Production CFRP de bout en bout chez BMW : du toron au ruban à la pièce finale

Au début de l'essor actuel des composites fibre de carbone dans l'automobile, le groupe BMW (Munich, Allemagne) semblait se démarquer. Les travaux initiaux pour accélérer le moulage par transfert de résine (RTM) pour la production du toit de son modèle sport M ont mené à l'établissement d'une chaîne d'approvisionnement complète pour pièces en plastique renforcé de fibre de carbone (PRFC) sur ses véhicules i3 et i8, puis à de toutes nouvelles cellules de fabrication et d'assemblage pour la carrosserie multi-matériaux Carbon Core sur sa Série 7.

BMW s'est engagé sur la i3 en 2009 sous les projecteurs, mais cette même année, Audi AG (Ingolstadt, Allemagne) a créé un centre technique dédié aux plastiques renforcés de fibres. En 2011, Audi a annoncé un partenariat avec Voith Composites (Garching, Allemagne) pour développer et produire des pièces PRFC à haut volume. L'année suivante, elle a rendu public le développement d'un montant B en acier renforcé PRFC, réalisé par RTM, et son partenariat avec SOGEFI (Guyancourt, France) pour commercialiser des ressorts de suspension en composite. En 2012, Audi a aussi été partenaire fondateur du cluster d'excellence MAI Carbon, incluant BMW, Voith Composites, SGL Group (Wiesbaden, Allemagne) et autres.

Plus notablement, le propre récit d'Audi sur le développement PRFC commence avec sa R8 de première génération, lancée en 2006. Elle comportait des caches de compartiment pour capote décapotable ainsi que des sideblades réalisés par RTM. L'entreprise a progressé des extérieurs esthétiques et structures plus petites vers le Modular Sportscar System (MSS) dans l'Audi R8 e-tron. Bien que la structure principale de cette supercar électrique comprît des poutres en aluminium extrudé jointes par des pièces moulées en aluminium, tous les panneaux et remplissages étaient en PRFC, y compris un insert de coffre avec structures de choc ondulées permettant au module arrière d'absorber cinq fois plus d'énergie que le cadre métallique.

La colonne vertébrale du MSS est son paroi arrière, qui a évolué d'un concept initial en 2011 au module actuellement produit pour la R8 non-électrique par SGL Technologies (précédemment BENTELER-SGL, Ort im Innkreis, Autriche ; voir « Visite d'usine : BENTELER SGL »). Mais Audi planifiait déjà l'étape suivante : itérer la paroi arrière pour l'utiliser dans sa berline de luxe A8 à plus haut volume, avec Voith Composites comme partenaire de fabrication.

Voith Composites est une filiale de 10 ans du groupe multinational Voith GmbH & Co. KGaA, fondé en 1867. La maison mère compte désormais 19 000 employés, un CA de 4,2 milliards € (5,2 milliards $US) et fournit équipements et technologies de fabrication via quatre divisions : Voith Digital Solutions, Voith Hydro, Voith Paper et Voith Turbo. Voith Composites a évolué de la production de rouleaux PRFC pour la papeterie vers la fabrication d'arbres de transmission/cardan et de stratifiés plats automobiles et industriels en PRFC.

En 2011, Voith Composites a commencé le travail sur une chaîne de process CFRP hautement automatisée, visant à produire la paroi arrière A8. Au cœur se trouvait l'Applicateur de Torons Voith (VRA), qui, en une seule ligne, écarte du toron carbone 35K de Zoltek (St. Louis, MO, US) en ruban unidirectionnel (UD) lianté, qui est ensuite découpé et empilé pour former un préformé sur mesure. Le VRA a reçu un JEC Innovation Award en 2017. Il a aussi établi une base robuste pour les opérations ultérieures de préformage et moulage. Les honneurs catégorie Auto ont été de nouveau remportés par Voith Composites et Audi au JEC World 2018 pour la ligne de production numérique 4.0 complète basée sur VRA utilisée pour fabriquer le module paroi arrière de l'Audi A8. Travaillant avec le fournisseur de résine Dow Automotive (Auburn Hills, MI, US) et Zoltek, ces partenaires n'ont pas seulement développé les matériaux, process et systèmes d'inspection en ligne intégrés nécessaires pour fabriquer des pièces PRFC haute performance à cadences de série, mais ont aussi créé la suite complète d'outils CAO/FAO et de simulation essentiels déjà appliqués au développement de pièces futures.

Évolution de design pilotée par l'efficience

« Nous avons commencé à travailler avec Audi très tôt », dit Dr. Jaromir Ufer, responsable développement commercial chez Voith Composites. La première priorité était de développer le nouveau design de paroi arrière A8, qui dicterait comment la pièce devait être fabriquée.

