Les poteaux à enroulement filamentaire offrent une grande souplesse de conception

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Mitaş Group (Ankara, Turquie), fabricant de pylônes en acier, de poteaux de distribution et de transmission et de structures de sous-stations pour le marché de l'énergie, a investi dans une ligne de production d'enroulement filamentaire pour la fabrication de poteaux électriques composites. L'équipement prêt à l'automatisation, avec une capacité de fabrication de 1 000 poteaux par mois, fait de Mitaş l'un des premiers fabricants turcs de poteaux électriques composites et permet au groupe d'élargir et de diversifier sa gamme de produits existants.

Mitaş a été créé par le gouvernement turc en 1955 pour aider à construire l'infrastructure énergétique du pays. Au cours des années suivantes, la propriété publique a progressivement diminué et, en 1990, l'entreprise entièrement privatisée Mitaş s'est lancée dans une stratégie d'expansion internationale. Aujourd'hui, le groupe dispose de neuf sites de production répartis sur quatre sites en Turquie et en Italie et exporte en Amérique du Nord, en Europe, en Afrique et au Moyen-Orient. L'usine de poteaux Mitaş à Ankara a une capacité de production annuelle de 30 000 tonnes métriques et produit des poteaux en acier galvanisé de 12 à 50 mètres de long pour les lignes de transport et de distribution d'énergie, l'éclairage, les téléphériques aériens, les télécommunications, la signalisation, les drapeaux et autres applications. L'amélioration de l'esthétique et la facilité d'installation sont les principales priorités des clients pour la conception de nouveaux poteaux.

La décision d'investir dans des installations de production de composites a été officialisée il y a environ trois ans. "Mitaş est essentiellement une entreprise sidérurgique de 60 ans d'existence, mais depuis quelques années, il a toujours été à l'esprit de rechercher des matériaux alternatifs offrant une installation plus facile et une maintenance réduite ", explique Sezgin Üstün, directeur des opérations, Mitaş Composites Inc. "Nous avons vu une tendance croissante du marché vers les poteaux composites légers en Amérique du Nord et en Europe, et à la mi-2016 nous avons décidé d'entrer sur le marché des composites."

Mitaş considérait également les poteaux composites comme un facteur de différenciation sur le marché très concurrentiel des poteaux en acier. Les pôles composites s'alignent également sur l'orientation de l'entreprise vers l'innovation en tant que voie vers la croissance mondiale de l'entreprise.

Les premiers poteaux électriques ont été fabriqués en bois, mais des poteaux en béton, en acier et en composite ont été introduits pour améliorer les performances et la durabilité. L'acier est maintenant le matériau dominant, car les poteaux en acier offrent un rendement plus élevé et une durée de vie plus longue que le bois, et éliminent les préoccupations concernant l'impact environnemental des agents de préservation utilisés pour traiter les poteaux en bois. Cependant, les poteaux d'acier sont encore relativement lourds et coûteux à transporter et à installer, et ils sont galvanisés ou revêtus pour améliorer leur résistance à la corrosion, ce qui augmente les coûts d'entretien initiaux et à long terme.

Les poteaux composites offrent des avantages en termes d'installation, de fiabilité, d'entretien et de durée de vie par rapport aux autres matériaux de poteaux, et sont particulièrement rentables pour les sites à accès limité et où la corrosion est une préoccupation majeure. Les poteaux composites pèsent généralement 35 à 50 % de moins que les poteaux en bois et en acier, ce qui réduit les coûts de transport et facilite et accélère l'installation. Les poteaux composites peuvent être transportés et assemblés à la main - sans avoir besoin d'équipement de levage lourd - ce qui permet de réaliser des économies importantes pour les installations dans des espaces urbains restreints, des endroits éloignés ou des terrains difficiles d'accès sans accès routier. Les poteaux composites sont conçus pour une durée de vie de plus de 70 ans et ne nécessitent généralement pas d'entretien périodique. Ils sont recouverts d'un revêtement qui les protège des rayons UV, ne pourrissent pas et ne se corrodent pas et sont à l'abri des menaces naturelles qui pèsent souvent sur les poteaux en bois, comme les termites et les pics. Ils ne sont pas affectés par l'air salin et l'humidité dans les environnements côtiers et humides, où l'acier peut avoir besoin d'un revêtement régulier, et ne lessivent pas de produits chimiques dans l'environnement. Les poteaux composites favorisent les stratégies de durcissement du réseau électrique en offrant une plus grande résilience aux charges extrêmes générées par des conditions météorologiques extrêmes. Grâce à leur rigidité diélectrique élevée, les poteaux composites sont également plus sûrs pour les travailleurs et absorbent plus d'énergie sous impact que l'acier ou le bois, ce qui réduit les dommages causés aux véhicules dans les accidents de la route.

