Dépannage des processus à température ambiante pour les grandes pièces récréatives et industrielles - C100

 

Dépannage des processus à température ambiante pour les grandes pièces récréatives et industrielles
Étude de cas
Type de document	Étude de cas
Identificateur de document	100
Thèmes	La gestion thermique
Tags	Durcissement et cristallisation Modélisation de processus Cinétique de durcissement des thermodurcissables Polymères thermodurcissables Transformation thermique
Fonctions objectives	Prix Maintenir Gains Maintenir Qualité Augmenter
Flux de travail MSTE	Dépannage
Pré-requis :	Polymérisation des polymères thermodurcissables Degré de polymérisation Résine de polyester Gestion thermique et durcissement/cristallisation (TM) Polymères thermodurcissables

Résumé

Au fil du temps, plusieurs pierre composite les entreprises de la Colombie-Britannique (BC) ont remarqué une forte corrélation entre la qualité des produits (évaluée par des caractéristiques telles que le contrôle dimensionnel, la finition de surface et la durabilité) et la saison au cours de laquelle ils ont été fabriqués. Par exemple, les pièces fabriquées pendant l’hiver étaient souvent plus susceptibles de se déformer après démoulage, notamment lors du transport.

En réponse, le Composites Research Network (CRN) a suivi une approche systématique pour étudier le problème. Les chercheurs ont pu identifier les principales causes des écarts et revisiter la fabrication workflows pour limiter leurs impacts. Les partenaires industriels ont mis en œuvre des outils pratiques à utiliser pendant la production pour suivre la qualité des produits et pour prévenir ou limiter d'autres incidents. En conséquence, les entreprises ont pu améliorer la qualité des produits et les taux de production.

Challenge

La qualité constante de la production représentait un défi constant pour plusieurs entreprises de composites en Colombie-Britannique et la source de la variabilité était inconnue. L'identification de la cause profonde des variations de qualité et l'élaboration de stratégies pratiques d'atténuation étaient les principales motivations qui ont motivé l'implication du CRN dans ce projet.

Pré-requis :

• La gestion thermique
• Polymères thermodurcissables
• Résine de polyester
• Durcissement des polymères thermodurcissables
• Degré de polymérisation

Approche

Les ingénieurs du CRN ont commencé par visiter les entreprises situées dans la vallée de l'Okanagan, dans le sud de la Colombie-Britannique, pour documenter leur processus de fabrication et rechercher des points communs entre elles. Ils ont remarqué que leurs usines dépendaient toutes de durcissement à température ambiante pour transformation thermique of résines polyesters et les entreprises s'approvisionnaient en résines de polyester auprès des mêmes fabricants. Lors d'un durcissement à température ambiante, le MSTE Le système est simplement exposé à la température de l’air ambiant, sans chaleur externe ajoutée ou supprimée par un système de chauffage ou de refroidissement. Cela rend le système MSTE et le flux de travail associé vulnérables aux fluctuations de température quotidiennes et saisonnières qui pourraient avoir un impact sur la qualité de la production.

C'est le cas dans le sud de la Colombie-Britannique, où la température peut varier de plus de quinze degrés Celsius par jour et de plus de trente degrés Celsius tout au long de l'année. Si cette source de variabilité n’est pas prise en compte et atténuée par le contrôle environnemental de l’usine, elle peut avoir un impact considérable sur la transformation thermique. De tels impacts auront un effet sur soulager voir guérir de résines thermodurcissables utilisées pour réaliser la pièce. L'évolution des résines degré de guérison (DOC) pendant le traitement est un paramètre de fabrication critique qui peut affecter la plupart des résultats de fabrication, tels que la porosité, la durabilité et le contrôle dimensionnel.

En conséquence, les ingénieurs du CRN ont supposé l'effet des changements de température quotidiens et saisonniers sur degré de guérison comme la cause principale des problèmes de qualité identifiés. Pour valider cette hypothèse, les ingénieurs du CRN ont caractérisé la cinétique de durcissement d'un large éventail de polyester et des résines vinylester utilisées par ces entreprises, puis a mené une étude paramétrique utilisant la simulation de processus pour évaluer les effets des paramètres de conception et de processus, tels que température ambiante, sur le degré de durcissement lors de la fabrication. L'étude paramétrique leur a non seulement permis de valider l'hypothèse ci-dessus, mais également de développer des stratégies d'atténuation pratiques pour accroître la robustesse des processus de fabrication des entreprises, comme expliqué ci-dessous. Suite à leur élaboration, les stratégies ont été intégrées aux flux de fabrication des entreprises et validées.

Changements saisonniers de température et de précipitations dans le sud de l’intérieur de la Colombie-Britannique.