« Quand nous avons commencé l'ingénierie pour cette production, nous n'avons pas trouvé de produits logiciels « sur étagère » ayant tout ce qu'il nous fallait », explique Ufer. « Nous avons donc rassemblé des outils de design comme ABAQUS, mais construit nos propres cartes matériaux et développé nos propres méthodes de simulation. » Audi avait déjà identifié le poids réduit de la caisse en blanc et la rigidité torsionnelle accrue comme objectifs clés pour le design de la paroi arrière R8 (voir « Paroi arrière de siège Audi R8 : prélude à la production »). Pour le module A8, un design intégral a été proposé pour réduire l'assemblage multi-composants du MSS à un seul panneau CFRP formé avec un petit nombre d'attaches collées et rivetées. Ce design a piloté le développement d'un stratifié hautement anisotrope avec chemins de charge localisés, permettant à la pièce finie d'apporter 33 % de la rigidité torsionnelle de la cellule de conduite à 50 % du poids vs. un assemblage de trois à cinq pièces en aluminium soudées.

« Le préformé composite pour le panneau de paroi arrière Audi A8 varie d'une base de 6 plis jusqu'à 19 plis là où du renforcement local est ajouté – par exemple, là où il y a des découpes ou charges ponctuelles, comme les attaches de siège enfant », explique Ufer (Fig 2).

Applicateur de Torons Voith

Ufer note que le développement de ce design et du VRA a procédé de concert. « Ce n'est qu'en ayant la liberté de design qu'offre le VRA que la performance de la nouvelle paroi arrière A8 était possible. » Également important : le fournisseur de fibre Zoltek a pris un engagement de prix sur 7 ans pour le programme.

Le process du VRA commence avec un râtelier de fibre de carbone PX 35 de Zoltek. Plusieurs bobines de toron 50K sont alimentées dans chaque ligne VRA et écartées pour produire des rubans de 50 mm de large. Ensuite, un liant à base d'époxy est appliqué, qui réagira plus tard avec la résine époxy à polymérisation rapide VORAFORCE de Dow pendant le moulage par transfert de résine (RTM) de la pièce composite. Une petite quantité de chaleur infrarouge (IR) est appliquée pour fondre suffisamment le liant pour maintenir le ruban ensemble à travers les étapes ultérieures de consolidation, découpe et empilage (Étape 1).

« C'est un process continu complètement automatisé », dit Ufer. « Si pour une raison quelconque il faut arrêter la ligne, l'équipement réagit automatiquement. Par exemple, le chauffeur IR est immédiatement coupé et rétracté pour éviter d'endommager le ruban par surchauffe. Il y a des centaines de tels détails dans l'équipement, et le contrôle numérique permettant cette technologie. »

Après l'application du liant, la consolidation du ruban est obtenue au passage à travers plusieurs rouleaux sous tension (Étape 2). Ufer explique que cela crée aussi un tampon pour la ligne. « Nous avons une unité qui interrompt le flux continu de traction de la fibre, assurant la transition vers le format pulsé du mécanisme de découpe-et-placement de ruban. » Ce mécanisme à portique découpe les rubans aux longueurs sur mesure et les place aux angles spécifiés de 0-360° sur une table rotative (Étape 3). Chaque empilement sur mesure, comprenant 6 à 19 couches de ruban, varie en épaisseur de 1,5 à 3,7 mm respectivement.

Voith a installé quatre lignes VRA (voir photo d'ouverture), et bien que chacune applique jusqu'à quatre rubans de 50 mm de large à la fois, Ufer souligne : « les lignes ont une approche modulaire, elles pourraient donc appliquer 10 rubans ou plus à la fois. Cela dépend de la taille de la pièce et du taux de production. »

L'automatisation inclut l'inspection qualité. Les scans des rubans et préformés sont comparés avec un algorithme de rejet. « Le scan 100 % du ruban par le VRA assure la bonne distribution de fibres pour toute la ligne de production », explique Ufer. « Nous utilisons aussi la thermographie et des capteurs laser pour vérifier les préformés aux zones désignées. » Le VRA peut alors réagir à tout problème détecté. « Si un ruban n'est pas correct », souligne-t-il, « le VRA coupera la longueur défectueuse et en produira une autre pour la remplacer. » Un code QR est apposé sur le préformé fini pour la traçabilité. (Les codes QR sont préférés aux étiquettes RFID car ils résistent mieux au process d'injection de résine.)

Formage, moulage et assemblage

La pile 2D sort du VRA et est transférée dans la section formage, moulage et assemblage de la ligne de production. La première presse dans laquelle elle est placée, fournie par le spécialiste de l'automatisation composites FILL (Gurten, Autriche), utilise chaleur et pression pour former la pile 2D de rubans en préformé 3D (Étape 4). Ufer explique que comme le préformé varie en épaisseur et forme, la presse peut adapter la pression appliquée lors du formage par estampage des régions séparées du préformé maintenu dans l'outil de formage. ALPEX Technologies (Mils bei Hall, Autriche) a réalisé les moules RTM acier-acier, sur design fourni par Voith Composites. « Nous avons développé l'outillage et le process de presse virtuellement », dit Ufer. « Bien qu'aucune boucle de test réelle n'ait été requise, nous avons validé et vérifié les modèles de simulation sur d'autres formes et pièces avant d'usiner les outils de production de la paroi arrière A8. Cette simulation du process de moulage s'est déroulée directement en production réelle, et a aidé à accélérer l'optimisation. »

