19.12.2022 by Dr. Chiara Baldini
60 ans de NETZSCH-Gerätebau : Comment optimiser la polymérisation des composites
Dans le cadre de la célébration de notre 60e anniversaire, qui se concentre sur les solutions logicielles en décembre, nous aimerions revenir aujourd'hui sur une étude de cas réussie. Cet article a été rendu possible grâce à la collaboration avec Blacks S.r.l., une société italienne spécialisée dans la conception, le prototypage et la fabrication de composants en matériaux composites avancés tels que le carbone, le verre, les fibres aramides et les tissus hybrides, par stratification manuelle et Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement en autoclave.
Kinetics Neo - Une histoire à succès :
Chiara Leonardi, responsable de la recherche et du développement chez Blacks.
"Il y a quelques années, nous avons décidé d'agrandir notre laboratoire en achetant un DSC et un TGA à NETZSCH, afin de contrôler à la fois les préimprégnés et les produits durcis. Au quotidien, nous devons effectuer des mesures de routine sur les matières premières entrantes, le vieillissement des préimprégnés, les transitions vitreuses, la teneur en fibres et le degré de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement de nos produits finaux, pour ne citer que quelques exemples", explique le Dr Leonardi.
En 2018, Blacks a dû relever un nouveau défi : on lui a demandé de produire une jante de vélo en carbone. Le degré de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement visé a été fixé à 95 %, afin de garantir les niveaux de performance mécanique et thermique demandés par le client. Cette valeur a été définie après la caractérisation initiale du pré-imprégné sélectionné, réalisée par le laboratoire d'analyse thermique de Blacks.
Lorsque la phase de production a commencé, il était clair pour Blacks qu'il fallait trouver un cycle thermique adapté pour atteindre deux objectifs principaux : atteindre l'objectif de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement prédéfini et raccourcir les temps de traitement.
"Notre approche consiste à appliquer, tout d'abord, le cycle de Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement suggéré dans la fiche technique du pré-imprégné. Ce fut le cas pour la consolidation en autoclave de la première jante prototype, la 'SN1'. Cependant, cette première production a montré la nécessité d'une post-cuisson pour atteindre le niveau de réticulation souhaité", se souvient le Dr Leonardi.
Pour qualifier le niveau de réticulation atteint, des mesures DSC ont été effectuées à l'aide du DSC 214 Polyma sur la résine non réticulée (pré-imprégnée) afin d'évaluer l'enthalpie de réticulation totale de ce matériau (Htot) et - dans les mêmes conditions - sur un échantillon SN1 pour mesurer la réticulation résiduelle (Hres).
La figure 1 montre les courbes DSC et les signaux de durcissement ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique évalués pour les deux mesures.
Le degré de réticulation (α) a été calculé à l'aide de l'équation suivante :
Pour SN1, la valeur α était de 94,5 %, donc inférieure à la valeur cible.
Comment atteindre le degré de durcissement visé ?
En l'absence de toute autre information utile, la méthode classic envisage d'augmenter la température maximale ou de prolonger la durée du segment IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme.
Cette approche par essais et erreurs prend toutefois beaucoup de temps ; elle nécessite également de longs temps d'arrêt de l'autoclave et consomme beaucoup de matières premières. En outre, elle n'est pas toujours exploitable : Par exemple, le choix de la température maximale est limité par la température de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition de la résine elle-même.
C'est là que le savoir-faire de NETZSCH est entré en jeu.
"Nous avons décidé de produire un deuxième prototype de jante en appliquant un cycle de polymérisation similaire au premier, mais avec une stase prolongée. Bien que ce cycle ait atteint le degré de durcissement visé, la durée totale du cycle, 8 heures, était trop longue pour nos capacités de production", poursuit le Dr Leonardi. "Nous avons donc demandé à NETZSCH de nous aider à trouver un nouveau profil thermique plus rapide. Nous avons effectué de nouvelles mesures DSC sur le pré-imprégné et nous avons transmis les données à NETZSCH, qui a fait de la magie avec son logiciel Kinetics Neo"
Pour réaliser des études cinétiques, il faut normalement au moins trois rampes de chauffage différentes ou trois températures isothermes différentes pour obtenir une mesure d'analyse thermique complète.
Dans ce cas, Blacks a décidé d'appliquer des rampes dynamiques à des vitesses de 1, 2, 5 et 10 K/min. Les thermogrammes évalués qui en résultent sont décrits dans la figure 2.