Malgré ces avantages, les poteaux composites représentent actuellement moins de 1 % de l'ensemble du marché des poteaux de services publics, selon la firme d'études de marché Lucintel (Dallas, Texas, États-Unis), mais leur part devrait passer de 228 millions $ en 2018 à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,7% pour atteindre 318 millions $ en 2024. Cela sera stimulé par la demande croissante des projets d'infrastructure, le remplacement des poteaux en bois et les avantages des poteaux composites par rapport au bois, à l'acier et au béton en termes de performance. Le transport et la distribution d'électricité représentent actuellement environ 71 % du marché mondial des poteaux composites, mais le segment de l'éclairage (23 %) devrait connaître un taux de croissance relativement plus élevé, alimenté par le remplacement des matériaux traditionnels.

Lucintel prévoit que le bobinage de filaments restera le procédé dominant utilisé pour fabriquer des poteaux composites au cours des cinq prochaines années en raison de son aptitude à la production de gros volumes, de sa capacité à travailler avec plusieurs résines thermodurcissables et de sa flexibilité pour fabriquer des poteaux cylindriques, ovales et coniques. La pultrusion, qui se limite à la fabrication de poteaux de section constante (ou quasi constante), devrait connaître la plus forte croissance en raison de sa productivité plus élevée et de son coût moindre, tandis que la coulée centrifuge, qui offre une bonne esthétique, est limitée aux applications exigeant une performance mécanique relativement faible.

"Pour les poteaux coniques, il n'existe que deux méthodes de production en composites : l'enroulement filamentaire et la coulée centrifuge ", explique Üstün. "Nous avons choisi l'enroulement filamentaire parce qu'il utilise des fibres continues et que nous pouvons obtenir la rigidité et la résistance élevées requises pour les poteaux électriques. Le bobinage de filaments nous donne également la flexibilité de fabriquer d'autres produits - tubes, tuyaux ou autres structures - de sorte que nous ne sommes pas limités au marché des poteaux. Suite à des discussions avec des fournisseurs en Chine, en Europe et en Amérique du Nord, nous avons choisi de travailler avec Autonational en raison de ses technologies avancées, de sa flexibilité et de son adaptation à l'automatisation future."

Autonational Composites B.V. (IJlst, Pays-Bas) a été fondée en 1977 par deux ingénieurs spécialisés dans la conception de lignes de production industrielle. L'enroulement filamentaire a été fréquemment utilisé, et il y a cinq ans, il a été décidé de concentrer l'activité autour de cette technologie. Aujourd'hui, Autonational emploie environ 60 personnes, fournissant des bobineuses de filaments, des équipements auxiliaires de traitement et d'essai, des lignes de production intégrées et des solutions automatisées pour l'automobile, l'aérospatiale, les infrastructures et autres marchés. Selon Harry Fietje, directeur du marketing et des ventes, Autonational constate une demande croissante pour les lignes automatisées, qui représentent désormais 75% des ventes. Les demandes de devis pour les lignes de poteaux électriques sont également en hausse, dit-il.

"La ligne de production de Mitaş a pris environ trois mois pour être conçue ", note-t-il. "Ce n'était pas une ligne difficile pour nous, mais comme Mitaş était nouveau pour les composites, nous avons travaillé en étroite collaboration avec eux sur la conception des pièces et le choix des matériaux. Nous avons proposé une approche en deux phases pour s'adapter à leurs plans d'investissement et à la montée en puissance prévue de la production."

La première phase a consisté à fournir une ligne de production intégrée permettant une fabrication manuelle ou semi-automatique, basée sur deux longueurs de mandrins pour réduire la complexité et le coût de l'automatisation future. Ceci permet la fabrication de poteaux coniques en composite polyester renforcé de fibres de verre d'un diamètre minimum de 100 millimètres, d'un diamètre maximum de 600 millimètres et d'une longueur de 12 mètres ; et de poteaux cylindriques en composite époxy renforcé de fibres de carbone d'un diamètre maximum de 600 millimètres et d'une longueur maximum de 6 mètres. La ligne a une capacité de fabrication de 1 000 poteaux par mois. La deuxième phase du projet portera sur des fonctionnalités supplémentaires et l'automatisation.

