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 entreprises de matériaux composites en Colombie-Britannique ont constaté une forte corrélation entre la qualité des produits (évaluée par des caractéristiques telles que le contrôle dimensionnel, l'état de surface et la durabilité) et la saison de fabrication. Par exemple, les pièces fabriquées en hiver étaient souvent plus sujettes à la déformation après démoulage, notamment pendant le transport.

En réponse, le Réseau de recherche sur les composites (CRN) a adopté une approche systématique pour étudier le problème. Les chercheurs ont pu identifier les principales causes des écarts et revoir les processus de fabrication afin d'en limiter les impacts. Les partenaires industriels ont mis en œuvre des outils pratiques utilisables en production pour suivre la qualité des produits et prévenir ou limiter la récurrence de ces écarts. Grâce à ces mesures, les entreprises ont pu améliorer la qualité de leurs produits et leurs cadences 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 de CRN ont commencé par visiter les entreprises situées dans la vallée de l'Okanagan, au sud de la Colombie-Britannique, afin de documenter leurs procédés de fabrication et d'identifier les points communs. Ils ont constaté que toutes leurs usines utilisaient un durcissement à température ambiante pour la transformation thermique des résines de polyester et que ces entreprises s'approvisionnaient auprès des mêmes fabricants. Lors d'un durcissement à température ambiante, le système MSTE est simplement exposé à la température ambiante, sans apport ni dissipation de chaleur externe. De ce fait, le système MSTE et le flux de travail associé sont vulnérables aux fluctuations de température quotidiennes et saisonnières, ce qui peut affecter 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 en une journée et de plus de trente degrés Celsius au cours de l’année. Si cette source de variabilité n’est pas prise en compte et atténuée par la maîtrise de l’environnement de l’usine, elle peut avoir un impact considérable sur la transformation thermique. Ces impacts influent sur la polymérisation des résines thermodurcissables utilisées pour la fabrication de la pièce. L’évolution du degré de polymérisation (DDP) des résines pendant la transformation est un paramètre de fabrication critique qui peut affecter la plupart des caractéristiques de fabrication , telles que la porosité, la durabilité et la précision dimensionnelle.

Par conséquent, les ingénieurs de CRN ont supposé que l'influence des variations quotidiennes et saisonnières de température sur le degré de polymérisation était la principale cause des problèmes de qualité identifiés. Afin de valider cette hypothèse, ils ont caractérisé la cinétique de polymérisation d'une large gamme de résines polyester et vinylester utilisées par ces entreprises, puis mené une étude paramétrique par simulation de procédé pour évaluer l'impact des paramètres de conception et de procédé, tels que la température ambiante , sur le degré de polymérisation lors de la fabrication. Cette étude paramétrique leur a non seulement permis de valider l'hypothèse initiale, mais aussi d'élaborer des stratégies d'atténuation concrètes pour renforcer la robustesse des procédés de fabrication des entreprises, comme expliqué ci-dessous. Ces stratégies ont ensuite été intégrées aux flux de production 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

Les résultats

Niveau I

Niveau II

Le CRN a développé des familles d'outils de conception de fabrication et des stratégies d'atténuation. Ces outils ont permis aux chercheurs du CRN de réexaminer les processus de fabrication des entreprises et d'y apporter les modifications nécessaires pour limiter l'impact des variations de température quotidiennes et saisonnières. De plus, une technique non destructive d'analyse par transformée de Fourier infrarouge (FTIR) sur site, permettant de mesurer le degré de polymérisation pendant la production, a également été mise au point et est désormais accessible aux membres industriels du CRN (voir la section « Mesure du temps et du degré de polymérisation »).

Une caractérisation poussée des matériaux et une simulation de procédé ont permis d'étudier l'influence des paramètres du système MSTE et d'identifier clairement la température ambiante comme principale source de variabilité. Les étapes critiques du flux de travail ont été identifiées et des cartographies de procédé ont été créées pour les suivre (voir niveaux II et III ). Ces cartographies convertissent les critères de degré de polymérisation en paramètres de production concrets. Par exemple, les spécifications relatives au degré de polymérisation du gelcoat avant le dépôt de la couche principale sont converties en une plage de temps de traitement durant laquelle cette couche doit être appliquée. Une étude paramétrique de gestion thermique a également été menée afin d'identifier des stratégies d'atténuation en préproduction 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.

