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Composites, montez en cadence

LUDOVIC FERY lfery@industrie-technologies.com

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Composites, montez en cadence

Modélisation de la structure interne d'une aile d'avion réalisée en matériau composite.

© D.R.

Après l'aéronautique, les composites conquièrent les secteurs de la grande série, comme l'automobile et l'éolien. Mais pour monter en puissance, il faut repenser la conception, optimiser les procédés et faire appel à l'automatisation. Le tour des questions et des solutions pour le passage aux grands volumes de production.

Difficile d'imaginer s'en passer. Du fait de certaines restrictions, notamment européennes, l'automobile doit s'alléger pour consommer moins de carburant et émettre moins de CO2. Il est estimé qu'une voiture doit perdre entre 220 et 230 kilogrammes d'ici à 2020 pour se mettre en adéquation avec la réglementation. Les composites, qui combinent forte résistance mécanique et faible densité, s'imposent comme matériaux de choix. Ils s'allient à l'acier ou l'aluminium pour former une même pièce, ou en deviennent l'ingrédient principal à l'instar de la future BMW i3, une auto tout électrique de série, qui sera équipée d'un habitacle 100 % en fibres de carbone. Mais les outils de production, toujours en phase d'apprentissage, ne sont pas encore prêts à assembler plusieurs dizaines de milliers de véhicules par an.

1. Maîtriser les fibres complexes

« Nous produisons déjà plusieurs milliers de pièces par jour à partir de matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables », explique Jean-Paul Moulin, directeur de ligne produits de structure et carrosserie chez Plastic Omnium. Des pièces structurales, comme les hayons de certains modèles chez Peugeot et Land Rover, sont composées d'un matériau hybride combinant ces deux types de composites, environ 30 % plus légers que l'acier. « En termes de production, l'enjeu actuel se situe du côté des composites haute performance, qui permettront une économie de poids d'une centaine de kilogrammes par véhicule d'ici à 2017 », estime Jean-Paul Moulin.

Que sont ces composites particuliers ? Claude Despierres, responsable vente et marketing pour les marchés Industrie en Europe au sein du groupe Hexcel, précise : « Pour moi, on parle plutôt de résines performantes du type époxy pour les thermodurcissables, mais dans tous les cas avec une teneur en fibres de carbone, de verre ou d'aramide d'au moins 50 % ». Les thermoplastiques, pas encore matures pour fabriquer rapidement des pièces performantes, sont en général exclus.

Les composites à haute performance sont davantage des thermodurcissables qui intègrent, non pas des fibres courtes, mais des fibres longues ou continues. Cette composition constitue d'ailleurs un premier obstacle à la montée en cadence, car les fibres doivent être travaillées avec soin : « Il est nécessaire de bien orienter les fibres continues afin de conserver ses bonnes propriétés mécaniques », souligne Christophe Champenois, responsable du pôle Ingénierie des polymères et composites au Cetim. Tissage, tressages 2D et 3D, les techniques de mise en oeuvre sont surtout manuelles, lentes et difficiles à automatiser. Suivant l'application, le choix du calibre de la fibre a aussi son importance. « La fibre de carbone 50K de SGL, qui contient 50 000 filaments par rouleau, correspond mieux aux contraintes de productivité de l'automobile que les fibres 6K ou 12K employées dans l'aéronautique », poursuit l'ingénieur.

2. Optimiser les procédés

Bien qu'ayant les temps de cycle les plus courts, les techniques de fabrication traditionnelles des composites - compression SMC, moulage par injection - ne sont pas transférables aux composites haute performance. Il existe en gros deux techniques concurrentes. D'un côté, le procédé RTM, pour injection par transfert de résine, et de l'autre, la compression-moulage. L'une comme l'autre ont une marge de progrès en vue de la grande série.

