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#Actualités du secteur
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Innover dans les composites pour ouvrir de nouveaux marchés
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Des machines-outils aux jets d'entraînement, CompoTech développe de nouvelles solutions de conception et de procédés
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Bien que la base de l'entreprise soit certainement l'enroulement filamentaire, CompoTech a poussé ce procédé dans de nouvelles applications grâce à des concepts d'enroulement à broches, de surbobinage et d'outillage et matériaux innovants. Le résultat est une fluidité dans le processus qui atteint souvent de nouveaux niveaux de performance grâce à l'hybridation, par exemple, avec des métaux et des méthodes de fabrication comme l'impression 3D et sa propre version de la pose automatique de fibres (AFL).
CompoTech (Sušice, République tchèque) a été fondée en 1995 par Ondrej Uher et Vitek Sprdlik, respectivement directeur R&D et directeur technique. "À l'origine, ils ont construit une machine d'enroulement filamentaire pour la production d'arbres de pales de kayak et de canoë qui intégraient leur propre technologie d'enroulement axial de fibres à 0° ", explique Humphrey Carter, directeur du développement commercial de CompoTech. "C'est maintenant une compétence de base. Nous avons montré que cette construction produit des structures plus solides et plus rigides avec une plus grande résistance au flambement des fibres."
La société a également développé la capacité d'enrouler des cerceaux composites intégraux pour les connexions. Ils sont utilisés dans des pièces allant des longerons de deltaplane aux arbres de transmission et aux composants industriels. "CompoTech conçoit les machines et le logiciel de commande ", explique Carter. "Parce que nous avons le contrôle total du processus, nous pouvons mieux optimiser la conception. Nous développons la technologie de procédé sur mesure en fonction des critères de conception et la mettons à la disposition de nos partenaires technologiques ainsi que des concepteurs et producteurs de composites. Par exemple, nous avons concédé la technologie à Southern Spars/North Marine Group."
Conception de machines-outils
Actuellement, l'entreprise emploie environ 50 personnes, dont près de la moitié dans la conception et l'ingénierie. Elle entretient également des liens étroits avec l'Université technique tchèque (CTU) de Prague ainsi qu'avec l'Université de Bohême occidentale (Pilsen, République tchèque). CompoTech a développé des solutions composites pour une large gamme d'applications, y compris des rampes pour les équipements de pulvérisation agricole, des arbres pour les pointes d'éoliennes, des cadres et roues de bicyclettes, des tubes et cadres pour les pinces d'assemblage automobile et des composants légers pour portiques de découpe laser et machines CNC.
"Nous travaillons depuis le début des années 2000 dans le secteur de l'industrie et de la machine-outil en raison de sa prédominance en République tchèque ", explique Carter. "C'est une industrie très conservatrice qui ne connaît pas les composites. Ainsi, nous allons aux expositions de machines-outils et les éduquons." Cette industrie sait déjà que les vibrations des pièces en accélération et des surfaces de coupe, telles que les dents de fraisage, entraînent une réduction de la précision de l'usinage et de la durée de vie des outils. CompoTech explique que les harmoniques d'un outil de coupe - sa vibration basée sur la masse, la rigidité et les charges/forces appliquées - sont souvent le facteur limitant de performance et de productivité. On sait moins bien que le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) peut être utilisé dans la structure des machines et des porte-outils pour réduire la masse et augmenter la rigidité de l'acier. En utilisant la fibre de pitch, CompoTech rapporte une réduction de poids de 25% et une augmentation de rigidité de 200% (400 GPa obtenus avec la fibre unidirectionnelle), respectivement. Ce sont les deux principales façons d'augmenter la fréquence propre d'une structure et de prévenir la résonance. C'est à ce moment que la structure vibre d'elle-même, ce qui aggrave les problèmes des pièces rotatives et des machines à vitesse variable déjà sujettes aux vibrations.
"L'utilisation de notre procédé CFRP réduit également la dérive des machines-outils par rapport aux composites autoclavés parce que nous induisons moins de stress thermique ", ajoute M. Carter. "Les porte-outils sont souvent des poutres longues et minces qui peuvent changer avec le temps, selon leur conception et la composition des matériaux. Cela affecte alors la position relationnelle de l'outil, réduisant sa précision."
Pour l'amortissement, CompoTech est allé au-delà des propriétés inhérentes aux composites de fibres et de polymères pour être le pionnier de l'inclusion d'autres matériaux, fournissant 12 à 20 fois l'amortissement de l'acier, contrant directement les vibrations et agissant pour accélérer sa dégradation (voir graphique ci-dessus). "Nous avons plus d'une décennie d'expérience dans la conception de composites amortis pour obtenir les propriétés et les performances souhaitées ", explique M. Carter. Un exemple est la nouvelle conception du mandrin de serrage de la pièce, qui nécessite beaucoup moins de force de serrage qu'un mandrin en acier. Un autre est le montage modifié pour la rotation d'un carter de turbine basse pression (LPT) de moteur d'avion en alliage Inconel 718 difficile à usiner. Développé dans le cadre du projet INTEFIX financé par l'UE, CompoTech a développé des anneaux en CFRP pour remplacer les anneaux métalliques utilisés comme localisateurs dans le luminaire. Il n'en résulte aucune perte de rigidité ou de fonction tout en améliorant le comportement de la pièce et les performances d'usinage. En effet, le dispositif a été rendu intelligent, capable d'adapter le serrage de la pièce en fonction des besoins pendant le processus.
