Modélisation prédictive, analyses mécaniques et optimisation des structures au cœur des débats durant le JEC 2017 Forte croissance pour les composites

Nouveaux matériaux, nouveaux procédés, meilleure productivité, baisse des coûts, le salon JEC 2017 affichait une participation record tant des exposants que des visiteurs et une fréquentation encore en hausse par rapport à l'édition précédente.

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Produire rapidement en baissant les coûts pour une qualité irréprochable ! Voici le leitmotiv de la filière composite réunie durant JEC World en mars derniers au parc des expositions de Paris nord-Villepinte. Moins d'interventions manuelles, plus d'automatisation, de robotisation, allègement de structures composites plus « propres » voire même « intelligentes » tels ont été les maîtres mots qui ressortent de ce dernier rendez-vous mondial du secteur, sans oublier bien sûr l'aspect « recyclabilité ».

Des fibres recyclables

L’environnement affirme sa présence dans le monde des composites. Produire et recycler des pièces en fibre de carbone ou de verre n’est pas facile. Une start-up suisse, Bcomp, propose carrément de remplacer ces matériaux par de la fibre de lin. « L’avantage du lin, c’est que sa production est naturelle, nécessite peu d’eau et qu'il est recyclable », fait valoir Sophie de Rijk, project manager automobile de la jeune société basée à Fribourg. Or le bilan de masse d’une pièce en fibre de lin intégrée dans un plastique est de 1,3 contre 1,8 pour la fibre de carbone. « Surtout, le lin offre plus de possibilités dans la construction, avec une géométrie en 3D alors que le carbone se travaille en 2D », ajoute-t-elle. Cette construction en 3D compense le manque de rigidité du lin par rapport au carbone avec un procédé de production moins cher. De quoi intéresser les industries automobile et aéronautique. Mais produire des fibres recyclables ne suffit pas. Il faudrait aussi « verdir » les résines. C’est ce que propose la start-up danoise Pond, récompensée au salon JEC World pour un procédé de résine naturelle biodégradable à base de plantes (lin, chanvre, coton…), et qu’il est possible, selon Pond, d’utiliser comme liant avec le carbone ou le verre.

Remplacer le métal

Toujours côté matériaux, un accord-cadre de 10 ans a été signé entre Safran et Toray pour la fourniture de composites hautes performances dédiés aux nouvelles générations de pièces d'équipements aéronautiques.

Ténor mondial de la fibre de carbone et des composites hautes performances, Toray apportera son soutien en matériaux innovants associés aux nouvelles technologies développées par le Groupe.

De son côté, Solvay, spécialiste des polymères hautes performances, fournit des matières premières de fabrication additive (FA). Gains de poids, de coûts et de délais sont les caractéristiques essentielles des pièces structurelles imprimées en 3D. Pour ces fabrications, la firme fournit du filament qui sera fondu (FFF) ou des poudres pour du frittage sélectif laser (SLS). Le polyéthercétonecétone (PEKK) et les poudres PA6 Sinterline® Technyl® sont réservés pour ces procédés SLS.

Le groupe, enrichit sa gamme de polymères avec l’introduction des grades HPPA Omnix® deux polyamides hautes performances respectivement renforcés de 50% et 60% de fibres de verre longues. Ces matériaux conviennent aux applications dans lesquels les pièces sont soumises à une charge constante ou à des conditions de fonctionnement sévères, domaine où prédomine encore le métal.

Ces grades ont été mis au point pour répondre aux marchés des transports, particulièrement celui de l'automobile mais aussi pour l'électroménager ainsi que pour l'ingénierie de mécanique industrielle.

« Le remplacement du métal est entré dans une nouvelle phase. On constate une demande croissante de plastiques capables de surmonter les barrières actuelles des thermoplastiques avancés renforcés fibres courtes sans avoir à sacrifier la liberté de conception, l’efficacité de traitement et la qualité de surface », explique le Dr Eric Martin, Global Business Development Manager - Long Fiber Thermoplastic chez Solvay Specialty Polymers.

« Cette technologie LFT est reconnue comme solution de rechange viable aux pièces de fonderie et assemblages métallique en renforçant le potentiel d’allègement des matériaux établis pour le moulage par injection. Cette option supprime les risques de corrosion avec de très bonnes capacités en termes de maintien de la rigidité à haute température, de la résistance aux chocs et de la tenue en fatigue et à la déformation ».

Automatisation et robotisation

LFT se caractérise par la formation d’une ossature tridimensionnelle de fibres longues enchevêtrées au niveau des pièces moulées, caractéristique associant rigidité, ténacité et stabilité dimensionnelle, tout en inhibant la propagation des fissures.

