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Zéro déchet : Nouveau procédé, l'équipement recycle les abats de préimprégnés et de rubans adhésifs

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La technologie offre une approche durable à la réutilisation des déchets thermoplastiques précieux dans les stratifiés à base de copeaux.

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L'un des défis de la mise en kit de tissus préimprégnés ou de rubans unidirectionnels (UD) consiste à déterminer ce qu'il faut faire avec des garnitures trop petites ou dont les fibres sont mal alignées pour être réutilisées dans un autre projet. Bien que les logiciels d'imbrication et les coupeuses aient considérablement réduit les rebuts, les déchets de taille sont encore souvent envoyés dans un site d'enfouissement, ce qui augmente les coûts des matériaux et des pièces ainsi que la charge environnementale. Cependant, une société néerlandaise, Van Wees UD et Crossply Technology BV (Tilburg, Pays-Bas), aide à améliorer la durabilité en développant une nouvelle technologie - et les machines qui rendent possible - la réutilisation des déchets de bandes thermoplastiques.

Racines textiles

Fondée en 1945 et profondément enracinée dans l'industrie textile, Van Wees est un fournisseur de services complets qui conçoit, produit, installe et met en service des machines et des lignes de production pour produire des composites avancés (thermodurcissable ou thermoplastique, fibre de carbone ou de verre) en mettant l'accent sur des méthodes de production de grande qualité et à grand volume. La société fabrique des lignes d'imprégnation préimprégnées (y compris des cantres) - principalement pour les époxydes du côté thermodurcissable et pour des matériaux allant du polypropylène (PP) aux polyamides à haute température (PA) du côté thermoplastique - ainsi que des machines de pose de bandes UD multiaxes et à couches croisées qui peuvent traiter soit des bandes thermoplastiques ou thermodurcissables. Eltra Engineering BV (également à Tilburg), une société sœur, est spécialisée dans la technologie de l'automatisation industrielle et fournit des commandes électriques et des logiciels pour les machines Van Wees. dans son centre de recherche et de technologie (R&TC), Van Wees entretient des équipements de production pour son propre développement de processus ainsi que pour ses clients qui envisagent un système Van Wees, ou qui sont à l'affût de la mise en service de leurs machines en attendant la mise au point d'équipements. Ceci permet aux clients de produire des articles qu'ils peuvent évaluer ou, à leur tour, proposer à leurs propres clients pour évaluation. Par exemple, au R&TC, les câbles peuvent être tirés d'un cantre et les fibres étalées et imprégnées pour produire des rubans, qui peuvent ensuite être introduits dans les machines UD transversales ou multiaxiales de l'entreprise pour produire des stratifiés avec une variété de couches et d'orientations des fibres. (Les stratifiés croisés ont au moins deux plis orientés à 0/90 degrés et les stratifiés UD multiaxiaux ont au moins deux plis UD orientés à des angles autres que 0/90 degrés) Les stratifiés qui sortent de ces machines sont collés ensemble pour faciliter leur manipulation. Ils peuvent ensuite être découpés à l'emporte-pièce en préformes en forme de filet qui sont ensuite prêtes à être transformées en une pièce composite. Bien que les équipements de Van Wees se concentrent sur la production de rubans thermoplastiques UD, les machines peuvent être utilisées pour produire des rubans avec des matrices thermodurcissables et/ou des tissus plutôt que des renforts UD.

Il est intéressant de noter que c'est le problème de ferraille que Van Wees a rencontré lors de la fabrication de ces produits destinés aux essais des clients, ainsi que les demandes des clients, qui ont conduit les chercheurs de l'entreprise à développer un "procédé sans déchets" pour recycler les copeaux/abats de la production de préformes en utilisant des ébauches en fibres adaptées. En tant que service, l'entreprise offre à ses clients la possibilité d'évaluer ces ébauches thermoplastiques à base de copeaux et a déjà développé des équipements pour les produire commercialement à des volumes de production élevés

Lors des opérations de découpe de préformes en forme de filet (que Van Wees appelle "patches"), les déchets sont collectés et triés par type de résine et de fibre. Cette ferraille est de forme et de taille irrégulières, c'est pourquoi les découpeurs sont conçus pour produire des "copeaux" d'une taille maximale de 50 x 50 millimètres. Les copeaux hachés sont ensuite pressés dans une feuille consolidée (par compression ou moulage sous vide), ce qui donne un stratifié avec des fibres discontinues orientées de façon aléatoire. Aucune résine supplémentaire n'est nécessaire pour fabriquer la feuille, et seuls les copeaux contenant des résines chimiquement compatibles sont mélangés, bien que les copeaux renforcés de fibres de verre et de carbone puissent être combinés en fonction des propriétés souhaitées dans la partie finale qui sera formée à partir du stratifié à base de copeaux.

Étant donné que les fibres dans les copeaux individuels à l'intérieur du stratifié peuvent mesurer jusqu'à 50 millimètres de long et que l'orientation des fibres à travers la feuille est aléatoire, les flans 100% recyclés, sans déchets, sont conçus sur mesure et offrent une bonne rigidité et une résistance orthotrope, en particulier par rapport aux composés de moulage par injection à fibres courtes. Cependant, étant donné que les fractions de poids des fibres pour les faisceaux discontinus de fibres des stratifiés peuvent atteindre 50 à 70 % - avec des formulations initiales se situant dans la partie supérieure de cette fourchette - le matériau peut à peine couler dans une presse à compression. Par conséquent, pour remplir la géométrie 2.5D ou 3D, le stratifié à base de copeaux doit être surmoulé avec des fibres courtes ou même de la résine pure dans une machine de moulage par injection. Il peut également être co-moulé avec un matériau en fibre continue dans une presse de compression. Quoi qu'il en soit, le stratifié doit être préchauffé avant d'être moulé.

