INCREASE

Un nouveau Procédé pour la Fabrication Haute Cadence de Pièces Composites base Thermoplastiques.

APPEL A PROJETS

  • Appel à projets FUI 20

PORTEUR & PARTENAIRES

  • Porteur : BILLION (PME)
  • Autres partenaires : Solvay (Groupe), le centre technique industriel IPC (Innovation Plasturgie Composites), Georges Pernoud (PME), l’IFTH (CTI), le laboratoire de l’école centrale de Nantes (GeM), le laboratoire de mécaniques des contacts et des structures (LaMCoS)
  • HUTCHINSON et RENAULT TRUCKS sont associées aux travaux du projet en tant que clients sponsors

BUDGET & AIDE PUBLIQUE

  • Budget: 4 376 keuros
  • Aide: 1 894 keuros

DURÉE DU PROJET

  • 42 mois

RÉSUMÉ du PROJET

Le projet INCREASE propose une approche industrielle innovante complète de la réalisation de pièces composites de structure s’appuyant sur l’injection thermoplastique (TP). L’automobile nécessite en particulier des procédés de grande cadence pour la fabrication de pièces avec de nouveaux matériaux permettant d’alléger les véhicules. Les matériaux composites à renfort continu sont les plus adaptés à condition d’optimiser le temps de cycle. C’est ce que propose le projet INCREASE : un procédé ‘netshape’ – matrice TP haute performance/ renfort verre ou carbone reposant sur l’injection horizontale et la thermocompression contrôlée. Les concepts techniques développés, dont les outillages haute température, visent à exploiter et rendre performant le procédé d’imprégnation TP sur des renforts secs préformés, complété par la technologie de surmoulage.

Parmi les différents procédés de fabrication de structures composites (stratifiés), l’imprégnation basse pression d’une préforme sèche dans un moule (Liquid Composite Molding : LCM) présente un intérêt pour la production de pièces présentant des géométries complexes avec la possibilité d’intégrer diverses fonctions. Un nouveau procédé type injection-compression est proposé, répondant à la demande de production haute cadence : injection d’un polymère TP à l’état fondu dans un moule contenant le renfort sec préformé, et imprégnation rapide de la préforme par fermeture contrôlée du moule (C-RTM TP).

RÉSULTATS DU PROJET

1. Procédé Injection-Compression (C-RTM TP) : essais préliminaires

Le procédé C-RTM a été initialement développé avec des précurseurs de résine thermodurcissables. Dans le cas du Projet INCREASE, des polymères thermoplastiques ont été utilisés pour imprégner un renfort sec préformé (préforme 3D) placé dans un moule, avec fermeture partielle du moule porté à haute température, puis injection rapide du polymère, et fermeture contrôlée du moule pilotée en vitesse ou en effort.

Un outil à l’échelle labo a été développé autour d’une presse à injecter et d’un moule haute température. La perméabilité des renforts est mesurée par essais de compression sur des préformes saturées.

Les premiers résultats sur base polyamide (PA6, PA66) et tissus de verre (Toile, Sergé 2×2) ont démontré la faisabilité technique de ce procédé injection-compression (C-RTM TP) avec une imprégnation complète (porosité < 0,5%) pour des injections basse pression (P < 2,5 bar) et un taux de fibre de 50%. Le cycle d’injection-compression dure environ 200 s, avec une pression max mesurée dans le moule d’environ 50 bar.

En parallèle, un banc d’essai semi-transparent a été mis au point afin de suivre en continu le mouvement des mèches se produisant pendant une compression saturée. Ce banc permet la compression d’échantillons jusqu’à une longueur de côté de 400 mm sous 200 kN maximum de force de compression. Pour effectuer le suivi en continu des mèches, des marqueurs réactifs aux UV sont placés sur le pli en contact avec la plaque transparente inférieure. La figure 1, ci-dessous, illustre le principe de l’expérience.

Figure 1 : Banc de mesure des déformations des mèches des plis

 

Un algorithme a été développé afin de calculer le champ de déplacement des mèches du renfort fibreux lors de la consolidation transversale. Cet algorithme utilise des techniques de suivi du déplacement d’un nuage de particules (représenté par les marqueurs réactifs aux UV) entre deux images. Le mouvement et la forme de certaines mèches sont identifiés et affichés à partir du déplacement des repères peints sur celles-ci. La figure 2 présente le champ de déplacement lors de la consolidation. Sur la figure, la ligne pointillée représente la limite du plateau de compression. La fraction volumique de fibres, la force normale et la contrainte appliquée sont également mentionnées dans le coin inférieur droit des figures.