Après deux mois de construction, Autonational a installé et mis en service l'équipement dans la nouvelle usine Mitaş Composites à Ankara en avril 2018, et a formé le personnel de Mitaş au fonctionnement des machines. L'usine de 17 750 mètres carrés abrite également une ligne de pultrusion et un laboratoire de recherche et développement.

La ligne de production se compose d'équipements modulaires pour l'enroulement des filaments, le durcissement, l'extraction des mandrins, l'usinage et le revêtement. Un pont roulant transporte les mandrins et les poteaux entre les machines, qui sont mis en marche par un opérateur et fonctionnent ensuite automatiquement sous leur supervision.

Pour livrer la fibre à l'enrouleur, Autonational a fourni deux unités de cantre/tensionneur. Un cantre à palettes pouvant contenir jusqu'à 16 câbles et 64 bobines, fournissant des tensions de fibres de 2 à 20 Newtons, est adapté à une production élevée avec de la fibre de verre. Pour des applications plus performantes avec de la fibre de carbone ou de verre, un cantre dynamique à tension servo-commandée permet d'obtenir des tensions de fibres précises de 5 à 50 Newtons. Ce cantre, basé sur une configuration modulaire de deux jeux de quatre bobines empilées, est positionné sur un rail relié au chariot de l'enrouleur de filament.

Mitaş se procure des matériaux en fibre de verre auprès de Şişecam (Istanbul, Turquie) et des fibres de carbone auprès de DowAksa (Istanbul, Turquie). La résine polyester est également disponible auprès de fournisseurs turcs, mais la résine époxy doit provenir de sociétés internationales.

L'équipement fourni par Autonational permet de stocker, pomper, mélanger et doser la résine jusqu'à l'enrouleur via un bac de trempage en résine. La fibre est acheminée du cantre au plateau de résine, qui peut être utilisé avec de la fibre de verre et de carbone. Chaque résine possède son propre insert de guidage de fibres, à base de 16 câbles pour le polyester et de 8 câbles pour l'époxy. Le plateau en résine est doté d'une mesure de niveau et d'un contrôle de température automatiques et est conçu pour fournir une bonne imprégnation des fibres et une fraction de résine constante.

La mèche imprégnée est guidée vers le mandrin à l'aide d'un outil standard d'alimentation en fibres sur l'enrouleur de filament monobroche à trois axes AMD SW 1000 d'Autonational. L'enrouleur utilise un contrôleur CNC Siemens Sinumerik 840D compatible avec la plupart des logiciels d'enroulement filamentaire. Selon le programme choisi, l'enrouleur dépose la mèche imprégnée de résine sur le mandrin rotatif à l'aide d'un chariot qui va et vient le long de l'axe du mandrin pour former des couches successives de renforcement. Le programme définit les orientations des fibres pour obtenir la résistance, la flexibilité et l'épaisseur requises. L'opération de bobinage dure environ 1 heure.

Une fois l'enroulement terminé, le mandrin et le poteau sont transportés vers un tampon d'entrée - une table navette - devant un four à charge chauffé électriquement. Lorsque le nombre de mandrins requis est atteint, le Shuttle est déplacé dans le four. Le four, capable d'une température maximale de 150°C, peut accueillir jusqu'à quatre pôles de 600 millimètres de diamètre ou 16 pôles de 100 millimètres de diamètre. Après le durcissement, qui dure environ 8 heures, la navette est remise hors du four dans une zone de refroidissement. Une fois refroidi, le pôle de la plaie est séparé du mandrin à l'aide d'un extracteur de mandrin hydraulique. Ce système peut traiter des longueurs de pôles de 6 à 12 mètres et des diamètres de mandrins de 100 à 600 millimètres. La force d'extraction maximale est de 100 kiloNewtons et l'opération prend généralement jusqu'à 20 minutes.

