Engelen, directeur général de KVE Composites. « Nous n'avons pas besoin d'usiner le cœur, nous utilisons juste des composants "type lego" — feuilles planes et raidisseurs estampés — soudés ensemble pour former les diverses formes. Aussi, notre outillage est plus comme un gabarit de soudage, donc coût relativement bas vs ce qu'ils utilisent aujourd'hui. Tous les panneaux d'accès d'un avion pourraient être faits dans une seule cellule de soudage. »

KVE Composites continue son développement des technologies de soudage TPC, comme illustré dans les chronologies. La cellule de production montrée en bas pour 2019 est la machine Falko ATL (automated tape laying), produite par Boikon (Leek, Pays-Bas) utilisant un effecteur de bout à soudage ultrasonique développé par GKN Fokker. « Cette cellule robotique permet un processus et système de contrôle plus efficaces pour le prochain niveau de production de pièces TPC en volume vs les méthodes pick-and-place utilisées aujourd'hui », explique Maarten Labordus, chef R&D de KVE Composites. « Par exemple, vous pouvez draper automatiquement les stratifiés peau et longeron pour une surface de commande d'avion régional (environ 60 mm x 3 m), appliquer une étape de consolidation et formage hors autoclave, puis compléter l'assemblage dans une cellule de soudage adjacente. » La machine Falko ATL démontre aussi le contrôle en boucle fermée déjà développé par GKN Fokker pour le soudage ultrasonique. « La machine est capable de contrôler le niveau d'énergie selon le type de matériau, épaisseur et forme, cependant une consolidation complète de la préforme plane est requise après lors du moulage de la pièce TPC finie », explique Arnt Offringa, chef R&T Aérostructures pour GKN Fokker.

Qualification

Comme indiqué comme initiative clé de développement en 2017, la qualification des processus de soudage par induction pour aérostructures TPC est une priorité continue. Selon le résumé pour la présentation à venir de KVE Composites à la 4e Conf. Int. et Exposition sur Composites Thermoplastiques (ITHEC, 30-31 oct 2018 à Brême, Allemagne), ces dernières années le soudage TPC a vu un déplacement des polymères comme PPS et PEI vers des polymères plus hautes performances comme PEEK, PEKK et maintenant PAEK bas point de fusion (LM PAEK), ainsi que vers des bandes UD placées automatiquement et stratifiés plus épais pour structures plus sollicitées. En réponse, KVE Composites a cherché à améliorer et standardiser outillages et équipements ainsi que modèles de simulation basés EF.

Pour assister la maturation et qualification du processus de soudage par induction avec ces nouveaux stratifiés composites, KVE Composites a développé une configuration standardisée pour soudage d'éprouvettes cisaillement simple et arrachement en L et T. Cette configuration inclut :

• Un cadre rigide pour reprendre les charges de l'application de pression sur le stratifié pendant le soudage.
• Un bloc outil inférieur positionnable sous le cadre pour permettre le soudage reproductible de panneaux standards.
• Un mandrin gonflable (soufflet de pression dans la figure) dans le bloc outil inférieur qui peut se dilater dans une seule direction pour comprimer le stratifié à souder contre un dissipateur thermique spécial (« matériau KVE » dans la figure) pour confiner la chaleur à l'interface de soudage.

En interchangeant les blocs outils inférieurs, une variété d'éprouvettes standards peut être soudée puis inspectée par ultrasons, après quoi des éprouvettes plus petites peuvent être découpées et testées mécaniquement. Cette configuration standardisée a déjà été installée par :

• Centre de Recherche Thermoplastiques (TPRC, Enschede, Pays-Bas)
• Centre McNair à l'Université de Caroline du Sud (Columbia, SC, États-Unis)
• Centre Aérospatial Néerlandais (NLR, Marknesse, Pays-Bas)

Réparation

Autre domaine clé : comment réparer les aérostructures TPC. « Nous nous concentrons d'abord sur les structures tissu CF/PPS qui sont qualifiées et volent », dit Labordus. « Le processus est basically le même que pour les réparations composites thermodurcissables : retirer le matériau endommagé, préparer cette zone avec un biseau en biseau (taper scarf) et coller un patch de préimprégné de réparation. Labordus dit qu'un des problèmes est que le préimprégné thermoplastique à température ambiante est rigide et ne colle pas, « donc c'est dur d'obtenir la géométrie qui matche. » Cependant, il croit que les systèmes de réparation robotiques développés par Airbus, Lufthansa et autres offrent une solution.