Pour le RTM, les opérations au sein du moule durent en général plusieurs minutes. « On peut imprégner la fibre soit avec une résine déclenchée, qui est la référence dans l'aéronautique, soit avec une résine réactive, c'est-à-dire le monomère dans un premier temps puis le catalyseur. Cette solution est plus rapide mais plus fastidieuse car elle nécessite d'optimiser les procédés », nuance Christophe Champenois. Les différents paramètres : temps de prise de la résine, temps d'écoulement de l'injection... doivent être ajustés pour coller au mieux au matériau. Reste deux obstacles de taille : le temps nécessaire à la cuisson de la résine, qui vient s'ajouter à celui de la polymérisation, et celui requis pour imprégner de grandes pièces, car proportionnel à la taille de l'élément. La réponse viendra peut-être du RTM haute pression, qui permet de gagner à la fois sur les temps d'injection et de cuisson.

Des progrès ont aussi été faits sur le moulage par compression. La résine, déjà imprégnée dans la fibre, mettait jusqu'ici un temps assez long pour durcir. Mais des composés époxy avec des temps de cycle très courts voient désormais le jour : Hexcel a ainsi commercialisé début 2011 une résine avec un temps de cycle complet de seulement deux minutes. La technique représentant un gros investissement matériel, elle n'est adaptée qu'à des volumes de production plutôt élevés. Elle est par ailleurs moins performante que le RTM pour réaliser des pièces fines en matériaux composites.

3. Maximiser l'automatisation

Qu'il s'agisse de fabriquer des pièces automobiles ou des pales d'éolienne, les industriels ont le même souci de fiabilité et de reproductibilité. Or, le travail des composites implique le contrôle de nombreux paramètres : vitesse de dépose des fibres, pression d'application, température de chauffe... « On ne peut exclure une variabilité liée à l'opérateur, et l'automatisation est nécessaire pour garantir qu'une pièce soit fabriquée toujours de la même manière », tranche Francis Sedeilhan, directeur de Compositadour, plate-forme technique qui propose aux entreprises des solutions clés en main de production des composites.

Certaines étapes fondamentales, comme le dépôt de fibres dans les moules, sont d'ores et déjà à l'heure de l'automatisation, grâce au développement de robots légers et flexibles. Les étapes intermédiaires, comme la manipulation de préformes ou leur insertion dans les outils, devront aussi être automatisées. C'est le modèle retenu par Gamesa pour assembler ses pales d'éolienne. Et qui s'avère payant, puisque le fabricant espagnol a réussi à tripler sa productivité.

Néanmoins, le point sur lequel butent encore les robots concerne l'usinage. Sur ces opérations - détourage, perçage, collage, soudage - qui génèrent des efforts importants, la précision n'est pas toujours au rendez-vous. « Les robots qui combinent haute flexibilité et précision en sont encore au stade de la R et D ; des progrès sont en cours sur le recalage des machines, via des capteurs d'effort ou de vision », témoigne Francis Sedeilhan. En attendant, des automates fixes peuvent s'avérer plus judicieux.

4. Contrôler la qualité au fur et à mesure

Un autre temps compressible de la fabrication de composites concerne le contrôle qualité. En fin de chaîne, des techniques non-destructives sont nécessaires- ultrasons, lumière infrarouge... - pour inspecter la santé du matériau ou la géométrie d'une pièce. « Comme dans toutes les applications automobiles, le contrôle qualité devra être intégré à toutes les étapes de la production des pièces, pour réduire au maximum le temps d'inspection final », explique Jean-Paul Moulin, qui rappelle que ces outils restent à inventer pour les composites à haute performance.

Surtout que, comme le souligne Claude Despierres, les critères qui importent pour l'automobile n'ont rien de commun avec ceux de l'aéronautique : « Il n'y a pas de recul sur le comportement dynamique des composites, notamment leur tenue aux chocs latéraux ou frontaux ». Quand de telles bases de données existeront, elles serviront non seulement à développer des outils de contrôle qualité plus efficaces, mais aussi à trouver les solutions à même de réparer ces matériaux.

Et si l'automobile prenait exemple sur le secteur éolien ? Les turbines, avant l'implantation, passent par une phase de certification très sportive : en quelques mois de tests, notamment vibratoires, elles subissent l'équivalent de vingt ans de vie dans leur environnement. De l'information dynamique à foison !

