Pièces en carbone

De l’air comprimé et de l’azote pour le Centre allemand de recherche aérospatiale
Pièces en carbone :
du laboratoire à l’industrie
Le plus grand autoclave du monde utilisé à des fins de recherche est en service depuis l’été
dernier à Stade, dans le nord de l’Allemagne. Une station de compresseurs bi-étagés de Kaeser
fournit l’air comprimé et l’azote nécessaires à son fonctionnement.
De l’avion au vélo en passant par l’automobile, la mobilité se doit aujourd’hui
d’être efficiente en énergie, d’où le
développement des constructions allégées. Dans ce contexte, les composites
à fibres de carbone sont un matériau
d’avenir appelé à jouer un rôle clé car
il est léger, très résistant et offre une
grande liberté de formes. Le centre de
recherche en techniques de construction allégée (ZLP) du Centre allemand
de recherche aérospatiale (DLR) installé à Stade cherche des procédés rentables pour fabriquer des pièces en carbone en grande série afin de les rendre
accessibles à de nouveaux domaines
d’application. Les principaux défis résident dans la maîtrise économique des
grands lots de fabrication, le contrôle
en ligne du processus et l’assurance de
la qualité, et la mise au point de modes
de construction adaptés aux matériaux
composites. La recherche menée à
Stade intéresse toute la chaîne de fabrication de pièces en carbone. À partir
des résultats des recherches menées
dans des instituts partenaires, l’objectif
du centre ZLP est de passer de l’échelle
du laboratoire à l’échelle industrielle, et
d’étudier sur des pièces ou des bancs
d’essai grandeur nature les effets qui ne
peuvent pas être modélisés en laboratoire.
Les travaux de recherche s’articulent
autour de trois grands axes :
1 – Les robots de placement de
fibres
En vue de développer une technique de
fabrication des grandes pièces structurelles avec des procédés de placement automatique de fibres, le centre
de recherche a créé une installation
utilisable de manière flexible en production, constituée de plusieurs robots
coordonnés qui assurent simultané-
ment le placement de fibres. En plus
des plateformes robotiques, ce système
fait appel à une nouvelle génération de
têtes de dépose de fibres et de drapage
de bandes. Il permet d’atteindre des
vitesses de placement de fibres compatibles avec les besoins de la production
industrielle future.
2 – La qualité de l’autoclavage
L’autoclave reste, à terme, l’un des
maillons incontournables de la chaîne
de fabrication des pièces en composite. Les processus à l’œuvre dans la
phase d’autoclavage influent considérablement sur les propriétés et la
géométrie de la pièce. C’est pourquoi
l’autoclave installé au Centre allemand
de recherche aérospatiale est truffé
de capteurs qui contrôlent la répartition des températures sur l’ensemble
de la pièce et la réaction de polymérisation. Le cœur de l’autoclave est la
« Masterbox » qui assure la commande
dynamique en fonction de l’état de la
pièce. Elle comprend un module de simulation, qui modélise le processus de
manière réaliste, parallèlement à son
Le plus gros autoclave de laboratoire du monde peut recevoir des pièces de 20 m de longueur
Les scientifiques du Centre de recherche aérospatiale relient une pièce
aux capteurs de mesure à l’intérieur de l’autoclave
Vue de la partie haute pression de la
station d’air comprimé
L’unité de placement de fibres automatique est robotisée
déroulement. Cet autoclave virtuel calcule les écarts de manière anticipée et
permet donc à la commande de réagir
en contrant l’inertie de l’autoclave. Le
système permet de réduire la durée des
cycles et la consommation d’énergie.
3 – Les grandes séries de pièces
tridimensionnelles
La fabrication de séries de 100 000
pièces en carbone par an nécessite
des temps de fabrication courts, l’automatisation de la manutention ainsi que
des matériaux et des équipements de
production appropriés. Une plateforme
technologique multifonctionnelle permet
de simuler intégralement des cas pratiques pour ce qui est de l’automatisation et de la mise à l’échelle des pièces.