Le mât est ensuite transféré vers un centre d'usinage, qui est une modification de l'enrouleur de filament AMD SW 1000. Le guide fibre de l'enrouleur est remplacé par une unité de fraisage/ sciage, la tête et la contre-pointe sont équipées d'un outillage révisé et d'un logiciel de tournage/fraisage installé dans la commande CNC. L'unité est capable de percer, fraiser, rectifier et couper des poteaux coniques et cylindriques. Les opérations de perçage, de coupe et de finition de surface nécessaires prennent généralement 1 heure et le poteau retourne ensuite à l'enrouleur de filament AMD SW 1000 pour le revêtement. Pour cette opération, l'outil d'alimentation en fibre de l'enrouleur est remplacé par un pistolet pulvérisateur et l'alimentation en résine est commutée sur une couche de finition pigmentée qui protège le poteau des rayons UV. Ce processus prend 1 à 2 heures et le revêtement est laissé durcir à l'usine. Pour la production automatisée, une station de revêtement séparée serait ajoutée.

Mitaş a commencé à fabriquer des poteaux d'enroulement filamentaire en mai 2018 et fabrique maintenant une variété de produits incluant des poteaux de distribution électrique, des mâts d'antenne et des poteaux d'éclairage décoratifs. Les mâts coniques standard en fibre de verre varient de 12 mètres de long (diamètre intérieur supérieur 120 millimètres ; diamètre intérieur inférieur 273 millimètres) à 4 mètres de long (diamètre intérieur supérieur 62 millimètres ; diamètre intérieur inférieur 102 millimètres). Les poteaux peuvent être fournis dans une gamme de couleurs, avec tige opaque ou éclairée, et avec base et porte d'accès en acier ou composite. La fibre de carbone est utilisée dans les mâts de drapeaux ainsi que dans certaines applications sportives telles que les mâts de voile.

"Nous avons beaucoup de flexibilité ", note Üstün. "Nous pouvons produire des poteaux jusqu'à 12 mètres en un seul segment, avec des diamètres allant de 60 millimètres à 1 000 millimètres. Nous avons déjà une bonne quantité de mandrins pour nos conceptions standard, mais si le client a besoin de différentes options, en tant que producteur d'acier, nous pouvons facilement adapter les mandrins en interne"

"Autonational a conçu l'équipement pour une capacité de fabrication de 1.000 poteaux par mois, mais nous n'avons pas encore atteint cette valeur ", explique Üstün. "Jusqu'à présent, nous avons produit environ 1 000 poteaux, car nous en sommes au stade du développement du marché. Si dans un ou deux ans nous avons une demande assez forte, nous pouvons ajouter l'automatisation."

Les options d'automatisation comprennent l'ajout de systèmes logistiques tels que les monorails, les manipulateurs et les systèmes tampon de mandrins pour déplacer automatiquement les mandrins et les produits autour de la ligne de production, comme illustré dans la vidéo. Des fonctions de suivi et de traçabilité peuvent être intégrées aux produits pour enregistrer les variables de fabrication.

La ligne de production Mitaş pourrait fonctionner de la même manière, avec un transport entre les stations automatisées et des manipulateurs déplaçant les mandrins et les poteaux vers les machines ", explique Fietje, d'Autonational. "Toute la zone de production pourrait être clôturée avec un seul opérateur qui superviserait tout. Il pourrait être possible de produire un poteau fini toutes les 20 minutes au lieu des 80 minutes actuellement possibles."

Les retours sur les poteaux composites Mitaş' ont été positifs, selon Üstün : "Les clients aiment leur apparence. La légèreté des bâtons est également très intéressante pour eux car ils ne pouvaient soulever qu'un bâton de 6 mètres avec un seul homme. Un poteau en fibre de verre de 6 mètres pèse environ 15 kilogrammes comparé à un poteau similaire en acier de 35 kilogrammes ou plus."

"Une autre préoccupation que nous avons entendue de la part de clients est que les poteaux composites sont fragiles et qu'ils sont préoccupés par le vandalisme. Nous recevons ce genre de réactions de la part des clients - ils ne voient que le composite comme un plastique et il faudra un certain temps pour les convaincre. Nous prévoyons de poursuivre nos activités de développement marketing en participant à des expositions, en présentant des communications et, surtout, en travaillant à convaincre les autorités des pays cibles."

L'American Composites Manufacturers Association (ACMA, Arlington, Va., U.S.) a récemment annoncé une initiative visant à accroître la confiance dans les pôles composites. Le Standard Specification for FRP Composite Utility Poles, approuvé par l'ANSI et publié en mai, a été élaboré par le Conseil des structures de services publics et de communication de l'ACMA afin de fournir un point de référence unique pour les services d'électricité. Son objectif est de promouvoir une meilleure compréhension des différences entre les poteaux en composite, en bois, en béton et en acier et d'expliquer la fabrication, l'assemblage et l'installation correcte des poteaux en composite.