Comprendre les techniques d'écartement de torons dans la fabrication de composites

Alors que l'article principal « L'essor de l'écartement de torons » partait à l'impression, cet article annexe était bien différent, parlant surtout de ce que nous ne savons pas sur la manière dont le toron est écarté. Et puis je suis tombé sur un article dans la newsletter NewsLIGHT #7 de l'AZL : ITA intitulé « Nouveau procédé d'écartement par ultrasons pour le traitement de torons de renforcement ». Il s'avère que l'Institut de technologie textile (ITA) de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle (Aix-la-Chapelle, Allemagne) étudie les méthodes d'écartement de torons depuis 2011. « Nous avons commencé à tester toutes les diverses méthodes d'écartement de toron en ruban et avons beaucoup recherché sur les facteurs d'influence de chacune et comment les optimiser », explique Wilko Happach, responsable du groupe de recherche Rubans au sein de la division Composites de l'ITA. Résultat, l'ITA a développé une nouvelle technologie permettant la production à haute vitesse – jusqu'à 100 m/min – de ruban à toron écarté avec une variation de largeur bien moindre grâce à un contrôle intégré. L'ITA appelle cette technologie AutoTow.

Comprendre les techniques d'écartement de torons

L'ITA a commencé ses recherches dans la poursuite du ruban. « Nous avions constaté que les tissés et tissus non-crimp généraient des déchets de découpe significatifs et ne permettaient pas non plus des designs optimisés », se rappelle Happach. « Parce que les fibres ne sont pas toutes appliquées dans la direction des charges, la fibre est gaspillée. » Son équipe s'est donc tournée vers le dépôt de ruban automatisé, mais il y avait à l'époque à la fois un manque d'approvisionnement en ruban et de connaissances, selon Happach. « Nous avons donc fabriqué le nôtre, en choisissant de développer d'abord des rubans sec, liantés. » Pour ce faire, ils ont d'abord dû comprendre l'écartement.

Happach décrit trois méthodes de base pour écarter un toron en rubans plus larges et plus fins :

1. Tirage des fibres sur barres d'écartement sous haute tension.
2. Écartement par air à l'aide d'une buse à fente.
3. Application d'ultrasons ou d'autres vibrations aux fibres.

Technologies d'écartement et paramètres de process

Barres d'écartement semblent être la technique la plus ancienne et la plus basique, utilisée dans un brevet 2001 du producteur de fibre de carbone Zoltek. Happach note que l'équipementier Karl Mayer s'est également appuyé sur des barres d'écartement dans ses machines à ruban et tissu à toron écarté. « Le problème de cette méthode est qu'elle limite la vitesse de production à 25 m/min », dit-il. « Si vous essayez d'aller plus vite, le frottement est trop élevé et endommage les filaments du toron. L'écartement par barres est aussi limité en largeur maximale d'écartement. On peut écarter le toron au maximum 3 fois sa largeur initiale. »

Écartement par air, selon Happach, est utilisé quand on recherche la largeur d'écartement maximale pour un grammage plus faible. « Le flux d'air sépare les filaments et permet un écartement jusqu'à 6-7 fois la largeur initiale du toron avec bien moins de dommages aux filaments car il y a moins de frottement », explique-t-il. « Il n'y a pas de traction de la fibre sur barres sous haute tension. »

Cependant, il y a une limitation selon la taille appliquée à la fibre de verre ou de carbone. Happach explique : « La fibre dimensionnée pour résines époxy et autres thermodurcissables peut être collante, si bien que le process d'écartement par air ne peut pas séparer facilement les filaments. » Dans ce cas, un pré-process peut être nécessaire pour briser un peu la taille. Cependant, la taille compatible avec les résines matricielles thermoplastiques, qui est aussi thermoplastique, n'est pas collante du tout et agit presque comme une fibre non dimensionnée. En d'autres termes, il n'y a pas d'adhésion inter-filaments. « Donc c'est facile à écarter mais difficile à manipuler car cela a tendance à se défaire », note Happach.

Écartement par ultrasons utilise le même principe de base que les barres d'écartement mais avec des sonotrodes en demi-cylindre, qui, note Happach, « transmettent beaucoup d'énergie. Le toron s'enroule autour des sonotrodes et en appliquant des ultrasons, les filaments vibrent et se déposent sur la surface, s'écartant. » Cette technique peut produire des rapports d'écartement plus élevés (toron de fibre écarté en rubans très fins et larges) mais ne peut pas être utilisée avec la fibre de verre ou la fibre de carbone à base de poix car elles sont trop cassantes et casseraient.