Réalisation d'études cinétiques et prévision du comportement du matériau
Pour prédire le comportement de durcissement pour différents scénarios de processus, les données DSC mesurées aux quatre différentes rampes de chauffage ont été téléchargées dans le logiciel NETZSCH Kinetics Neo - qui venait juste d'être développé à l'époque.
La figure 3 montre l'ajustement de conversion résultant de l'application de l'approche sans modèle, choisie parmi celles disponibles dans le logiciel : Il s'agit d'une nouvelle technique mathématique appelée "optimisation numérique", conçue par NETZSCH pour aider les utilisateurs sans expérience dans la simulation cinétique et dans l'industrie en général, où les évaluations fastidieuses ne sont souvent pas compatibles avec les besoins de la production.
En outre, afin d'éviter toute surchauffe et donc tout dommage matériel, la vitesse de réaction maximale a été limitée dans le logiciel, de manière à ce que sa valeur ne dépasse jamais celle mesurée pour le cycle de durcissement utilisé pour produire le prototype SN2.
La durée totale du nouveau cycle de durcissement s'est avérée être de 260 minutes ; par rapport aux 480 minutes du cycle précédent, cela semble très prometteur en termes de gain de temps pour la production.
Mais qu'en est-il du degré de durcissement ciblé ?
Un temps plus court, une meilleure efficacité de polymérisation
Blacks s'est appuyé sur le nouveau cycle de durcissement optimisé et a décidé de l'appliquer à la fabrication d'un troisième prototype (SN3).
"Lorsque nous avons testé le degré de durcissement par DSC, comme nous l'avions fait pour les deux jantes précédentes, nous avons réalisé que le cycle de durcissement optimisé par la cinétique nous permettait non seulement de réduire presque de moitié le temps de production, mais aussi d'améliorer encore le degré de durcissement. Une fin vraiment heureuse", conclut le Dr Leonardi.
En effet, le cycle de fabrication en autoclave de la jante de vélo en PRFC de Blacks S.r.l. a été réduit de 46 % par rapport au cycle précédent qui avait atteint l'objectif de durcissement souhaité ; en outre, il a même dépassé le degré de durcissement visé (avec un résultat final de 96,1 %) et a évité la surchauffe dans le même temps.
La figure 4 montre en un coup d'œil la comparaison de toutes les données pertinentes pour la production de chaque jante de vélo.
Cette étude de cas a clairement démontré comment les cycles de production peuvent être optimisés grâce à une approche combinée DSC-cinétique. Par rapport à la fabrication par essais et erreurs, la caractérisation et la simulation des matériaux sont beaucoup plus efficaces et ne nécessitent que quelques milligrammes de résine, ce qui permet à l'industrie des composites de réaliser d'importantes économies en termes de matières premières et de temps de production.
Remerciements
La collaboration entre Blacks S.r.l. et NETZSCH s'est étendue à d'autres domaines et est toujours active. Le Dr Chiara Leonardi a souvent été notre invitée lors de conférences, de séminaires et de webinaires.
L'étude de cas " Curing Optimization " a également été présentée dans le monde entier et publiée dans Compositi Magazine (numéro de décembre, 2018 : pages 20-28). Ici, vous pouvez lire l'article complet pour un aperçu plus approfondi de ce projet.
En outre, Blacks ne cesse de croître : la cinquième édition de l'enquête "Champions de la croissance" de l'Institut allemand de la qualité ITQF a reconnu Blacks parmi les 800 entreprises qui ont stimulé la reprise économique cette année, avec un taux de croissance annuel moyen de plus de 11,3% sur la période de trois ans allant de 2018 à 2021.
Cette reconnaissance réaffirme leur engagement continu dans la poursuite de l'excellence et de l'innovation. Il semble vraiment que Blacks partage notre vision de l'excellence prouvée!
Nous félicitons notre client et remercions encore une fois le Dr Chiara Leonardi pour son soutien, tout en nous réjouissant de relever ensemble de nouveaux défis.
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Pour plus d'informations sur l'utilisation de notre logiciel Kinetics Neo pour modéliser le processus de durcissement, veuillez consulter la section du site Web qui lui est consacrée section dédiée du site web.
Si vous souhaitez visionner l'enregistrement du webinaire présenté par le Dr. Chiara Leonardi, veuillez contacter directement notre bureau italien par courrier électronique : info.niv@NETZSCH.com