BREVETS

52 % des brevets pour composites déposés en Europe concernent le procédé, soit deux fois plus qu'aux États-Unis ou au Japon. Source : JEC

Deux techniques pour booster la production

1. INJECTION RTM Principe : elle consiste à imprégner, puis à cuire, sous pression dans un moule, une résine époxy sur une forme en fibres organiques ou minérales. Les plus : idéal pour mouler les pièces 2D comme 3D, investissement matériel assez faible Les moins : étape de cuisson, travail difficile sur les grandes pièces 2. MOULAGE PAR COMPRESSION Principe : la fibre de carbone ou de verre est déjà imprégnée de résine époxy, l'application de la presse chauffée va cuire la résine et figer le matériau dans sa forme définitive Les plus : faible temps de cycle, résine pré imprégnée Les moins : fort investissement matériel, pas idéal pour les pièces à géométrie simple

Trois pales d'éolienne fabriquées par jour chez Gamesa

En 2008, le géant de l'éolien espagnol, Gamesa, s'est associé au fabricant d'automates MTorres pour construire une ligne d'assemblage entièrement automatisée de pales d'éolienne. Tout, du design des pales aux différents procédés, en passant par le choix des matériaux, a été repensé. Des robots spécifiques ont été conçus : « Nous avons mis au point une machine de dépôt de fibres de verre dix fois plus rapide que celles utilisées traditionnellement en aéronautique. L'assemblage final des pales a aussi été automatisé, y compris l'application des adhésifs et du système de fermeture », se félicite Antonio de la Torre, directeur du développement des produits chez Gamesa. Après trois ans de mises au point et 100 millions d'euros d'investissement, la ligne est prête pour produire en masse, soit trois pales d'éolienne par jour.

Intégrer la chaîne de développement dès la conception

Réaliser une pièce en composite c'est créer la pièce et la matière qui la compose en même temps. Il est donc primordial d'intégrer dès la conception des notions de process et de cadence de production. Selon les options choisies, l'architecture de la pièce sera différente. « On ne conçoit pas et on ne dimensionne pas une pièce de la même manière, si elle est produite en petite série en drapage manuel ou en moyenne série sur une machine 5 axes de dépose de nappes ou de placement de fibres », explique Philippe Savignard, responsable du domaine composites chez Dassault Systèmes. D'où l'intérêt d'utiliser une chaîne numérique 3D intégrée pour modéliser, dimensionner et simuler à la fois le comportement de la pièce en service et son process de production, afin de déterminer la nature, le nombre et la position de tous les plis de matériaux entrant dans la constitution de chaque point de la pièce. Aujourd'hui, le développement fait appel à un ''patchwork'' de logiciels dialoguant souvent difficilement entre eux. Ce qui n'aide pas à optimiser globalement la conception et la production. « Enfin, il faut aussi pouvoir intégrer dans ces chaînes toutes les contraintes d'assemblage, en termes de nature et de valeur, dues à l'environnement de la pièce, qui fait appel à d'autres matériaux que les composites. » JFP

À CHAQUE ÉTAPE DE PRODUCTION, SON ROBOT

LE DÉPÔT DE FIBRES Le robot à tête 8 axes du français Coriolis Composites est idéal pour déposer, de façon orientée dans un moule, des fibres de carbone. LA FABRICATION DE PRÉFORMES Avant l'injection, le tissu de fibres a souvent besoin d'être coupé aux bonnes dimensions. Des robots flexibles, avec des outils adaptés au travail des composites, voient le jour, comme ceux de la société Axiome. L'IMPRÉGNATION DE LA RÉSINE Dans une presse hydraulique, une machine RTM injecte la résine dans la préforme. Le recours à la hautes pression, comme chez l'allemand Kraussmaffei, permet d'accélérer les cadences. L'USINAGE Une fois cuit, le composite doit encore être usiné. Des projets comme Romobsys à Nantes, auquel participe la société Gebe 2, visent à développer des robots mobiles et autoguidés pour le détourage des pièces. LE CONTRÔLE QUALITÉ En fin de chaîne, le composite est examiné en profondeur. Le français Profile Contrôles Industriels vend des robots d'inspection de pièces complexes par ultrasons.

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