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Le lauréat de l’édition 2016 des « JEC World Innovation Awards » dans la catégorie RTM montre comment produire des structures composites creuses et complexes en grande série à prix compétitifs sur des machines automatiques. Le projet mené en commun par KTM Technologies, H2K Minerals, Teufelberger et BASF fait appel à une approche intégrée de la chaîne de fabrication – de la formation à la dissolution du matériau du noyau, en passant par la fabrication des préformes à partir de fibres de carbone tressées et par le moulage HP-RTM (moulage par transfert de résine à haute pression) au moyen de résines polyuréthanes réactives. Baptisé « Cavus », le projet a mis en œuvre une structure creuse à géométrie complexe comportant des parties évidées pour produire un guidon de VTT. Le démonstrateur de technologie combine les toutes dernières avancées en plasturgie à des matériaux arrivés à maturité dans un processus applicable à la production de masse de pièces allégées concurrentielles dans l’automobile et d’autres secteurs industriels.

Le projet a été lancé par KTM Technologies, qui a également accepté la responsabilité de la direction du projet, du développement des pièces, de la construction des moules et de la fabrication des pièces. Les matériaux destinés aux noyaux compatibles avec le procédé de moulage HP-RTM ont été développés et produits par H2K Minerals. La préforme en fibres tressées a été mise au point, optimisée et fabriquée par le spécialiste des pièces composites Teufelberger. BASF a assuré la simulation des procédés et fourni le système polyuréthane.

Une construction intégrée : du noyau à base de sable au composant creux prêt pour la production en série Le point de départ du composant est un noyau spécialement mis au point pour sa résistance à la pression et à la température. Composé de sable et d’additifs hydrosolubles, il peut être moulé en de nombreuses géométries différentes. Le préformage s’opère dans le cadre d’un processus de tressage de fibres de carbone entièrement automatique. La technologie de tressage permet de réaliser des géométries complexes avec un débit de production élevé. Comme le drapage est particulièrement bon, la préforme ainsi produite possède déjà les contours définitifs du composant fini.

Le procédé de moulage HP-RTM qui intervient ensuite se caractérise par des temps d’injection courts et un système de résine polyuréthane compact de BASF, offrant une haute réactivité pour réduire drastiquement le temps de cycle entre deux et trois minutes. La haute pression qui règne à l’intérieur du moule permet de mouiller complètement les fibres de carbone et de produire des géométries complexes de composants avec de plus hautes teneurs volumiques en fibre. La matrice polyuréthane à durcissement rapide Elastolit® R 8819 PU destinée au moulage de pièces composites renforcées par fibres continues possède des propriétés mécaniques exceptionnelles, notamment une excellente tolérance à la charge continue, aux chocs et aux sollicitations. Le logiciel de simulation Ultrasim® de BASF a contribué à optimiser la gestion du procédé et à réduire la charge mécanique du noyau pendant l’injection.

A la fin du processus de moulage, le matériau du noyau est dissout avec de l’eau, une méthode également utilisable pour les petites cavités de composants. En fonction de la méthode de fabrication du noyau, il est possible de réutiliser jusqu’à 98 % du matériau du noyau pour des opérations de production ultérieures.

Construction allégée du défi à la solution

Les structures composites creuses offrent un potentiel énorme dans la construction allégée. Les géométries complexes à diamètres variables et parties évidées constituent le principal défi. Leur fabrication nécessite encore une proportion élevée d’étapes de production manuelles, puis d’opérations de transformation et de temps de cycle longs qui font grimper les coûts unitaires. « Jusqu’à présent, les technologies traditionnelles ne permettaient que très restrictivement de réaliser des designs ambitieux, ou alors les coûts de production en série étaient élevés, » précise Hans Lochner, responsable du développement des technologies et du prototypage chez KTM Technologies. « Notre projet exclusif « Cavus » résout ce problème grâce à un procédé innovant, rapide et fiable capable de révolutionner la production de masse de structures creuses complexes dès lors que les quantités de fabrication dépassent 10 000 unités. Combiner construction composite allégée et coûts raisonnables devient une réalité tangible. L’étroite collaboration entre les acteurs impliqués, leur savoir-faire et leur passion de l’innovation ont contribué de façon décisive à ce succès. »

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