Le CRN a développé des familles d'outils de conception de fabrication. Ces outils ont permis aux chercheurs du CRN de réexaminer les processus de fabrication des entreprises et d'y apporter les modifications nécessaires pour limiter l'impact des variations de température quotidiennes et saisonnières. De plus, une technique non destructive d'analyse par transformée de Fourier infrarouge (FTIR) sur site, permettant de mesurer le degré de polymérisation pendant la production, a également été mise au point et est désormais accessible aux membres industriels du CRN (voir la section « Mesure du temps et du degré de polymérisation »).

L'hypothèse retenue lors du diagnostic initial a mis en évidence une déficience dans la gestion thermique . L'analyse et les résultats décrits ci-dessous visent à comprendre l'impact de la température au sein des cellules de production sur la qualité. Les processus de fabrication des entreprises concernées comportaient tous les six étapes suivantes : préparation des moules, dépôt de gelcoat, dépôt de la couche principale, démoulage des pièces, stockage et expédition. Ces étapes se déroulaient dans des cellules de production à la fois intérieures et extérieures. La température d'une cellule intérieure est généralement régulée par le système de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) de l'usine, contrairement à celle d'une cellule extérieure, soumise aux variations de température quotidiennes et saisonnières. L'amplitude des variations de température dans une cellule intérieure peut également dépendre de l'efficacité du système CVC, de son emplacement et de sa configuration. Par exemple, une cellule située près d'une entrée peut subir des courants d'air et voir sa température varier à l'ouverture des portes. De même, une cellule extérieure, abritée du soleil et du vent, sera soumise à des variations de température plus faibles. Comprendre comment l'agencement et le processus de production influençaient l'historique thermique et le durcissement des résines polyester à température ambiante est devenu l'objectif principal de ce projet.

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

La cinétique de polymérisation des résines polyester et vinylester à polymérisation à température ambiante, comme celle de toute résine thermodurcissable, dépend du temps et de la température. Une série de tests DSC a été menée sur une large gamme de résines polyester et vinylester utilisées en production afin de quantifier l'influence du temps et de la température sur leur polymérisation et leur sensibilité aux variations de température journalières et saisonnières. Les résultats DSC ont également permis d'établir des cartographies du processus de polymérisation et de développer des modèles de cinétique de polymérisation pour les simulations thermiques. Les tests DSC ont révélé que la cinétique de polymérisation variait considérablement en fonction des températures rencontrées en production. Par exemple, la polymérisation des résines polyester à polymérisation à température ambiante à 10 °C pouvait non seulement prendre trois fois plus de temps qu'à 25 °C, mais aussi ne jamais atteindre le même degré de polymérisation final. En effet, tous les systèmes de résine caractérisés nécessitaient une température de polymérisation supérieure à 50 °C pour une polymérisation complète.

L'impact sur la qualité a été illustré à l'aide de schémas de processus et en comparant deux scénarios de production suivant le même flux de processus, mais se déroulant à des périodes différentes de l'année : l'un en été et l'autre en hiver. Dans ces scénarios, la préparation du moule, le dépôt du gelcoat et le dépôt de la couche massive sont tous effectués en intérieur le matin. L'assemblage de la pièce et de l'outillage est ensuite déplacé à l'extérieur en début d'après-midi et y reste jusqu'au démoulage en fin d'après-midi. En été, la température est supposée être d'environ 17 °C à l'intérieur de l'usine le matin et d'environ 30 °C à l'extérieur l'après-midi. En hiver, la température est légèrement plus basse à l'intérieur de l'usine et environ 30 °C plus basse à l'extérieur. Dans une cellule de polymérisation à température ambiante , l'outillage (T) et l'équipement (E) ne permettent pas de contrôler la température des matériaux (M), qui sont donc exposés aux fluctuations de la température ambiante. Par conséquent, les matériaux suivront des trajectoires de polymérisation différentes selon le jour et la saison. Par exemple, en été, le degré de polymérisation avant démoulage peut atteindre 80 %, contre 60 % en hiver. Ces fluctuations de température ont un impact significatif sur l'évolution de la polymérisation pendant la fabrication ; il est donc nécessaire de maîtriser cette source de variabilité afin de 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 la durée d'un processus de polymérisation à température ambiante doit être adaptée en fonction du jour ou de la saison. Des schémas de processus supplémentaires permettant de contrôler le degré de polymérisation en production et les résultats de ce projet sont fournis au 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).