La presse maintient quelques secondes pour réagir le liant poudre et fixer la forme, résultant en un préformé stable qui peut résister au lavage de fibres pendant l'injection de résine. « Les particules de liant fonctionnent aussi pour écarter les fibres pour un meilleur écoulement de résine pendant le RTM », note Ufer. « C'est utile car il n'y a pas de couture dans le préformé pour aider l'écoulement de résine, donc ces particules de liant agissent comme micro-canaux d'écoulement. »

Le préformé formé est ensuite transféré par robot dans une cellule CNC EiMa Maschinenbau GmbH (Frickenhausen, Allemagne), où un couteau ultrasonique taille le contour extérieur final. Il est ensuite placé robotiquement dans une presse RTM (Étape 5) fournie par ENGEL (Schwertberg, Autriche). Tous les robots de la ligne sont fournis par KUKA Robotics (Augsburg, Allemagne).

Le process RTM utilisé pour mouler la paroi arrière A8 est le même développé au Centre Allègement Audi pour la précédente paroi arrière R8, appelé ultra-RTM. Il permet le moulage de grandes pièces avec injection rapide mais basse pression. Comparé aux 140 bar typiques du HP-RTM, la pression d'injection de résine en moule pendant l'ultra-RTM de la paroi arrière Audi A8 est <15 bar, encore moins que pour la R8. En résultat, au lieu de 2 500 kN de force de presse, seulement 350 kN sont requis. Donc une presse plus petite, moins coûteuse, peut produire des pièces haute qualité, haut taux de fibres.

La résine époxy VORAFORCE 5300, système trois composants incluant agent de démoulage, polymérise en 90-120 secondes à 120°C et a une viscosité de process de 20 cps. Pour la paroi arrière A8, un apport de résine de 1,3 kg est injecté dans le préformé, suivi d'une polymérisation de 120 secondes.

La pièce polymérisée est démoulée robotiquement et chargée dans une cellule de fraisage CNC fermée pour usinage des découpes. Ensuite, la pièce usinée est placée dans une machine de lavage automatisée pour nettoyer la poussière résiduelle de PRFC.

La paroi arrière lavée est transférée dans une cellule d'assemblage équipée de deux robots. Le premier robot place la pièce moulée dans une machine de rivetage automatisée, qui documente la force appliquée pendant l'installation des rivets. Cela fait partie de l'intelligence de fabrication intégrée au process global et est ajouté à l'historique de process numérique de chaque pièce (fil numérique). La pièce est ensuite déplacée dans la zone de collage et un second robot prépare les zones pour le collage, par essuyage automatisé au solvant. Le même robot applique ensuite l'adhésif structurel polyuréthane bi-composant à polymérisation rapide Dow BETAFORCE 9050M (Étape 6), compatible avec l'époxy tri-composant. La pièce est ensuite placée dans un four pour un court cycle de polymérisation de l'adhésif.

Cette ligne de production maintient un temps de cycle de 5 minutes pour la pièce finie et la demande actuelle en pièces peut être satisfaite en un ou deux quarts de 8 h. Un dispositif de scan laser 3D est utilisé périodiquement pour vérifier la forme et les mesures 3D de la pièce. Les pièces finies sont ensuite préparées pour l'expédition vers la ligne d'assemblage final Audi A8 à Neckersalm, Allemagne, à environ 3 h de route (Étape 7).

Placement direct de fibre = flexibilité future

Avec tout l'investissement consenti, il est surprenant d'apprendre que Voith Composites n'était pas assuré de ce contrat, mais l'entreprise a achevé le développement et participé à un appel d'offres compétitif pour remporter la production. « Nous avons pu atteindre le coût cible de pièce défini par Audi, ainsi que les exigences de qualité et performance de pièce », dit Ufer. Ce n'était pas une mince affaire, vu que pas mal d'entreprises concouraient pour le programme.

Voith Composites a breveté plusieurs parties de son process. « Le VRA a démontré l'industrialisation par placement direct de fibre [DFP] de rubans, qui réduit les rebuts ainsi que le matériau utilisé via un plan de pose hautement optimisé », dit Ufer. Il utilise aussi les matériaux les plus rentables – fibre gros toron non traitée et liant poudre. Son process de seconde génération remplace le liant poudre par application directe de résine, éliminant davantage d'étapes de process. Cependant, l'entreprise a développé d'autres process DFP, dont le Préformeur Longue Fibre Voith et le Bobinage Préimprégné Voith.

« Nous établissons de nouvelles normes pour les pièces fibre de carbone pour la production de série automobile à haut volume », dit Dr. Lars Herbeck, directeur général de Voith Composites. « L'usine intelligente que nous avons établie porte la production automatisée de composants PRFC à un nouveau niveau d'efficience et de flexibilité, incluant presque toute forme ainsi que des tailles de lot individuelles. » C'est bien là que l'industrie se dirige.