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Plastique fantastique !

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Les thermoplastiques sont largement considérés comme l'avenir des composites, mais les taux d'adoption sur le marché de l'aérospatiale sont encore relativement faibles. Andy Whitham, de Cygnet Texkimp, explique ce que ce domaine a à offrir aux fabricants de l'aérospatiale et ce que l'entreprise fait pour développer les capacités thermoplastiques du marché.

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Cygnet Texkimp est un constructeur de machines à façon spécialisé dans les technologies de traitement des fibres pour les marchés des composites, notamment le préimprégné, le revêtement, le laminage, la découpe et le bobinage de filaments. Notre société est bien connue pour ses machines de traitement des fibres de carbone basées sur les principes de thermodurcissables - en effet, nous sommes l'un des plus grands fournisseurs de technologies de préimprégnés thermodurcissables à l'industrie aérospatiale mondiale.

Il y a six ans, nous avons commencé à développer une alternative à cette technologie en utilisant des thermoplastiques. Notre chaîne de fabrication de thermoplastiques peut traiter toute une gamme de polymères, dont le nylon, le carbone et le verre, jusqu'au PEEK. Cette technologie a été mise au point pour fabriquer des feuilles de préimprégnés thermoplastiques qui peuvent être découpées en bandes et utilisées pour former des structures par enroulement filamentaire ou d'autres procédés de pose de bandes. Cette feuille thermoplastique complète d'autres machines de notre portefeuille, notamment l'enroulement filamentaire, l'enroulement 3D, la découpe et l'automatisation (chargement et déchargement).

Permettre à un plus grand nombre de fabricants aéronautiques d'explorer les thermoplastiques est un domaine passionnant de notre travail, mais il y a des défis importants à relever en cours de route.

La plupart des composites utilisés aujourd'hui dans l'aérospatiale sont basés sur la technologie thermodurcissable, et il est important de souligner qu'il s'agit toujours d'une technologie de pointe dont le développement se poursuit pour améliorer encore les matériaux et les procédés. Cependant, les avions les plus avancés au monde utilisent des structures composites basées sur des technologies thermodurcissables mises au point il y a plusieurs décennies.

Un thermodurcissable est une résine ou une colle qui est durcie au cours d'un processus chimique afin de modifier sa structure de façon permanente. Les composites thermodurcissables sont créés en combinant le thermodurc avec une fibre ou un mélange de fibres telles que le carbone ou le verre. Souvent, la fibre et la résine sont combinées dans une feuille pré-imprégnée de sorte que la teneur en résine puisse être contrôlée avec précision dans toute la structure finale.

C'est un tourbillon matériel

En revanche, les plastiques que nous voyons dans la vie quotidienne sont, presque sans exception, des thermoplastiques - des plastiques qui peuvent être fondus et refondus à plusieurs reprises. Ils sont relativement faciles à manipuler, possèdent toute une série de propriétés utiles, sont rapides à traiter et faciles à recycler. Alors pourquoi l'industrie des composites au sens large, y compris l'aérospatiale, continue-t-elle à opter pour un système que le reste du monde a laissé derrière lui dans les années 70 ?

Tout d'abord, les résines époxy utilisées dans la fabrication des composites thermodurcissables sont bien connues, et dans l'aérospatiale, c'est vraiment important. Après 50 ans de développement, la sécurité, la cohérence et la fiabilité des technologies thermodurcissables ont été largement prouvées. Une fois combinés avec la fibre et durcis, les thermodurcissables créent des stratifiés extrêmement solides. Il est important de noter qu'un système de résine époxy peut être fabriqué pour mouiller la fibre très efficacement, ce qui signifie que toutes les fibres sont revêtues et maintenues ensemble avec une quantité minimale de résine pour former une pièce composite vraiment solide et rigide. Cette rigidité n'est pas toujours souhaitable, mais au moins elle est comprise.

Cependant, les systèmes de résine époxy utilisés dans la production de composites thermodurcissables présentent des inconvénients indéniables qui sont de plus en plus pertinents - notamment la rapidité de fabrication, l'instabilité et l'impact sur l'environnement.

Il n'est pas pratique de fabriquer un grand nombre de pièces composites thermodurcissables en utilisant les techniques existantes. En effet, la fabrication à l'aide de la technologie thermodurcissable conventionnelle est un processus laborieux et compliqué par rapport aux techniques de production plus largement utilisées. Cela s'explique par les processus généralement longs nécessaires à la fabrication de pièces en thermodurcissable, qui impliquent des phases de durcissement et éventuellement de post-durcissement de plusieurs heures.

La stabilité du système de résine est également une préoccupation pour les fabricants. Dès qu'elle est mélangée, la résine devient chimiquement active et le compte à rebours de sa "durée de vie" (la durée pendant laquelle la résine active reste utile) commence. La gestion de la résine implique un investissement important dans des équipements de traitement supplémentaires, notamment des salles de mélange, des congélateurs, des autoclaves et des fours pour contrôler la vitesse de cette réaction chimique.

