Un rugissement de réacteur résonne dans l’air. Un avion a amorcé sa descente vers l’aéroport Nantes Atlantique, tout proche. « Vous comprenez pourquoi le Technocampus a été installé ici, lance Jean Le Guen, responsable d’équipe au pôle composites du Centre technique des industries mécaniques (Cetim). L’écosystème aéronautique est très présent. » Les noms sur la façade des bâtiments du Technocampus Composites le confirment : Airbus, Daher, Stelia Aerospace… Les équipementiers et les avionneurs ont pignon sur rue dans cette Mecque des matériaux composites construite en 2009, à Bouguenais (Loire-Atlantique), à une dizaine de kilomètres de Nantes, même si l’aéronautique n’est pas le seul secteur pour lequel travaillent les différents organismes de recherche sur place, dont l’IRT Jules Verne, le CEA Tech et le Cetim. Depuis quelques années, le Cetim s’est forgé une réputation dans le développement de technologies de rupture pour la mise en œuvre des composites. Pour preuve, les JEC Composites innovation awards fièrement exhibés dans ses locaux au Technocampus. « Nous les avons remportés avec notre procédé de production de composites thermoplastiques QSP [Quilted stratum process, ndlr]. C’est l’un des rares à pouvoir relever le défi de la haute cadence dans le secteur automobile », assure Jean Le Guen.
Le Cetim planche également sur un autre procédé de production à haute cadence qui retient particulièrement l’attention des équipementiers automobiles : l’enroulement filamentaire. Il consiste à enrouler un fil de carbone enduit de résine – le plus souvent thermodurcissable – autour d’une forme, pour la consolider. Après la polymérisation de la résine, les propriétés mécaniques du matériau sont proches de celles de l’acier, le poids en moins. Une technologie adaptée à la fabrication de corps creux à haute performance mécanique comme les conduites ou les réservoirs sous pression.
Gagner du temps en se passant de l'étape de cuisson
« À l’origine, l’enroulement filamentaire intéressait avant tout l’industrie pétrolière et gazière, indique Jean Le Guen. Mais depuis peu, nous avons une demande croissante du secteur automobile. » Ceci s’explique par l’essor attendu véhicule à hydrogène, qui implique de repenser en profondeur les systèmes d’énergie. Car pour stocker suffisamment d’hydrogène dans un véhicule, il faut monter en pression, jusqu’à 700 bars, un niveau particulièrement élevé qui exige des réservoirs ultra-performants. « Aujourd’hui, l’automobile tire la R&D dans l’enroulement filamentaire, notamment sur le plan de la réduction des temps de cycle. »
Pour répondre à la demande, le Cetim a développé le Spide TP, un démonstrateur entièrement robotisé utilisant des matériaux prometteurs : les thermoplastiques. Plusieurs réservoirs cylindriques produits avec cette plate-forme sont entreposés dans le vaste atelier. En observant leur surface noire aux reflets moirés, on constate la précision géométrique des fibres qui leur confère une esthétique indéniable. Ces nervures luisantes, si bien imbriquées les unes dans les autres, sont de fines bandes de thermoplastique, un polyamide, enrobant plusieurs longues fibres de carbone. Il s’agit d’un semi-produit appelé « tape », ou ruban.
« Nous travaillons sur la maturité des matériaux car, pour nous, il s’agit de la prochaine étape de développement de l’enroulement filamentaire thermoplastique, détaille Jean Le Guen. Les thermoplastiques ont en effet de nombreux avantages par rapport aux thermodurcissables. Ils nous permettent notamment de nous affranchir de l’étape de cuisson, indispensable pour polymériser les thermodurcissables, ce qui joue fortement sur les temps de cycle. Par ailleurs, l’utilisation des matériaux thermodurcissables nécessite de faire passer le fil de carbone dans des bains de résine. C’est un procédé particulièrement salissant et donc gourmand en consommables de propreté. »
Dans un coin de l’atelier se trouve un espace cloisonné dédié au Spide TP, avec d’un côté, le centre de contrôle informatisé, de l’autre, le robot. Haut de plus de deux mètres, le bras polyarticulé Kuka domine la pièce. Cette solution s’est imposée à la place des portiques automatisés, habituellement utilisés pour l’enroulement filamentaire des thermodurcissables, parce qu’elle offre une plus grande polyvalence à la cellule de R&D.