Il est intéressant de noter que Van Wees a constaté que les panneaux à base de copeaux offrent encore la moitié de la résistance à la flexion et du module de ses panneaux à couches croisées à fibres continues de haute performance dans la même configuration fibre et résine.

Le concept a fait ses preuves

Afin de démontrer les capacités de ses flans sur mesure sans déchets, Van Wees a réalisé plusieurs projets de démonstration. L'un d'eux était une poutre de raidissement/collision pour les panneaux intérieurs d'une portière d'une voiture particulière. Cet effort était basé sur le projet Lipa Series, qui a développé des pièces composites légères pour la production en série pour une gamme d'industries. Le consortium maintenant inactif basé à Büsslingen, en Suisse, s'est basé sur des technologies de base impliquant le préformage de composites organosheet/plastique thermoplastique à base de fibres de verre (GMT) et le remplissage arrière avec une résine renforcée de fibres dans une presse de moulage par injection.

La poutre de démonstration de Van Wees (une pièce utilisée pour passer les règlements sur les chocs latéraux et les intrusions) mesurait environ 650 millimètres de long, 110 millimètres de large, avait un mur nominal de 3 millimètres et pesait environ 450 grammes dans le matériau de référence, qui était un PA6 de 3 millimètres renforcé de tissu de verre. La pièce présentait également une structure en dôme au centre d'une hauteur de 40 millimètres. Les chercheurs de Van Wees ont donc tenté d'améliorer la performance globale dans la même épaisseur de paroi (puisque l'outillage existant a été utilisé), en un temps de cycle de moins d'une minute et avec zéro perte.

En collaboration avec plusieurs fournisseurs de polymères, Van Wees a produit ses propres rubans UD en utilisant plusieurs polymères et renforts - dont la fibre de verre/PA4/10, la fibre de verre/PP, la fibre de carbone/PP, et la fibre de verre + carbone / PP. Des composés de surmoulage par injection de fibres courtes assortis ont été produits par les fournisseurs de résine. La simulation a été utilisée pour évaluer le nombre et l'orientation des plis UD individuels pour les flans sur mesure afin de satisfaire ou de dépasser les exigences de performance. Ensuite, des rubans ont été utilisés pour produire des stratifiés à fibres continues, à partir desquels ont été fabriquées les poutres d'écrasement. Les résultats de l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) ont prédit que les flans sur mesure en fibre de verre/PA4/10 offriraient les meilleures propriétés à un coût inférieur à celui du tissu/feuille organique, ce que les essais physiques ont confirmé.

Pour explorer davantage les possibilités de réduire les déchets et les coûts, les chercheurs ont réutilisé les rebuts (environ 30 p. 100 des pertes de coupe) générés par la production de stratifiés de fibres continues pour produire des poutres de collision, recyclé ce matériau en stratifiés à base de copeaux de 1 mm d'épaisseur et utilisé ce produit comme couche centrale (pour remplacer trois couches UD) entre des "peaux" de matériau UD fabriqué sur la machine multiaxial UD. Il est intéressant de noter que lors d'essais préliminaires avec un échantillon de taille limitée, ils n'ont constaté que peu ou pas de perte de performance pour les stratifiés hybrides avec un mélange de renforcement continu et discontinu par rapport aux stratifiés renforcés en continu.

D'autres calculs effectués par l'équipe ont indiqué qu'il serait possible d'atteindre les objectifs de production de Van Wees de 2 millions de poutres de collision par an, en utilisant le procédé de surmoulage composite d'une minute développé par l'équipe Lipa Series. Compte tenu de la vitesse à laquelle les lignes de production d'ébauches sur mesure de Van Wees fonctionnent (1 800 pièces/heure sur la machine UD multiaxiale et 1 260 pièces/heure sur la machine à plis croisés), l'ajout d'équipements supplémentaires pour convertir les déchets en laminés à copeaux créerait un système de production sans déchets et ferait passer la production à 2,6 millions de pièces par an. Ironiquement, les machines de moulage par injection seraient l'étape limitant la cadence dans cette séquence de production - quelque chose qui n'arrive pas souvent.

Un autre projet à rotation rapide mené par des chercheurs de l'entreprise a consisté à développer des poignées de porte à face composite pour la salle de conférence du siège social de Van Wees. Les participants ont pu voir les encarts composites définitifs à la conférence sur le surmoulage des composites de l'an dernier.

"Le co-développement et l'innovation sont les forces motrices de l'industrie moderne ", note Rien van den Aker, directeur de Van Wees. "Nous pensons que le développement conjoint avec tous les acteurs de la chaîne composite est d'un intérêt primordial. Les métaux sont les concurrents de notre industrie et sont fabriqués de la manière la plus rationnelle. Ce n'est donc qu'avec des procédés et des équipements intelligents que nous pourrons introduire des produits composites légers dans des applications à grand volume." Il souligne qu'il faudra un effort conjoint des membres de la chaîne d'approvisionnement pour rendre possible la production sans déchets de pièces composites thermodurcissables et thermoplastiques. "Van Wees est heureux d'aider les parties intéressées dans le développement de produits et de processus ", ajoute-t-il.