L’objectif visé est de parvenir à des
chaînes de fabrication entièrement automatisées et de raccourcir les durées
de fabrication afin d’abaisser les coûts
de production des pièces complexes en
composite. La plateforme de fabrication
flexible permet d’étudier différentes catégories de pièces, comme par exemple
les grandes pièces tridimensionnelles
comportant des structures complexes,
ou des pièces cintrées et profilées telles
qu’elles sont par exemple utilisées dans
l’automobile.
De l’air comprimé et de l’azote
pour la « cocotte-minute »
D’une longueur de 20 mètres avec un
diamètre d’alimentation de 5,80 mètres
(longueur et diamètre extérieurs : 27 m
et 6,50 m), la nouvelle station d’autoclavage du centre de recherche de
Stade est très impressionnante. Son
tube pèse 165 tonnes et son couvercle
pas moins de 16 tonnes. Un autoclave
fonctionne sur le principe de la cocotteminute : il associe la cuisson et la pressurisation pour réaliser la polymérisation
des matériaux. Il permet de fabriquer et
d’analyser des tronçons de fuselage,
la voilure ou l’empennage d’un avion.
L’autoclave monte à une température
de 420 °C et à une pression de gaz de
dix bar. Le gaz inerte utilisé est l’azote
pour éviter l’inflammation des objets du
fait de la température dans l’enceinte
de l’autoclave. La production d’azote
est l’une des missions premières de la
station de compresseurs bi-étagés installée par Kaeser Kompressoren. Deux
compresseurs à vis CSD 125 SFC (75
kW, à vitesse variable) alimentent alternativement un réseau d’air comprimé à
9,5 bar et trois surpresseurs à pistons
(N 502-G 9,5/35 bar). L’air comprimé à
9,5 bar est séché dans un sécheur frigorifique à économie d’énergie (TF 251)
puis passe par un sécheur frigorifique
et un filtre combiné composé d’un filtre
micronique et d’une colonne à charbon actif. Il est destiné au système de
transport par coussin d’air qui alimente
l’autoclave en unités outil-matière. Le
système de transport par coussin d’air
accepte 70 tonnes de charge utile et
ses manœuvres sont télécommandées
avec une précision millimétrique.
L’air chaud qui circule de bas en haut
est tout d’abord séché dans un sécheur
par adsorption (DC 169 E) avant d’être
comprimé à 35 bar par les surpresseurs. Grâce aux deux sécheurs frigorifiques (THP 143-45) et aux deux filtres
associant chacun un filtre micronique et
une colonne à charbon actif, l’air est sec
et pur lorsqu’il arrive dans le générateur
d’azote qui le décompose en azote et
en oxygène. L’azote est stocké à 30 bar
dans deux réservoirs d’une taille exceptionelle de 200 m3 installés à l’extérieur.
Transport exceptionnel
Transport exceptionnel par voie fluviale et par la route pour l’autoclave du centre
de recherche
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Report 1/13 – www.kaeser.com
L’autoclave a été installé au centre de
recherche au terme d’un long périple qui
l’a mené de Coesfeld, la ville de Rhénanie du Nord-Westphalie où il a été fabriqué, jusqu’à Stade. Il a été tout d’abord
été transféré par camion, de nuit, de
l’usine au port fluvial de Coesfeld où il a
été chargé sur une péniche. Après avoir
descendu le canal de Dortmund à l’Ems
puis le Rhin, il est arrivé au lac d’Ijssel,
aux Pays-Bas, d’où il a emprunté successivement l’Ems, la Weser, le canal
Mittelland et l’Elbe pour arriver à Stade.
La dernière partie du trajet s’est effectuée par la route, par un convoi exceptionnel pour lequel il fallut démonter
un certain nombre de feux tricolores et
tourner des panneaux de signalisation.
Ultime obstacle du parcours, l’autoroute
A26 fut fermée le temps que le convoi la
franchisse pour arriver à sa destination
finale un jour d’été 2012.
Auteur : Klaus Dieter Bätz
Contact : [email protected]
Report 1/13 – www.kaeser.com
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