CompoTech travaille également sur une boîte de vitesses hybride métal/composite pour véhicule électrique, visant à réduire la masse de 25 % et à réduire le bruit en augmentant la fréquence propre et l'amortissement. Ce projet (2016 à octobre 2019) est réalisé en collaboration avec l'Université technique tchèque (CTU) de Prague, l'Institut coréen des machines et matériaux (KIMM, Daejeon, Corée du Sud) et Samyang Reduction Gear Co. Ltd (Inchon, Corée du Sud). Le corps principal de la boîte de vitesses sera en composite avec des inserts métalliques pour les surfaces d'appui. CompoTech a conçu et fabriqué les boîtes de vitesses supérieure et inférieure, ainsi que les arbres de transmission. Toutes ces pièces sont composées de plusieurs pièces qui sont collées entre elles. La CTU a fourni les essais et l'analyse FE, tandis que les partenaires coréens du projet ont fourni les spécifications techniques et finiront, assembleront et testeront les boîtes de vitesses.
Aileron résistant au délaminage
Carter explique qu'une grande partie de la R&D que CompoTech effectue pour les machines-outils est ensuite appliquée à de nouvelles applications, comme l'aileron de l'avion d'entraînement AEROSPACE (Odolena Voda, République tchèque) L-39NG. "C'est une application exigeante, avec des pressions très élevées sur le bord de fuite ", dit-il. En plus des charges de vol, la version armée de l'avion subit des ondes de pression lorsque des fusées montées sur les ailes sont tirées. "Dans le cas d'une construction composite conventionnelle, il y a eu délaminage du bord de fuite des ailerons ", note M. Carter. "Nous avons éliminé toute liaison adhésive et avons plutôt créé une structure intégrale à l'aide d'un enroulement de filaments humides et d'un co-durcissement. Nous avons passé des mois à élaborer les étapes de conception et de processus. Tout d'abord, notre enrouleur assisté par robot est utilisé pour filamenter les quatre poutres caissons qui forment les longerons d'aileron. Ce sont des trapèzes, puis des formes en D sur les bords avant et arrière." Le bord de fuite est également muni d'une pièce séparée pour créer une surface plus aérodynamique.
"Nous assemblons ensuite toutes ces pièces sur leurs mandrins et nous les enroulons pour créer les surfaces extérieures sur les nervures longitudinales ", poursuit Carter. L'ensemble de la structure est mis sous vide et mûri à température ambiante avec un post-cuisson à 90°C.
Ce projet est un bon exemple de la façon dont nous travaillons avec un client pour développer la technologie et la conception du procédé. Notre idée n'est pas de produire en série des ailerons ou d'autres pièces. Nous produisions les machines et nos clients enroulaient les pièces." L'aileron est maintenant en vol et Aero Vodochody a un carnet de commandes de 4 ans pour les avions d'entraînement L-39NG.
En général, le procédé de bobinage par voie humide de CompoTech est basé sur la précision, ce qui permet de créer des filaments à la volée. "Nous utilisons surtout des résines époxydes et un durcissement à 100°C ", explique M. Carter. "Pour les applications nécessitant une Tg plus élevée, comme certains outils de fond de puits que nous produisons pour l'industrie pétrolière et gazière, nous pouvons durcir à 140°C."
Procédés nouveaux
Composite cellulaire 3D (3Dc) est le nom de CompoTech pour une série de procédés qui produisent un composite avec renforcement tridimensionnel. Cette construction permet d'obtenir une section transversale d'aspect cellulaire, ce qui permet d'obtenir une teneur élevée en fibres axiales dans la direction x, interconnectées avec les fibres dans les directions y et z, qui forment les parois cellulaires. Nous avons créé ce procédé pour les pièces épaisses qui nécessitent une très grande rigidité axiale ", explique M. Carter. Cette rigidité est créée par la très haute teneur en fibres (axiale) de 0°. Les parois des cellules supportent également la charge de cisaillement à travers la section via les parois des cellules et permettent de réaliser des sections plus intéressantes, telles que la rainure en T montrée ci-dessus.
La société propose également des mandrins et des supports d'impression 3D pour répondre aux exigences de torsion et de fréquence propre sans laminés plus épais. "C'est un autre projet en collaboration avec la CTU, dit Carter, où nous développons la conception interne automatisée des structures Il note que l'enroulement composite thermoplastique décolle massivement. "C'est notre prochaine étape, combiner notre bobinage en thermoplastiques avec l'impression 3D et utiliser le pliage pour créer des outils de moulage innovants pour les composites ainsi que des structures de machines-outils
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