En outre, les grades Omnix® LF surpassent les matériaux à fibres courtes en termes de résistance à la déformation sous fortes charges à température élevée, démontrant les avantages de l’ossature de fibres longues enchevêtrées créées à l’intérieur des pièces.

Solvay a aussi lancé SolvaLite™ 730, nouvelle technologie de polymérisation en moins de 60 secondes pour l’automobile. Il s'agit d'une résine thermodurcissable pré imprégnée pour les applications en grande série. Ce matériau de nouvelle génération, offre des avantages, similaires aux composites hautes performances polymérisés en autoclave, une meilleure tenue à l'impact en regard d'autres systèmes de réticulation rapide avec une stabilité de stockage à température ambiante, éliminant la nécessité de congélateurs et de transport sous température contrôlée.

Cycle de 120 secondes

Comme les cadences augmentent surtout dans l'automobile, cette industrie demande plus d’automatisation des procédés. Ainsi, l’institut de recherche DLR (Allemagne), travaille activement sur l'automatisation et la robotisation des fabrications de pièces en composites.

C'est le cas au niveau soudage ou le placement des fibres de carbone reste prépondérant. « L’un des défis consiste à obtenir une précision de l’ordre de 0,1 à 0,2 millimètre, contre deux à quatre millimètres actuellement. Sans cette exigence de précision, il n'est pas envisageable de robotiser ces opérations », souligne Heinz Voggenreiter, directeur du DLR.

L’institut a développé des solutions à base de capteurs lasers et de caméras, combinés avec un logiciel de contrôle. L'objectif à atteindre, c'est que le robot exécute toutes les opérations sans intervention humaine. Le DLR entrevoit aussi plus d'applications à base de thermoplastiques. En effet cette technologie affiche des avantages non négligeables. « Ils sont faciles à former, souder et réparer, et ils se montrent souvent plus résistants que le carbone » souligne Heinz Voggenreiter.

Récompense aussi pour le coréen LG Hausys qui a mis au point un procédé de fabrication dans lequel le TFC (polypropylène et fibre de verre) est tout d’abord préformé à la forme souhaitée puis surmoulé.

Côté procédé, IRT M2P (France) a démontré la faisabilité de pièces structurelles de série en composites réalisées à l’aide de procédés RTM réactifs. Entièrement automatisée et robotisée, cette plateforme C-RTM (Compression Resin Transfert Moulding) est compatible avec les résines thermoplastiques et thermodurcissables réactives.

La plateforme Fast RTM produit des pièces en composites structurelles et fonctionnalisées à cotes semi-finies jusqu’à 3 m² avec un temps de cycle de 120 secondes. Cette innovation a naturellement été récompensée par un JEC Award.

Polymères imprimés 3D

Autre Innovation Award intéressant l'aéronautique et l'espace, Atropos, premier robot six axes capable d'assurer l'impression 3D de composites en fibres continues et résines thermodurcissables. En fonctionnement, les fibres sont imprégnées puis étirées à la sortie d'une unité à commande numérique capable de les placer de façon précise et reproductible. Extrudé par la tête d'impression, au niveau du poignet du robot, la résine polymérise sous l'effet d'une exposition UV. Le choix des résines capables de polymériser en moins d'une seconde permet de placer les fibres en continu à des vitesses de l'ordre de 50 mm/s afin d'obtenir rapidement des solides caractérisés par des températures admissible nettement supérieures à celles des résines thermodurcissables traditionnelles.

Afin d'optimiser la forme interne et externe de l'objet, +LAB (Italie) avec ses partenaires Kuka Robotique (Allemagne) et OWens Corning (France) ont développé un algorithme qui planifie de façon prédictive les mouvements de la machine qui devient capable de placer le renfort au niveau des zones subissant le plus de contraintes. Cet algorithme module aussi le rapport fibre/matrice jusqu'à 60% en volume.

Ces deux caractéristiques autorisent l'obtention de pièces légères, absolument optimisées en fonction de leur usage.

Avec l'explosion de la fabrication additive ces dernières années, l'éditeur de logiciels luxembourgeois E-Xstream en tandem avec Solvay, a mis au point une solution facilitant la transition du prototypage à la fabrication de pièces composites. Egalement récompensé par un « Award » cette innovation combine différents logiciels afin de proposer des solutions pour développer des matériaux, simuler des procédés et améliorer les pièces polymères imprimées en 3D. MSM

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