Figure 2 : Champs de déplacement des renforts pour Vf=59%, une vitesse de compaction de 1.5 mm/min et une viscosité de 0.09 Pa.s à gauche et 4.58 Pa.s à droite.

 

Ces résultats confirment l’augmentation du déplacement des mèches avec leur distance au centre de la pièce, ce déplacement est en effet dû à la force de traînée visqueuse qui augmente avec la vitesse interstitielle du fluide.

Pendant la consolidation telle que mesurée sur la figure 2, les propriétés locales (Vf et perméabilité) sont modifiées.  La figure 3 illustre cette modification.

Figure 3 : Champs de déplacement des renforts et conséquences sur les propriétés locales du renfort fibreux (fraction volumique de fibres et perméabilité.

2. Renforts NCF verre et carbone pour les thermoplastiques

Chomarat a développé et breveté des renforts NCF verre et carbone avec un fil de couture spécifique pour le procédé C- RTM,  compatibles avec des températures de transformation jusqu’à 400°C. Ces renforts répondent aux besoins spécifiques du projet INCREASE.

Ces renforts intègrent des propriétés de perméabilité permettant l’utilisation des résines thermoplastiques. Ces multiaxiaux améliorent la performance et autorisent une grande liberté de construction en terme d’orientation des fibres et donc de déformabilité. 

3. Analyse de la mise en forme de la préforme NCF

L’injection a été réalisée sur une préforme en NCF (Non Crimp Fabric). Le comportement mécanique de ces NCF a été  modélisé en prenant en compte la définition du point de couture du renfort. Cette loi de comportement est utilisée dans la simulation de la mise en forme d’une pièce test (automobile) (Figure 4).

Figure 4: Simulation de la mise en forme d’une préforme test réalisée en NCF

 

4. Unité de production échelle pilote

Une unité de production pilote a été implantée sur le site d’IPC (Bellignat) autour d’une presse horizontale électrique bi matière Billion de 600t et d’un moule à 2 postes (400°C).

Figure 5 : Conception de l’unité de production pilote

Cette unité permet de déposer une préforme 3D préchauffée (IR) dans le poste d’imprégnation préalablement porté à sa température de travail par un système inductif manipulé par un bras de robot.

L’induction a pour bénéfice principal de chauffer très rapidement les surfaces moulantes de l’outillage.

Figure 6 : Four IR & Inducteur de chauffe du moule

Un moyen de refroidissement rapide par eau permet d’amener l’outillage instrumenté à la température d’éjection de la pièce afin de la transférer dans un second poste pour effectuer un surmoulage de parties techniques.

Figure 7 : Skid de refroidissement & moule à 2 postes

Des simulations d’échanges thermique ont permis de dimensionner les différents composants de chauffe et de refroidissement, ainsi que de confirmer une faisabilité de temps de cycle optimisé.

Les empilages de tissus sec sont transformés à chaud par un outil de d’estampage et une presse verticale localisée sur le site IPC de Laval. Cet outillage permet d’obtenir des préformes qui sont ensuite placées dans le moule d’imprégnation et de surmoulage.

Figure 8 : Moule de préformage & préformes

En conclusion, Il a été démontré que le procédé de Compression-RTM TP peut être développé pour la fabrication haute cadence de pièces composites structurales avec un taux élevé de fibres (> 50% vol.) et un temps de cycle contrôlé (t ~5 min). Cependant, une compréhension des divers paramètres procédé et matériaux est à développer pour atteindre la maturité nécessaire.

LISTE DES PRINCIPAUX livrables

  • Nouveaux renforts textiles (Chomarat)
  • Nouvelles formulations de résines (PA 6 haute fluidité et résine de surmoulage) (Solvay)
  • Moule doté d’un système de chauffe par induction extérieure (Pernoud, IPC)
  • Presse 600 tonnes Bi-matière (Billion)
  • Protocole de test de perméabilité après formage des pièces 3D (GeM)
  • Banc de caractérisation pour prévoir les déformations qui pourraient avoir lieu pendant l’injection (système équipé d’une caméra pour visualiser ce qui se passe) (GeM)
  • Construction d’une base numérique pour définir une vitesse optimale de compression (GeM)
  • Outil de modélisation pour simuler la mise en forme des fibres dans la pièce en fonction du type de couture (LAMCoS)
  • Mesures de déformabilité des renforts et étude de traitements de surface pour améliorer les propriéts d’interfaces fibres / Matrice (IFTH)
  • Pièces prototypes composites (IPC) rehausseur de siège de camion

Figure 9: Prototype composite de rehausseur de camion

CONTACTS:

 

Projet labellisé par PLASTIPOLIS et co-labellisé par AXELERA et TECHTERA