En résumé, les étapes de dépannage suivantes ont été suivies pour parvenir à une solution pratique :

1) Documenter les processus de fabrication (c'est-à-dire les objets MSTE, les étapes du processus, les cellules d'usine et la disposition)
2) Répertorier les points communs entre les processus de fabrication
3) Identifier la source commune de variabilité
4) Caractériser les systèmes matériels
5) Réaliser une étude paramétrique en utilisant le processus simulation
6) Élaborer des stratégies d’atténuation
7) Transférer et mettre en œuvre des stratégies d’atténuation
8) Évaluer les stratégies d’atténuation

Avantages

Niveau I

Niveau II

Des familles d’outils de conception de fabrication et de stratégies d’atténuation ont été développées par CRN. Ces outils ont permis aux chercheurs du CRN de revoir les flux de fabrication des entreprises, en apportant les modifications appropriées pour limiter l'impact des changements de température quotidiens et saisonniers. De plus, une technique infrarouge à transformée de Fourier non destructive (FTIR) sur site pour mesurer le degré de durcissement pendant la production a également été développée et est désormais disponible pour les membres industriels du CRN (voir comment mesurer le temps de durcissement et le degré de durcissement).

Une caractérisation approfondie des matériaux et une simulation des processus ont été utilisées pour étudier le rôle des paramètres du système MSTE et identifier clairement la température ambiante comme principale source de variabilité. Les étapes critiques du flux de travail ont été identifiées et des cartes de processus créées pour les surveiller (voir Niveau II et Niveau III). Les cartes de traitement convertissent les critères de degré de durcissement en paramètres de production pratiques. Par exemple, les spécifications de processus sur le degré de durcissement du gelcoat avant le dépôt de la couche massive sont converties en une fenêtre de temps de traitement pendant laquelle la couche massive doit être appliquée. UN gestion thermique une étude paramétrique a également été utilisée pour identifier des stratégies d’atténuation en pré-production et en production.

Fortes d'une meilleure compréhension de la chimie et de la cinétique de durcissement des polyesters et des esters vinyliques étudiés dans ce projet, les entreprises participantes ont gagné en confiance dans leurs processus de fabrication. Concrètement, chacun a pu améliorer la qualité des produits et les taux de production.

Flux de travail de fabrication simplifié utilisé par les entreprises de la Colombie-Britannique.

Des familles d'outils de conception de fabrication ont été développées par CRN. Ces outils ont permis aux chercheurs du CRN de revoir les flux de fabrication des entreprises, en apportant les modifications appropriées pour limiter l'impact des changements de température quotidiens et saisonniers. De plus, une technique infrarouge à transformée de Fourier non destructive (FTIR) sur site pour mesurer le degré de durcissement pendant la production a également été développée et est désormais disponible pour les membres industriels du CRN (voir comment mesurer le temps de durcissement et le degré de durcissement).

L'hypothèse retenue du diagnostic initial faisait état d'un gestion thermique carence. L'analyse et les résultats décrits ci-dessous visent tous à comprendre comment la température dans les cellules de l'usine pourrait avoir un impact sur la qualité. Les flux de fabrication des entreprises partageaient tous les six éléments suivants étapes du processus: préparation des moules, dépôt de gelcoat, dépôt de couches massives, démoulage de pièces, stockage et expédition. Ces étapes de processus se déroulaient dans un mélange de cellules d'usine intérieures et extérieures. La température dans un intérieur cellule d'usine est généralement contrôlée par le système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) de l'usine, contrairement à la température d'une cellule extérieure d'usine qui est soumise aux fluctuations de température quotidiennes et saisonnières. Une cellule d'usine intérieure peut également connaître des fluctuations de température limitées en fonction de l'efficacité du système CVC, de son emplacement et de sa configuration. Par exemple, une cellule d’usine placée près d’une entrée peut subir un courant d’air et voir sa température changer à mesure que les portes sont ouvertes. De même, une cellule d’usine extérieure, lorsqu’elle est abritée du soleil et du vent, sera soumise à des fluctuations de température plus faibles. Comprendre comment l'aménagement et le flux de travail de l'usine régissaient l'historique thermique et le durcissement des résines polyester durcies à température ambiante est devenu l'objectif clé de ce projet.

Cinétique de durcissement d'un polyester résine utilisé par les entreprises de la Colombie-Britannique.

