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Nov 30, 2023

La technologie de placement de fibre sur mesure fait de la fibre de carbone une option plus viable

Les progrès de la technologie de placement de fibres sur mesure font de la fibre de carbone un plus

Les progrès de la technologie de placement de fibres sur mesure font de la fibre de carbone une option grand public plus viable. Moins cher, plus solide et beaucoup plus adaptable, les possibilités de fabrication sont vastes, comme l'explique Richard Harrington

L'ajout de «légèreté» est une méthode efficace pour augmenter l'efficacité et améliorer les performances. Les composites sont à la mode pour obtenir des résultats d'allégement, mais les améliorations récentes apportées au processus de placement de fibres sur mesure (TFP) élargissent encore les avantages traditionnels apportés par l'utilisation de la fibre de carbone, y compris une résistance accrue. Le TFP moderne réduit également les coûts et rend le composite adapté à une application plus large.

"Au-delà d'une poignée d'applications à faible volume, l'industrie automobile a constaté que la productivité relativement faible, les coûts élevés, le gaspillage de matériaux et les processus de fabrication à forte intensité de main-d'œuvre ont été prohibitifs pour une adoption à plus grande échelle de la fibre de carbone comme matériau pour les composants volumineux ou complexes", explique Julius Sobizack, directeur général deZSK , le fabricant allemand de machines à broder responsable des améliorations innovantes apportées au procédé TFP. "La TFP existe depuis les années 1990, mais ce n'est que maintenant que ses avantages sont extraits grâce aux progrès dans la manière dont les matériaux sont posés et à la compréhension de leurs propriétés complexes."

Essentiellement, TFP augmente le niveau d'automatisation associé à la fabrication de polymères renforcés de fibres de carbone (CRFP) tout en réduisant considérablement le gaspillage de matériaux. Bien que la TFP ait été une option attrayante au départ, elle n'a pas réussi à fournir les niveaux de productivité requis pour devenir une technique courante. Les mises à jour du processus promettent de résoudre ces problèmes et l'adoption est déjà de plus en plus répandue dans les fabricants de l'aérospatiale, de la défense, de la médecine, de l'énergie propre, des vêtements intelligents et des équipements sportifs.

La TFP offre une liberté pratiquement illimitée en termes d'applications et met les avantages des composites à portée de main. Par exemple, le CRFP peut être 10 fois plus résistant que l'acier tout en pesant un cinquième de plus. Cela se traduit par des économies importantes pour l'automobile et l'aérospatiale, en particulier. "Des études indépendantes montrent qu'une réduction de poids de 10 % peut entraîner une amélioration de 6 à 8 % de l'économie de carburant", explique Sobizack. « Les économies sont plus marquées dans l'aérospatiale, où selon un grand opérateur aérien, chaque kilo retiré de sa flotte d'avions permet à l'entreprise d'économiser 20 000 USD par an. Bien entendu, ces avantages sont parfaitement alignés sur l'exigence de réduction constante des émissions. »

L'un des inconvénients les plus évidents de la fibre de carbone est son coût. En utilisant des techniques de fabrication traditionnelles, les composants peuvent coûter 20 fois plus cher qu'une pièce en acier équivalente. Il est également inadapté aux formes complexes ou porteuses : les propriétés physiques des fibres de carbone ne sont extrêmement fortes que lorsque des forces sont appliquées sur leur longueur. Pour cette raison, les couches de fibre de carbone sont appliquées à différents angles pour renforcer la résistance d'un composant dans plusieurs directions, ce qui est difficile pour les formes complexes et demande beaucoup de travail. Chaque couche est découpée dans des feuilles de fibre de carbone, qui est souvent pré-imprégnée de la résine de la matrice (appelée « prepreg »), ce qui entraîne un gaspillage élevé d'un matériau coûteux - des taux allant jusqu'à 60 % dans certains cas. TFP répond directement à ces préoccupations.

TFP utilise des techniques basées sur la broderie pour fabriquer des composites. Contrairement aux méthodes de construction stratifiées traditionnelles, le TFP commence par le matériau de renforcement sous sa forme la plus solide et généralement la plus abordable : les fibres sèches. Sans plis à préparer avant la création de la préforme, l'étape de découpe est totalement supprimée. En déposant les fibres en place et en cousant périodiquement la couche de base, les déchets sont réduits dans la mesure où le taux de rebut de matière sur une pièce TFP est de l'ordre de 1 ou 2 %.

