Un procédé de production industriel pour fibres de carbone composites

La cellule de R&D suisse de la société North TPT, située à Penthalaz-Cossonay (VD), a étudié cette nouvelle technologie depuis le milieu de la dernière décennie. Elle a poursuivi ses développements jusqu’à l’aptitude à la production en série, de l’étude des matériaux en plans 3D, jusqu’aux nouvelles machines de production dédiées à la fabrication, en passant par la transformation des fibres de carbone. A l’origine, l’objectif était de fabriquer des voiles innovantes destinées à la première division des sports de voile. En coopération avec l’équipe Alinghi, Gérard Gauthier, le chef de la société North TPT et son équipe ont développé un matériau pour des voiles ultralégères et robustes, permettant d’obtenir un avantage déterminant dans des compétitions internationales en haute mer, comme la Coupe de l’America, par exemple.

 

La chimie remplace la mécanique

Les nouveaux développements de la société North TPT n’ont pas de débouché sur un simple procédé de fabrication. La nouvelle technologie (procédé 3Di) a révolutionné une tradition vieille de plusieurs siècles dans la fabrication de toiles à voiles: aujourd’hui, la chimie se substitue  à l’assemblage mécanique. Au lieu d’un tissage et d’un assemblage symétrique, les fils de carbone microfins sont intégrés en fibres de matériaux composites et tirés sur une bobine. Ces fibres sont transférées, conformément aux spécifications du plan, de l’ordinateur en qualité de stratifié, comme un film mince à l’aide d’un traceur – une sorte d’imprimante grand format – en un fil continu sur un papier spécial surdimensionné. Un logiciel spécialement développé à cet effet commande la machine de production CNC et assure la conversion du plan en tissu. Le matériau est appliqué plusieurs fois aux endroits fortement sollicités ultérieurement, afin de renforcer la toile. «Tous les renforts sont ainsi intégrés directement, sans couture», explique François Mordasini. «On s’approche ainsi du rêve de tout régatier de pouvoir disposer d’une toile à voile exempte de déformation, qui reste parfaitement stable dans toutes les directions, même sous forte traction».

 

Apte à la fabrication en série

Les traceurs de la société North TPT-Plotter sont équipés d’une commande CNC Sinumerik 840D sl. Grâce aux excellentes caractéristiques de mise en réseau de cette commande et aux entraînements compacts Sinamics S120, l’ensemble de l’armoire électrique peut accompagner les déplacements sur le pont du traceur. Sur une machine ayant des courses de déplacement aussi importantes, les câbles vers les moteurs de la série Simotics S ont pu être maintenus courts, permettant ainsi de minimiser les frais d’installation. Une liaison Ethernet assure la connexion avec le panneau de commande et l’ordinateur central disposés en dehors de la zone de déplacement.

Une surface de travail d’environ 22 x 5 m, réglable en trois dimensions pour pouvoir reproduire les formes complexes d’une voile, constitue la base du processus de fabrication. Le traceur de production développé par la société North TPT est capable de fabriquer 15 m2 de surface de voile par heure et par table selon ce procédé. Chaque voile est unique dans sa géométrie, sa structure et son aérodynamique, selon qu’elle ait été conçue pour des trajets en haute mer et des longues distances ou pour l’utilisation lors des régates et sur les lacs.

Depuis 2010, la société North TPT travaille en étroite collaboration avec le constructeur North Sails, le plus important fabricant de voiles ayant son siège aux Etats-Unis. «Dans le cadre de cette coopération, nous avons perfectionné la production de matériaux composites pour l’application industrielle et développé des machines appropriées», précise François Mordasini. Actuellement, quelque treize traceurs spécifiques de ce type sont utilisés à travers le monde, notamment aux Etats-Unis et en Nouvelle-Zélande. Le 80 % des voiles de compétition sont fabriquées selon le procédé 3Di.

 

L’avenir c’est le 3Di

En Suisse, on continue à perfectionner le procédé et à développer, à construire et à valider des machines de production pour différentes branches et applications, à la demande des clients. En matière d’ingénierie, North TPT est assistée par Patrice Laffay et sa société Informatique & Technique, Sàrl.

La société North TPT a déjà accumulé des expériences en dehors du monde de la voile, avec des skis randonnée de compétition ultralégers. D’autres discussions engagées dans des secteurs comme la formule 1, l’industrie automobile et l’industrie éolienne ou solaire sont très prometteuses. «Notre objectif à moyen terme est le développement et la production de machines dédiées à la fabrication de matériaux composites innovants partout dans le monde», affirme François Mordasini.

 

La crédibilité est déterminante

L’entreprise Siemens a été le partenaire technologique dans le développement des machines utilisant la technologie de la société North TPT. «Pour ce type de projet, la fiabilité et la crédibilité d’un partenaire sont extrêmement importantes, outre une excellente compétence technologie et la rapidité», c’est ainsi que François Mordasini justifie ce choix. «En outre, l’entreprise Siemens dispose de l’expérience dans des marchés potentiellement importants pour nous, comme la construction aéronautique, l’aviation, l’espace, ainsi que l’énergie éolienne».

 

La technologique utilisée

Une commande numérique Sinumerik 840D sl, accompagneant les déplacements sur le pont, commande les cinq axes du traceur. Le système d’entraînement Sinamics S120 avec les servomoteurs Simotic S déplace le portique sans à-coups au-dessus de la surface de la voile.

La conduite du traceur s’effectue en dehors de la zone de déplacement, par l’intermédiaire du panneau de commande Sinumerik OP 08T relié via une connexion Industrial Ethernet. La technologie Thin-Client utilisée, permettant la mise en place décentralisée d’unités de conduite, affiche la surface Sinumerik Operate traitée sur la commande CNC. L’ordinateur central, qui sélectionne via OPC les programmes de déplacement du traceur et enregistre le processus de production en vue de l’assurance qualité, utilise la même ligne Ethernet. A cet effet, il n’est même plus nécessaire de copier les grands programmes des pièces décrivant la géométrie complexe des voiles sur la commande CNC, grâce à la fonction «exécuter à partir du disque réseau».