De tels systèmes utilisent la métrologie pour mesurer précisément les biseaux usinés robotiquement et coller un patch préfabriqué qui a été biseauté robotiquement pour matcher. « Nous voulons utiliser le soudage par induction pour souder un patch thermoplastique à la structure originale », dit Labordus, mais il y a encore des problèmes à résoudre. « Selon la forme de la pièce et du patch, les courants de Foucault ne se forment pas partout, donc on peut avoir des zones de froid ou surchauffe. KVE Composites a travaillé là-dessus et a réussi à obtenir un joint conique 2D linéaire en stratifiés tissu CF/PPS avec épaisseur uniforme et soudure parfaite. « Nous étions à 10 % des propriétés du matériau vierge », dit Labordus.

L'étape suivante sera de souder par induction deux pièces rectangulaires chacune avec un bord biseauté, puis de souder un patch conique à un trou circulaire/elliptique avec biseau conique, qui est essentiellement la méthode pour réparations composites thermodurcissables. « Si ça marche, nous passerons alors aux stratifiés UD en PEEK et PEKK », dit Labordus. Il note qu'un système utilisant une bobine d'induction pour réparations sur le terrain n'a pas encore été démontré, « mais on peut le faire en labo. » Un autre problème est comment appliquer la pression pour un contact suffisamment proche entre patch de réparation et surface biseautée. « Actuellement, la pression utilisée dans l'outil labo est 5 bar. Je ne suis pas sûr si la pression du sac vide seul suffit, mais avec du matériau UD plus plat, 1 bar du sac vide seul peut être OK. »

Ce travail chez KVE Composites est étendu par Michel van Tooren, directeur du Centre SmartState pour Matériaux et Structures Multifonctionnels, partie du Centre McNair à l'Université de Caroline du Sud (Columbia, SC, États-Unis). « Nous soudons des composites thermoplastiques par induction sous sac vide, ce qui est très similaire à comment les réparations composites sur le terrain sont faites aujourd'hui avec un hot bonder et couverture chauffante », explique-t-il. « Le sac vide se comporte comme un outillage souple pour la compression des deux pièces. Vous appliquez le courant d'induction et obtenez une réparation par fusion. Il faut juste avoir les limites et paramètres de processus définis. En certains sens c'est plus facile que la réparation thermodurcissable car vous pouvez toujours refondre la réparation si nécessaire, même de l'autre côté du monde ou après 20 ans de service. Et le résultat n'est pas un collage adhésif mais une pièce cohésive, éliminant ainsi tous les problèmes de collage et comment savoir si vous avez un bon collage dans une réparation thermodurcissable. » Lui aussi croit qu'avec les technologies de réparation robotiques automatisées en développement maintenant, « souder une réparation par induction serait relativement simple. »

Soudage thermodurcissable vers thermoplastique

Van Tooren développe aussi le soudage par induction pour assembler composites thermodurcissables et thermoplastiques. « Nous introduisons du thermoplastique dans un composite thermodurcissable, mais seulement où nous voulons souder », explique-t-il. « Nous greffons une nanoparticule et faisons une petite polymérisation croisée. Le résultat est une île de thermoplastique implantée dans et co-fondue chimiquement avec le composite thermodurcissable. Je peux alors souder sur l'île thermoplastique. » Encore une fois, la vision est des méthodes alternatives d'assemblage composites évitant perçage et problèmes du collage adhésif conventionnel.

Le soudage de stratifiés composites thermodurcissables (TSC) à stratifiés TPC (ou soudage TS-TP) est poursuivi par plusieurs organismes de recherche. Irene Fernandez Villegas à TU Delft — mentionnée dans l'article imprimé comme leader dans le développement du soudage ultrasonique continu de TPC — a co-écrit un article 2017 « Hybrid welding of carbon-fiber reinforced epoxy based composites » avec Francesca Lionetto à l'Université de Salento (Lecce, Italie), Silvio Pappadà au CETMA Composites (Brindisi, Italie), et autres. Les bases :

• Le polyvinybutyral (PVB) est un polymère thermoplastique semi-cristallin, faible coût, avec température de fusion 150-170 °C, caractérisé par d'excellentes capacités liantes, formation de film et adhérence à de nombreuses surfaces.
• Le PVB (Mowital, fourni par Kuraray) a été utilisé comme couche de couplage, ajoutée et co-polymérisée à un stratifié TSC 14 plis tissu carbone/époxy (Hexcel 3501-6 préimprégné avec 58 % volume fibres et polymérisation 180 °C).
• Un emboîtement macro-mécanique entre la couche de couplage PVB et le composite CF/époxy a été obtenu par pénétration partielle de la résine PVB dans la première couche du TSC (typiquement entre 10 et plusieurs centaines de microns d'épaisseur) pendant la co-polymérisation et diffusion des monomères époxy dans le film thermoplastique PVB.
• Les processus de soudage par induction et ultrasonique ont résulté en joints soudés adéquatement résistants, avec les joints CF/époxy à CF/époxy soudés à travers les couches de couplage PVB montrant une résistance au cisaillement simple de ≈25 MPa, dans la plage typique des valeurs de résistance pour joints CF/époxy collés adhésivement.