« L'un des principaux avantages du TFP est que les fibres individuelles peuvent être placées exactement selon les besoins, sans avoir besoin de plusieurs couches, ce qui donne aux concepteurs une liberté presque illimitée pour optimiser une structure en fonction des forces qui agissent sur elle », note Melanie Hoerr, responsable de la broderie technique chez ZSK. "Son niveau d'automatisation rend la TFP entièrement reproductible, ce qui minimise les variations de dimension, de densité ou de position des fibres, et élimine les erreurs humaines, garantissant des performances structurelles constantes.

"Grâce à ce procédé, des couches de fil peuvent être déposées sans les coudre au matériau de base à intervalles réguliers", poursuit-elle. "Pour maintenir la position, les couches peuvent être ancrées à quelques points clés, ce qui permet à la préforme de se déformer en formes 3D complexes lorsqu'elle est pressée dans un moule, ce qui donne une géométrie presque impossible à reproduire en utilisant d'autres méthodes automatisées. Cela permet à la fibre de carbone de devenir une option rentable pour les fabricants qui conçoivent des composants légers et porteurs tels que des composants de suspension, des éléments de carrosserie, des supports de montage et d'autres éléments structurels et semi-structurels qui auraient traditionnellement été fabriqués en acier ou en aluminium. Dans de tels cas, le gain de poids est considérable."

Avant la TFP, il n'a pas toujours été possible de satisfaire une gamme complète de conditions de charge avec des orientations de fibres fixes, même à travers l'accumulation de plusieurs couches. Chaque couche doit être découpée individuellement, souvent à partir de préimprégné, ce qui entraîne des déchets considérables et demande beaucoup de main-d'œuvre. Les matériaux préimprégnés ont également leurs propres nuances et barrières à l'entrée : ils doivent être conservés à basse température pour éviter le vieillissement de la résine thermodurcissable, et la technologie de découpe requise peut être complexe et coûteuse. Cela limite les possibilités de production de masse et augmente le coût des produits finis. En comparaison, les thermoplastiques qui sont généralement utilisés dans le cadre d'une matrice TFP peuvent être conservés à température ambiante et ont une résistance aux chocs bien améliorée par rapport aux résines thermodurcissables.

L'une des innovations de ZSK qui a entraîné l'évolution de l'accessibilité de TFP est l'introduction de sa technologie Fast Fiber Laying. Cette technique permet de déposer des couches intermédiaires de fil extrêmement rapidement et avec un minimum de points, en se concentrant sur l'ancrage et les changements d'orientation du fil. La couche supérieure est ensuite soigneusement cousue, fixant les couches inférieures. C'est beaucoup plus rapide que de coudre chaque couche à la couche de base à intervalles réguliers et complète l'empreinte de fabrication flexible inhérente à la TFP.

Le processus automatisé s'étend à la commutation entre les changements de fil ou de canette et est hautement évolutif. Chaque tête de machine ZSK peut déposer entre 1 et 3 kg de préforme en fibre de carbone par heure et peut gérer deux mèches de jusqu'à 60 000 fibres chacune. Les machines avec jusqu'à huit têtes peuvent créer des composants simultanément pour réduire considérablement le temps de cycle. La TFP est un concept simple, mais complexe à affiner. Les concepteurs doivent comprendre la simulation de drapage (où ajouter ou retirer du matériau pour s'assurer que les préformes 2D s'enfonceront avec succès dans une structure 3D) et où et comment les points doivent être appliqués pour une distorsion optimale et la résistance souhaitée. En raison de cette complexité, ZSK a établi des centres de recherche et de formation en Europe et à Seattle, aux États-Unis. Ces centres permettent aux ingénieurs de se familiariser avec le procédé, mais aussi de mieux comprendre son potentiel important.

"Les principes de la TFP peuvent être appliqués à plus que la simple fabrication de composites de carbone", conclut Sobizack. "Pour une gamme d'industries, une machine à broder à deux têtes, par exemple, peut être utilisée pour coudre un composant intégré tel que le câblage électrique, les éléments chauffants, les jauges de contrainte ou les antennes. Cela permet une utilisation plus répandue des textiles intelligents intégrés avec des éléments tels que les composants RFID. Même les systèmes de câblage complexes peuvent être brodés pour des applications telles que les intérieurs automobiles ou aérospatiaux de nouvelle génération ; le potentiel est vaste."