Le robot porte un effecteur de 30 kg sur lequel est placée une grande bobine contenant le tape. « Elle ressemble aux anciennes bobines de film de cinéma », s’amuse Jean Le Guen. Au bout de l’effecteur, le tape est enroulé autour d’un petit disque blanc, le galet de dépose. Celui-ci sert à guider le ruban composite sur la surface d’une enveloppe (« liner ») réalisée par extrusion-soufflage et montée sur un mandrin à proximité du robot. Il permet aussi d’exercer une pression sur le matériau pour favoriser l’adhérence avec la couche du dessous. Il ne faut pas moins d’une centaine de couches de tape pour donner à un réservoir de 62 litres la résistance désirée. « Les équipementiers appliquent généralement un coefficient de sécurité de 2,2. Notre réservoir doit pouvoir résister à une pression de plus de 1 500 bars », précise Jean Le Guen. Les extrémités bombées du réservoir sont particulièrement délicates car ces zones sont difficiles à atteindre par le robot et la contrainte y est maximale. Le placement des fibres doit être très précis pour éviter tout danger.
Le dépôt des couches de composites est déterminé au moyen d’un logiciel spécifique. « Une grande partie de notre savoir-faire repose sur la méthode de dépose afin de répondre au cahier des charges des équipementiers automobiles, assure Jean Le Guen. La stratégie consiste à doser deux types d’enroulement, circonférentiel et hélicoïdal.»
Muni d’une tablette, l’opérateur met le robot en branle. Il vient se positionner au contact du réservoir installé sur son axe. Non loin du galet de dépose, deux systèmes optiques sont placés l’un à côté de l’autre : un laser à diode d’une puissance de 4 kilowatts et une caméra thermique. Ce laser est essentiel à la mise en œuvre du ruban thermoplastique. Lors du passage du matériau, il le chauffe suffisamment pour qu’il atteigne son point de fusion (plus de 250 °C dans le cas du polyamide), et pour le souder au liner, puis aux différentes couches. La caméra thermique, elle, sert à contrôler si la température de mise en œuvre est bien conforme à la consigne, afin d’éviter un éventuel défaut dans le matériau de la pièce. Cette maîtrise de la température en temps réel et l’emploi de thermoplastiques permettent de se passer de l’étape de post-cuisson de la pièce.
À l’heure actuelle, le démonstrateur Spide TP dépose le composite à une vitesse de 10 mètres par minute. Mais le Cetim travaille à améliorer cette performance. « Nous visons les 70 mètres par minute. Cela rendra le procédé véritablement compétitif pour le secteur automobile », conclut Jean Le Guen.
Une technologie suivie de près par Plastic Omnium
Deux millions de véhicules à hydrogène à l’horizon 2030. C’est en brandissant ce chiffre que Plastic Omnium a affirmé, fin 2020, son ambition de devenir un acteur clé des systèmes à hydrogène, piles et réservoir en tête. L’équipementier automobile va investir 100 millions d’euros par an afin de renforcer sa R&D. En ligne de mire : la réduction des coûts de production et des temps de production. L’enroulement filamentaire, seule technologie capable de produire des réservoirs répondant aux besoins de la filière automobile, est au cœur de cette stratégie. Fin 2017, Plastic Omnium a fait l’acquisition du belge Optimum CPV, un spécialiste du procédé, notamment sur la partie logicielle, dont il est l’un des leaders mondiaux. En 2019, l’équipementier a inauguré le centre de recherche Deltatech, près de Bruxelles, dédié à l’enroulement filamentaire. Cette année, il prévoit de faire d’Alphatech, son principal centre de recherche situé près de Compiègne (Oise), son centre d’excellence sur l’hydrogène. Celui-ci devrait regrouper une grande partie de ses compétences en R&D liées aux réservoirs à hydrogène.