L'espace cinétique de guérison Le degré de polymérisation à température ambiante des résines polyester et vinylester, comme toute autre résine thermodurcissable, dépend du temps et de la température. Une série de DSC des tests ont été menés sur une large gamme de résines polyester et vinylester utilisées dans la production pour quantifier la manière dont le temps et la température régissaient leur durcissement et leur sensibilité aux fluctuations de température quotidiennes et saisonnières. Le DSC les résultats ont également été utilisés pour créer des cartes de processus de durcissement et développer des modèles de cinétique de durcissement pour les simulations de processus thermiques. Les tests DSC ont révélé que leur cinétique de durcissement variait considérablement sur la plage de températures rencontrées en production. Par exemple, le durcissement des résines polyester durcies à température ambiante à 10 °C pourrait non seulement prendre trois fois plus de temps qu'à 25 °C, mais aussi ne jamais atteindre le même degré final de durcissement. En fait, les systèmes de résine caractérisés nécessitaient tous un durcissement au-dessus de 50 °C pour durcir complètement.

L'impact sur la qualité a été illustré en utilisant des cartes de processus et en comparant deux scénarios de production suivant le même flux de processus mais se produisant à des moments différents au cours de l'année ; une ayant lieu en été et une seconde en hiver. Dans ces scénarios, les étapes de préparation du moule, de dépôt de gelcoat et de dépôt de couche en vrac sont toutes effectuées à l’intérieur le matin. L'ensemble pièce et outillage est ensuite déplacé à l'extérieur en début d'après-midi et laissé là jusqu'au démoulage en fin d'après-midi. En été, la température est estimée à environ 17°C à l’intérieur de l’usine le matin et à environ 30°C à l’extérieur de l’usine l’après-midi. En hiver, la température est légèrement plus fraîche dans l’usine et environ 30°C plus fraîche à l’extérieur de l’usine. Dans un cellule de polymérisation à température ambiante, l'outillage (T) et l'équipement (E) ne permettent pas de contrôler la température des systèmes matériaux (M) qui sont donc exposés aux variations de température ambiante. En conséquence, les systèmes de matériaux suivront des chemins de durcissement différents selon le jour et la saison. Par exemple, en été, le degré de durcissement avant démoulage peut atteindre 80 pour cent, contre 60 pour cent en hiver. Les fluctuations de température identifiées ont un impact significatif sur l'évolution de la polymérisation au cours de la fabrication et cette source de variabilité doit être atténuée pour garantir un niveau de qualité constant.

Evolution de la cure en cours de fabrication : scénarios hiver et été.

Pour développer des stratégies d'atténuation pratiques, les chercheurs du CRN ont mené une étude paramétrique des systèmes MSTE à l'aide de la simulation de processus. L'objectif était de comprendre l'effet des paramètres MSTE sur l'évolution de la guérison. Par exemple, comment le degré final de durcissement dépend-il de la concentration en initiateur, de l’épaisseur de la pièce et du flux d’air ambiant ? L'épaisseur de la pièce est un facteur clé pour déterminer le degré final de durcissement en raison de la nature exothermique du processus chimique de réticulation. L’énergie thermique libérée peut augmenter considérablement la température de la pièce, ce qui peut à son tour accélérer le durcissement. Plus la pièce est épaisse, moins l’énergie thermique est transférée au milieu environnant et plus elle contribue à augmenter la température de la pièce. Par exemple, à 20°C, un stratifié de 3 mm d'épaisseur peut atteindre un degré final de durcissement de 76 %, tandis qu'une section de 8 mm d'épaisseur durcira 10 % de plus dans les mêmes conditions.

Degré final de durcissement en fonction de la température ambiante pour différentes épaisseurs de stratifié.

Ces connaissances pratiques ont ensuite été utilisées pour analyser les étapes critiques de fabrication et guider la définition de stratégies d’atténuation en pré-production et en production. Par exemple, une étape critique au début du processus de fabrication est le dépôt de la couche massive après l’application du gelcoat. Une propriété importante du matériau à surveiller avant l’application de la couche massive est le degré de durcissement du gelcoat. Si le gelcoat n'a pas atteint la gélification à ce moment-là, l'application de la couche massive peut perturber l'épaisseur du gelcoat, ce qui peut conduire à une finition de surface non uniforme et à une résistance environnementale incohérente. D'un autre côté, si le gelcoat a complètement durci, aucune réticulation ne se développera entre le gelcoat et la couche massive, ce qui entraînera la formation d'une interface faible. Cette interface faible compromettra la durabilité de la pièce et sera sujette aux cloques. Il est donc essentiel de surveiller le degré de durcissement du gelcoat et de définir des limites acceptables à atteindre avant le dépôt de la couche massive.