« On peut aussi utiliser une vibration induite mécaniquement, à fréquence plus basse », dit Happach, « et la chaleur peut être utilisée pour ramollir la taille de la fibre, permettant aux filaments de bouger plus aisément. »

AutoTow

L'ITA a développé AutoTow pour surmonter les problèmes de ces méthodes d'écartement de base. Happach note que le Centre Ruban travaille principalement avec des torons 24K, 50K et 60K (qui, note-t-il, viennent de Mitsubishi) car les effets d'écartement sont les plus forts. « Nous pouvons atteindre des vitesses de production plus élevées, jusqu'à 100 m/min, car nous pouvons faire tourner les barres d'écartement individuelles jusqu'à 80 m/min », explique-t-il. « Ainsi, la vitesse relative est de 20 m/min, ce qui est bon pour l'écartement sans dommage aux filaments. »

Happach souligne que comme le toron d'entrée a des variations, la largeur du toron écarté en sortie varie aussi. « Avec les rubans préimprégnés, les fournisseurs coupent simplement les bords. Mais nous avons commencé avec du ruban sec, lianté, qui a beaucoup moins de résine, donc c'est trop dur de couper les bords. » L'équipe de Happach a réalisé qu'elle avait besoin d'un meilleur moyen de contrôler la largeur d'écartement.

« Nous utilisons des caméras pour mesurer la largeur à l'entrée et à la sortie de l'écarteur », explique-t-il. « Un algorithme utilise cette mesure de largeur, la vitesse de process et certains facteurs connus sur chaque matériau pour calculer et contrôler la vitesse de chacune des 5 barres rotatives afin d'ajuster continuellement la largeur du ruban. Nous pouvons réduire la variation à moins de 1 millimètre. »

« Nous sommes aussi capables d'ajuster l'angle d'enroulement du toron autour de chaque barre d'écartement », continue Happach, « mais pas en temps réel. » C'est donc plus comme un étalonnage pour chaque série de production. « Tout le reste se fait en ligne », soutient-il. « Si vous voulez passer de 25 mm à 30 mm en largeur de toron écarté, il suffit d'entrer ce chiffre et en quelques secondes cela change pendant la production, et à haute vitesse, même 100 m/min. »

Développements futurs

L'objectif du Centre Ruban ITA est d'avoir la chaîne de process complète du ruban pour soutenir le développement industriel. « Notre but est d'attirer des partenaires industriels pour développer de nouvelles solutions pour eux », explique Happach. « Nous sommes en train de construire une ligne de production de ruban et une ligne de production de pièces aussi. Nous voulons avoir toutes les opérations : dimensionnage, écartement, production de ruban, dépôt de ruban automatisé et polymérisation. » Il dit que l'ITA ne sera jamais fournisseur de machines ni fabricant de pièces. « Nous voulons atteindre la production de pièces en plis minces légères car nous avons vu que plus les couches sont fines, meilleures sont les propriétés mécaniques. Maintenant que nous pouvons produire des rubans secs, liantés, à haute vitesse et haut niveau de qualité, notre objectif est de descendre en grammage et ensuite de produire des rubans thermoplastiques et thermodurcissables préimprégnés. »

Tout comme le Centre Ruban ITA a défini l'espace de production pour les process d'écartement de torons et leurs paramètres, il a également développé une connaissance significative sur l'impact de la taille de fibre et de la technologie de liant de ruban. « Nous avons des fournisseurs qui veulent tester différentes recettes de taille pour voir ce qui est le mieux pour l'écartement », dit Happach.

Pour les matériaux liants, il insiste que le facteur le plus important est la compatibilité avec la résine matrice. « Un liant thermodurcissable obtiendra les plus hautes propriétés pour une matrice thermodurcissable. » De même, pour une matrice thermoplastique, le liant doit être thermoplastique, et peut être appliqué par poudre, voile ou fusion à chaud. Les deux derniers permettent une application très rapide et donnent une haute stabilité au ruban, mais Happach note que le voile donnera un contenu en liant légèrement plus élevé. Cela peut être souhaité ou non selon la conception de la pièce et les considérations de process de fabrication. La recherche sur les paramètres de liant et leur impact sur les pièces finales se poursuivra alors que l'ITA développe sa chaîne de process complète.