Enfin, l'impact environnemental des technologies thermodurcissables est une considération croissante. Outre la toxicité des produits chimiques utilisés dans la production des thermodurcissables, la pièce composite fixée chimiquement ne peut pas encore être facilement recyclée.

Dans tous les secteurs des transports, on constate aujourd'hui une volonté croissante de réduire le poids et donc d'améliorer l'efficacité énergétique. Des centaines de projets dans le monde entier tentent d'exploiter les avantages de la construction composite afin de réduire le poids des composants à un coût raisonnable et à un rythme de production exploitable.

Une solution proposée pour relever ces défis - qui rendrait les composites beaucoup plus attrayants dans un éventail beaucoup plus large d'applications - consiste à utiliser des thermoplastiques comme matrice au lieu d'une résine époxy. Il ne s'agit nullement d'une nouvelle méthodologie - des fibres courtes coupées sont utilisées pour modifier les propriétés des polymères depuis de nombreuses années dans les moulages par injection - mais elle offre certains avantages importants pour l'aérospatiale et d'autres marchés.

Par exemple, des améliorations significatives de la résistance aux chocs ou à la chaleur peuvent être obtenues plus facilement en choisissant un polymère approprié dès le départ pour équilibrer les besoins de performance et de coût.

Les thermoplastiques offrent une voie de fabrication de composites beaucoup plus rapide et plus rentable que les thermodurcissables, car il n'y a pas de réaction chimique à gérer. En effet, le polymère est simplement fondu et fixé pour créer un matériau préimprégné, par exemple, qui peut ensuite être refondu et fixé pour former des pièces de multiples façons.

Des économies de coûts et d'espace peuvent également être réalisées car une ligne de transformation des thermoplastiques à grande échelle a un encombrement considérablement réduit par rapport à une machine thermodurcissable classique. Il n'est pas nécessaire de disposer d'un équipement de mélange de résine, de machines de revêtement ou de rebobinage de papier, par exemple, pour la fabrication de composites thermoplastiques. Ils ne nécessitent ni four ni autoclave pour les traiter, ni équipement de manutention spécial pour les manipuler sur la chaîne de fabrication et en dehors de celle-ci, ni congélateur pour les stocker et les transporter.

Un autre point intéressant du point de vue de la construction de machines est que les lignes de transformation des thermoplastiques sont chauffées électriquement, ce qui constitue une alternative plus propre aux lignes conventionnelles de thermodurcissables utilisant des chauffages à huile et des refroidisseurs d'eau.

Quand la vitesse répond à la demande

Tout cela signifie que le processus de fabrication des préimprégnés thermoplastiques est nettement plus rapide que celui des thermodurcissables et donc potentiellement intéressant dans de nombreux secteurs différents. Mais il y a là un défi à relever : le rythme actuel de production de fibres de carbone dans le monde n'est pas suffisant pour soutenir l'adoption généralisée des techniques de transformation des thermoplastiques, ce qui signifie que les fabricants manqueraient rapidement de carbone. Il est difficile de spécifier un matériau qui ne peut pas être obtenu de manière fiable, ce qui étouffe la croissance. Comme il faut deux à trois ans pour mettre en place une usine de production de fibres de carbone, il s'agit d'un défi qui nécessitera des investissements considérables.

Comme je l'ai décrit précédemment, la certification des thermoplastiques est également un défi, et une raison majeure pour laquelle les thermodurcissables dominent encore dans l'aérospatiale. L'introduction de nouvelles technologies sur ce marché - en particulier pour la fabrication de pièces structurelles - est un défi qui ne peut être négligé. Toutefois, le marché des thermoplastiques pour les pièces non structurelles, telles que les sièges et leurs accessoires, devrait s'accélérer une fois que les techniques de production auront été affinées.

En termes de durabilité, les thermoplastiques offrent des avantages intéressants pour l'avenir. Par exemple, ils peuvent être soudés, ce qui est extrêmement important car cela signifie qu'ils peuvent être assemblés rapidement et facilement. Bien que l'assemblage mécanique de certains composants puisse encore être nécessaire pour satisfaire aux exigences réglementaires, ceux-ci peuvent être moulés dans le composant.

Ils sont également plus recyclables, ce qui leur donne un avantage croissant sur les thermodurcissables, car les composites commencent à se généraliser. Bien que le recyclage des composites n'en soit qu'à ses débuts, l'augmentation du volume des matériaux favorisera l'innovation et l'investissement dans ce domaine.

Dans l'intervalle, notre objectif est de travailler en collaboration avec davantage de fabricants aéronautiques pour développer la technologie thermoplastique de manière à soutenir leurs objectifs et aspirations spécifiques.

https://cygnet-texkimp.com

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