La mesure in situ du degré de durcissement est une tâche complexe rarement réalisée en production. Les spécifications sur le degré de durcissement du gelcoat doivent être traduites en paramètres de processus plus pratiques. Dans ce cas, en connaissant la cinétique de durcissement du gelcoat, les spécifications sur le degré de durcissement du gelcoat peuvent être converties en temps de durcissement minimum et maximum pour définir une fenêtre de traitement permettant de chronométrer le processus en fonction de la température ambiante. Par exemple, pour le scénario hivernal expliqué ci-dessus et un degré de durcissement du gelcoat minimum de 20% et maximum de 40%, le dépôt de la couche massive doit commencer au plus tôt 55 minutes et au plus tard 90 minutes après l'application du le gelcoat. Cela donne une fenêtre de traitement de 35 minutes. En été, le temps minimum de dépôt de la couche après l’application du gelcoat est de 18 minutes avec un maximum de 32 minutes. Cela donne une fenêtre de traitement beaucoup plus courte de 14 minutes, contre 35 minutes en hiver. Notez que la fenêtre de traitement peut être contrôlée en modifiant la formulation du gelcoat et, plus spécifiquement, les types et la concentration du catalyseur et de l’initiateur.

Cet exemple illustre comment un processus de durcissement à température ambiante doit être chronométré différemment selon le jour ou la saison. Des cartes de processus supplémentaires pour surveiller le degré de durcissement en production et les résultats de ce projet sont présentées à la page Niveau III.

Plan de processus pour suivre le degré de durcissement d'un gelcoat avant son dépôt ultérieur.

Fenêtre de traitement du gel coat : scénarios hivernaux et estivaux.

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À propos	Aide

Matériaux d'ingénierie (conçus pour avoir des propriétés spécifiques) fabriqués à partir de deux ou plusieurs matériaux constitutifs ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Les constituants restent séparés et distincts au niveau macroscopique au sein de la structure finie.

Un ensemble d'étapes/procédures destinées à fournir des conseils dans les activités de fabrication et/ou de prise de décision.

Il existe deux types de flux de travail :

• Flux de travail standards visent à formaliser les pratiques là où la base scientifique de la fabrication existe. L'objectif est de fournir des conseils en utilisant la simulation de fabrication comme outil d'habilitation (par exemple, activités de conception/décisions relatives à la gestion thermique).
• Flux de travail complexes visent à réduire le niveau d'effort dans les pratiques où la base scientifique de fabrication existante n'est pas suffisamment mature pour prendre en charge les problèmes d'échelle de production. L'objectif est de fournir des conseils à l'aide d'une réflexion basée sur la simulation et/ou de listes de contrôle (par exemple, activités de conception/décisions relatives à la gestion de la porosité).

Le degré de durcissement (DOC) est une indication de l'avancement de la réaction de durcissement chimique (processus de réticulation) dans une résine thermodurcissable.

DOC est défini par un nombre entre 0 et 1 (ou 0% et 100%) où 100% est une résine entièrement durcie. Il n'est pas nécessaire qu'il atteigne 100 % à fond pour que la résine devienne solide ou la pièce à utiliser. Dans certaines applications aérospatiales, les résines ne sont durcies qu'à environ 90 %. Plus le degré de durcissement est élevé, plus les propriétés mécaniques sont élevées.

Les résultats représentent la gamme de réponse/sensibilité aux attributs du système d'usine. Ceux qui ne satisfont pas aux exigences de fabrication sont appelés défauts. Des exemples de résultats de fabrication comprennent les résultats de paramètres de processus, les résultats de structure matérielle et les résultats de performance matérielle.

L'utilisation de modèles multiphysiques pour prédire le résultat de scénarios réels. Peut être analytique (forme fermée, « calculs manuels ») ou informatique (la mise en œuvre sur ordinateur est requise en raison du grand nombre de calculs impliqués. Par exemple, méthode des éléments finis, méthode des différences finies)

Le plus souvent dans l'ingénierie des matériaux composites, la simulation désigne soit :

• Simulation de processus (prédire les résultats de fabrication ou le problème inverse de la prédiction des paramètres de fabrication pour obtenir un résultat souhaité), ou
• Simulation de performance (prédire la rigidité/résistance/adéquation d'une structure, ou le problème inverse des propriétés des matériaux et des exigences dimensionnelles pour obtenir une rigidité/résistance/adéquation souhaitée d'une structure)

(identique à "Modélisation")

Un thème de traitement central dans le cycle de fabrication. Ce thème concerne la gestion de la réponse thermique des matériaux lors du stockage et de la manutention ou des pièces/outillages lors de leur chauffage ultérieur.

Poste individuel au sein d'une usine où un ensemble donné de tâches est accompli (également appelé « cellule de travail »). Certaines cellules peuvent ajouter directement de la valeur au produit (par exemple, dépôt), tandis que d'autres peuvent jouer un rôle de support essentiel au maintien de la qualité des pièces (par exemple, réception, stockage, inspection et expédition).

Pour les composites à matrice polymère (PMC), la résine fait référence à la matrice ; la phase matérielle continue qui lie le renfort ensemble, maintient la forme et transfère la charge. Les résines sont divisées en deux groupes principaux : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Calorimétrie différentielle à balayage (DSC).