Simulation, fabrication et essai de pièces pour les nouveaux matériaux composites semi-finis Ultracom

L’idée de base est de mettre en place une plate-forme de développement intégrée qui entre en jeu dès la phase de définition du concept, se prolonge tout au long de la conception, la simulation, la fabrication et l’essai de la pièce et débouche sur la production optimisée en série chez le client. La composante de service du package Ultracom comprend une assistance à la conception sous la forme de l’outil de simulation Ultrasim, l’utilisation de la nouvelle cellule-pilote de fabrication pour la production de pièces composites ainsi que des équipements complets et fonctionnalités étendues pour tester les pièces chez BASF.

BASF se dote d’un système de production de composites hautes performances
Afin d’approfondir son savoir-faire et de prodiguer une assistance optimale à ses clients dans le développement de pièces, BASF a installé un système de production de composites hautes performances dans son centre technique de fabrication thermoplastique. Depuis mars 2013, cet équipement a été utilisé pour produire des spécimens d’essai en composites multifonctions par formage in-mold / surmoulage.

Cette technique représente l’approche la plus prometteuse pour obtenir des composants structuraux à partir de laminés et de compounds moulés par injection : Le formage du laminé (plaquage ou formage in-mold) a lieu dans le moule et est suivi par un surmoulage. Chauffer le laminé à l’extérieur du moule permet de réduire considérablement le temps de cycle puisque les étapes de fabrication se déroulent en parallèle. Cette technique requiert toutefois une manipulation et un positionnement fiable de l’insert laminé chauffé qui perd sa rigidité par l’action thermique.

Développement de matériau, de techniques de fabrication et de pièces avec CIFO
Afin d’explorer tous les aspects de la conception des pièces en composite grâce à cette nouvelle cellule-pilote de production, BASF a également développé sa propre pièce pour réaliser les essais : Baptisée CIFO (acronyme de l’anglais Combination of in-mold forming and overmolding), ce spécimen multifonction est destiné à étudier et développer en commun des pièces composites renforcées en fibres continues pour la production en grandes séries. Il mesure environ 40 cm x 40 cm pour une hauteur de 4,5 cm et se compose de laminés de  1,5 mm d’épaisseur ainsi que d’éléments fonctionnels comme les nervures et coins dont l’épaisseur peut atteindre 3 mm. Réunissant une vingtaine de fonctions individuelles, il permet de reproduire les propriétés caractéristiques et problèmes associés à la fabrication de composites en conditions réelles. La pièce présente plusieurs particularités, parmi lesquelles des coins surmoulés, de longs canaux d’écoulement pour le remplissage jusqu’au bord et des perforations ou des trous formés servant d’éléments de montage. Elle comporte en supplément une rangée nervurée destinée aux études sur les impacts, toute une série de transitions d’épaisseur nervures / paroi entre le laminé et le matériau surmoulé, des « points de suture », c.-à-d. des endroits dans le laminé à travers lesquels le matériau est injecté et un support avec profilé en U rainuré. Les pièces CIFO produites ne nécessitent aucune autre étape de fabrication. Elles sont complètement surmoulées et aucune opération de finition post-moulage n’est requise.

Le moule (fourni par Georg Kaufmann Formenbau AG) pour la production de la pièce CIFO est ultra flexible grâce à l’utilisation d’inserts interchangeables, notamment pour étudier les limites de formage d’un laminé. Le moule est également conçu pour permettre une manipulation simple et précise du laminé au moyen d’un cadre de serrage : ce dispositif libère le laminé de façon contrôlé lorsque le moule se ferme.

Nouvelle cellule de fabrication avec robot opérant sur six axes pour le développement des composites
La cellule de fabrication installée à Ludwigshafen pour la production en conditions quasi-réelles de pièces en composite thermoplastique renforcée en fibres continues comporte non seulement plusieurs convoyeurs, un magasin contenant le laminé découpé et une station de chargement manuel pour inserts de dimensions spéciales, mais également :

• un robot opérant sur six axes comme élément central,
• une station pour l’insertion automatique du laminé dans le cadre de serrage par le robot,
• un poste de chauffage infrarouge, (tous fournis par FPT Robotik GmbH & Co.KG, y compris l’automatisation et la programmation),
• et une presse hydraulique de moulage par injection (KraussMaffei KM 300 1400C2, force de serrage 3000 kN) à commandes pour le canal chaud et les extracteurs de noyaux ainsi que des interfaces vers le robot et le poste de chauffage.

Un processus entièrement automatisé – une simultanéité très élevée – un temps de cycle réduit
La séquence de fabrication dans la nouvelle cellule de production de composite offre une simultanéité très élevée pour un temps de cycle le plus court possible. Grâce à ces performances, trois cadres de serrage pour la manipulation du laminé sont utilisés simultanément dans la cellule. Les étapes traversées par chaque cadre de serrage individuel incluent :

• insertion du laminé dans le cadre de serrage,
• chauffage du laminé thermoplastique,
• chargement du cadre de serrage dans le moule d’injection,
• formage (plaquage) et surmoulage du laminé,
• retrait du cadre de serrage et de la pièce finie,
• et placement de la pièce sur le convoyeur et du cadre de serrage sur la station d’insertion de laminé.