Automobile

Presque toutes les entreprises incluses dans l'article imprimé sur le soudage thermoplastique regardent l'automobile aussi bien que l'aérospatial. « Le soudage aide à rendre les composites compétitifs vs l'aluminium », dit Offringa chez GKN Fokker. « L'automobile regarde aussi le soudage comme alternative rapide au collage. Nous avons parlé à plusieurs constructeurs automobiles concernant le traitement rapide des composites. » Il souligne que les carrosseries carbone sont majoritairement thermodurcissables, collées avec une épaisseur d'adhésif spécifiée. « Si vous pouviez faire ces pièces en composites thermoplastiques et éliminer les espaces entre composants en soudant l'assemblage, vous pouvez faire une structure carrosserie plus rigide, apportant bénéfices poids, coût et performance. »

Jérôme Raynal, responsable développement commercial pour Composite Integrity, voit aussi du potentiel. Sa société a travaillé avec STELIA Aerospace pour développer le processus de soudage par induction dynamique utilisé pour assembler longerons bande UD CF/PEKK et peaux fuselage dans le démonstrateur TP, dévoilé au Salon du Bourget 2017. « Nous avons développé le soudage résistif pour l'automobile avec polyamide [PA, nylon] et polypropylène [PP] composites », dit Raynal. « Nous avons une variété de technologies différentes. Par exemple, on peut intégrer un fil métallique dans une pièce, la mettre en contact avec une autre pièce et injecter le courant. On peut aussi placer un patch résistif fibre de carbone à l'interface de soudage pour générer la chaleur de soudage requise. » Dans un développement, deux composants en CF/PA ont été soudés en utilisant un patch résistif spécialement conçu fait du même polymère et d'un feutre verre pour isoler électriquement le stratifié adjacent et concentrer l'énergie à la ligne de soudage. Qu'en est-il des inserts métalliques très typiques dans les pièces auto ? « Les pièces avec inserts métalliques ne posent pas de problème avec le soudage résistif, et avec le soudage par induction vous utiliseriez une bobine spécialement conçue ou modifieriez les champs électromagnétiques et le courant d'une autre façon », répond Raynal. « Cela devrait être développé, mais c'est similaire à ce qu'on a déjà démontré pour production automatisée de structures aéronautiques. »

Autres développements et projets

Une note sur l'image d'ouverture. Elle montre une rendu CAO du processus automatisé développé par le Centre DLR pour Technologie de Production Légère (DLR ZLP, Augsbourg, Allemagne) utilisant une tête de soudage ultrasonique sur un robot industriel KUKA Quantec KR210 pour assembler huit sections TPC en un longeron arrière de pressurisation (RPB) pour avion type A320. Dans l'article imprimé accompagnant sur le soudage TPC, j'ai discuté du développement par DLR ZLP d'une méthode de soudage résistif utilisée sur le démonstrateur RPB A320 de Premium Aerotec exposé au salon ILA 2018 à Berlin. Selon Lars Larsen, responsable groupe technologies d'assemblage et jonction à DLR ZLP, « En parallèle au processus de soudage résistif utilisant un "pont de soudage", nous avons aussi développé une tête de soudage ultrasonique actionnée robotiquement. Nous avons complété des tests préliminaires pour déterminer les paramètres de processus de soudage pertinents, et dans les prochains mois nous affinerons l'intégration de cet effecteur de bout de soudage ultrasonique dans notre robot. Notre objectif est de développer un processus industriel unique pour souder à la fois les longerons de fuselage et le longeron arrière de pressurisation faits en composites thermoplastiques. »

Autres projets non couverts cette fois : EireComposites et sa participation aux projets Ybridio et Innova, poursuivant le potentiel du soudage pour réduire coûts et augmenter automatisation. L'entreprise rapporte capacité soudage par induction et résistif pour CF/PEEK, CF/PEKK et GF/PP et que le soudage thermoplastique a été évalué pour l'aile Bombardier CSeries (maintenant Airbus A220).

Tods Aerospace, maintenant partie de Unitech Aerospace, a participé à un programme National Aerospace Technology Exploitation Programme (NATEP) sponsorisé par Rolls-Royce qui examinait le développement d'une technique de soudage résistif n'utilisant pas d'implants métalliques embarqués. TenCate-Toray et le Centre National Composites (Bristol, UK) étaient aussi partenaires.

Restez branchés, car je prévois de couvrir prochainement les développements du Laser Zentrum Hannover (LZH) sur le soudage laser de composites thermoplastiques.