Tandis que le premier cadre de serrage stationne dans la presse de moulage par injection, le second positionne le laminé dans le four infrarouge (jusqu’à 250°C) et le troisième est prêt pour l’insertion d’un nouveau laminé. Le robot charge automatiquement le laminé dans le cadre de serrage avec une haute précision et une reproductibilité élevée. Le bras manipulateur est équipé de ventouses permettant d’insérer le laminé et de retirer les pièces en douceur lors de la manipulation du cadre de serrage.

De nombreux essais ont démontré que des temps de cycle d’une minute sont réalisables grâce à cette cellule de fabrication. Cette durée équivalente à celle d’un processus standard de moulage par injection permet de satisfaire l’une des principales conditions préalables à une utilisation dans la production en grandes séries.

Conception de composites avec l’outil de simulation Ultrasim
Second composant du package de service Ultracom, l’outil de simulation Ultrasim a bénéficié d’une extension de ses fonctionnalités. Il comporte désormais des méthodes de simulation intégratives permettant de calculer et de prédire en toute fiabilité le comportement de composants en laminés thermoplastiques renforcés avec des textiles tissés en fibres de verre ou des rovings et du polyamide surmoulé chargé en fibres de verre courtes. Ces fonctionnalités de simulation ont été décrites et utilisées pour la première fois pour le baquet de siège de l’Opel Astra OPC.

La simulation intégrative proposée par BASF englobe le processus de fabrication de la pièce en plastique moulé dans le calcul du comportement mécanique de la pièce. En faisant appel à une simulation rhéologique FE (calcul des structures par éléments finis) et du processus de moulage par injection et à une simulation en 3D de l’opération de plaquage du laminé renforcé par fibres continues, l’orientation des fibres anisotropes dans chaque zone concernée de la pièce moulée est transférée (reproduite par mappage) à la région correspondante de la pièce mécanique. Pour les zones renforcées par fibres continues, une description numérique inédite du matériau est utilisée par Ultrasim en tenant compte exactement des propriétés-types des matériaux thermoplastiques renforcés dans l’analyse mécanique : anisotropie, non-linéarité, vitesse de cisaillement, asymétrie tension-compression, dépendance thermique et différents facteurs de fragilité.

La conception de la pièce, c.-à-d. la sélection et le positionnement corrects des fibres renforcées et du produit semi-fini (rovings à renfort unidirectionnel ou laminés à renfort bidirectionnel), est tout aussi importante que la description exacte du comportement du matériau dans chaque zone. Les ingénieurs de développement Ultrasim travaillent sur l’amélioration des méthodes d’optimisation déjà opérationnelles. L’assistance réputée et reconnue qu’offre Ultrasim dans le domaine des matériaux renforcés par fibres de verre courtes seront désormais accessibles pour la nouvelle classe de matériaux Ultracom renforcés par fibres continues qui vient de voir le jour.

Essai expérimental – le laboratoire se dote d’un scanner
Des équipements d’essai très diversifiés, incluant le savoir-faire technologique, sont mis à contribution pour réaliser des études expérimentales sur les spécimens, échantillons et nouvelles pièces composites. Le scanner tomographique qui vient tout juste d’être inauguré permet désormais de tester les échantillons de matériau, pièces et raccords en utilisant des méthodes inédites : le scanner offre une imagerie exploratrice détaillée des structures internes et propriétés des composites par une technique non-destructive inégalée par d’autres systèmes.

Les autres équipements d’essai incluent notamment l’exposition à long terme à certaines températures, environnements et liquides ainsi que des expériences impliquant des forces quasi-statiques, dynamiques ou instantanées et des pressions intrinsèques. Certaines structures de pièces individuelles peuvent être soumises à des contraintes ciblées de traction, compression flexion ou torsion – à différentes températures. En complément, le laboratoire d’essai est responsable de l’étude et de l’optimisation des technologies d’assemblage comme le soudage, le collage adhésif ou le boulonnage – un aspect indispensable pour la conception de pièces composites thermoplastiques à partir de multiples matériaux.

Pour le client : développement de pièces avec l’assistance BASF
En combinaison avec la simulation et l’essai de pièces, la nouvelle cellule de fabrication est désormais au service des projets spécifiques des clients. En plus du moule, le bras manipulateur et les cadres de serrage doivent être conçus pour la pièce particulière du client et la cinématique du robot modifiée en conséquence. Actuellement, la plupart des projets portent sur des laminés comme produits semi-finis. Au salon K 2013, les utilisateurs pourront découvrir des rovings anisotropes consolidés pour former des films. Les premiers projets de clients sont déjà en cours. L’interaction optimale sous le même toit entre le développement d’application, la simulation, les technologies de fabrication et le laboratoire d’essai garantit au client une assistance globale tout au long de la chaîne de fabrication : de la caractérisation du matériau à la production de pièces en grandes séries. De cette façon, les pièces composites peuvent être développées conjointement avec une extrême efficacité.

Plus d’information: www.basf.com