Efficacité verticale pour les processus LSR : Comment ENGEL insert réduit de moitié les temps de cycle et optimise la qualité

La mobilité hydrogène est considérée comme une technologie clé pour un avenir climatiquement neutre. La pile à combustible, en particulier, en tant qu'élément central, impose des exigences très élevées en matière de technologie de fabrication. L'un des procédés critiques est l'application précise et fiable de joints en caoutchouc de silicone liquide (LSR) sur les couches de diffusion de gaz (GDL), des éléments sensibles. Lors du salon K 2025, ENGEL, en collaboration avec ACH Solution, a présenté une solution hautement automatisée qui allie une précision maximale à une rentabilité élevée et à un rendement important.

La pile à combustible est un système complexe où chaque composant doit fonctionner parfaitement et avec précision. Les couches de diffusion de gaz (membranes GDL) jouent un rôle central : elles assurent la répartition uniforme de l’hydrogène et de l’oxygène sur la couche catalytique, conduisent l’évacuation des électrons et éliminent sélectivement l’eau de réaction. Pour remplir ces fonctions de manière fiable, les membranes GDL doivent être fabriquées avec une étanchéité absolue, sans altérer leur structure poreuse et délicate. Le surmoulage de ces composants sensibles avec un joint en silicone liquide mince impose des exigences de fabrication extrêmement élevées et requiert une coordination parfaite entre la presse à injecter, le moule et le système d’automatisation.

Les membranes GDL sont extrêmement fragiles et doivent être manipulées avec le plus grand soin. Götz Scheibe, responsable des ventes chez ACH Solution – spécialiste des moules d’injection silicone et des technologies de dosage – décrit les exigences : « Le défi commence par le retrait individuel des films de membrane, livrés empilés. Un seul film peut être retiré à la fois sans endommager les membranes adjacentes.» Après retrait, un positionnement précis dans le moule est indispensable, généralement obtenu grâce à une station de pré-centrage avec une tolérance de ±0,1 mm.

Dans le moule, la surface d’étanchéité doit être conçue de manière à ce que le silicone ne s’infiltre pas sous la membrane GDL et que celle-ci ne soit pas endommagée par la pression de fermeture. Cependant, l’exigence de précision la plus élevée concerne l’épaisseur de paroi du joint : « Nous parlons d’une épaisseur de paroi constante de ±0,01 mm pour une longueur de composant de 550 mm », explique M. Scheibe. Cette précision est cruciale car jusqu’à 300 de ces éléments d’étanchéité sont empilés les uns sur les autres dans une pile à combustible. « Même les plus infimes écarts de tolérance s'accumuleraient, avec le risque de contraintes mécaniques ou de dysfonctionnements fonctionnels dans la pile à combustible. »

Pour transposer ce procédé de précision en production de série tout en le rendant économique, ENGEL a conçu une solution de production hautement automatisée basée sur une presse à injecter verticale de la gamme insert. L'élément central de la solution présentée au salon K 2025 est une presse insert rotary 150 d’ENGEL, d'une force de fermeture de 150 to et dotée d'une table rotative intégrée. Ce concept permet le fonctionnement en parallèle : pendant le moulage par injection du joint dans un poste, la pièce finie est simultanément extraite et la membrane GDL suivante est insérée dans le poste suivant. Avec un temps de cycle de seulement 50 secondes, la cadence de production est quasiment doublée.

Comme toutes les presses à injecter sans colonnes d'ENGEL, la série insert verticale se caractérise non seulement par une excellente accessibilité du moule, mais aussi par une répartition très uniforme de la force de fermeture sur toute la surface des plateaux. Franz Pressl, responsable de la gestion des produits pour les presses verticales et sans-colonnes, explique : « Sur les presses verticlaes inserts d'ENGEL, le parallélisme des plateaux est assuré par la technologie éprouvée FlexLink, qui compense automatiquement la dilatation du bâti. De plus, la robustesse des plateaux contribue à une compression très uniforme du moule. Il en résulte une épaisseur de paroi extrêmement constante, même pour des pièces à la fois grandes et fines. »

La conception verticale offre d'autres avantages cruciaux pour cette application. Götz Scheibe explique : « La conception verticale exploite au mieux la gravité. Cela élimine les couples latéraux et le moule se ferme exclusivement vers le bas. Ceci protège les glissières et contribue à la précision dimensionnelle et à la stabilité du processus à long terme – un avantage indéniable par rapport aux machines horizontales. » De plus, le concept de machine de la série insert d’ENGEL est particulièrement compact : l’armoire de commande est intégrée verticalement à la machine, réduisant considérablement l’encombrement de la cellule de production – un aspect important pour les espaces de production restreints. La machine utilisée ici est équipée d’un groupe d’injection hydraulique alimenté par le système d’entraînement écoénergétique ecodrive d’ENGEL. Les groupes d’injection hydrauliques ENGEL offrent déjà une précision suffisamment élevée de série pour permettre de telles applications.

La série insert offre aux entreprises de moulage par injection une flexibilité maximale : grâce à un large éventail de combinaisons possibles pour les entraînements électriques et hydrauliques, chaque machine peut être configurée individuellement pour répondre aux exigences spécifiques de chaque application.

Concernant le concept de table rotative, Scheibe explique : « En principe, cette application pourrait également être mise en œuvre sans table rotative. Cependant, compte tenu des volumes de production requis, nous ne pouvons nous permettre aucun temps d'arrêt. L'association d'une presse à injecter verticale et d'une table rotative nous permet d'utiliser simultanément le temps d'injection pour la manutention des pièces, ce qui double quasiment la productivité. »

Un moule innovant à deux cavités d'ACH Solution garantit la mise en forme précise de la géométrie complexe du joint. Équipées du système ACH SERVOSHOT 2G, les buses à aiguille servo-motorisées permettent un remplissage des cavités d'une grande précision et contrôlable individuellement. « Nous atteignons une précision de réglage de deux millièmes de millimètre », souligne Götz Scheibe. Ce haut degré de précision est essentiel pour éviter le sous-remplissage des cavités et la formation de bavures. L'ensemble du système est entièrement intégré au système de contrôle CC300 de la machine ENGEL. Pour Scheibe, c'est un atout majeur : « L'intégration au système de contrôle ENGEL est particulièrement pratique. Les réglages peuvent être effectués en parallèle du processus en cours ou à distance, sans interruption de production. »

L'intégration offre également une visualisation graphique qui indique instantanément le réglage précis de chaque buse. Autre élément clé pour la stabilité du processus : le système de canaux froids, à l'équilibre thermique et rhéologique précis. Cela permet à l'ingénieur d'application de reprendre rapidement le processus après un arrêt prolongé. Scheibe explique : « Notre système SERVOSHOT permet une optimisation précise des lignes de soudure. La matière s'écoule ainsi toujours exactement là où il le souhaite, une condition essentielle pour des processus stables et reproductibles. »

Un système ACH MAXIMIX 3G Pro assure le dosage précis de la matière LSR à faible viscosité, en l'occurrence l'ELASTOSIL® LR 3003/30 de WACKER. Spécialement conçu pour les faibles quantités de matière, comme les 20,3 grammes utilisés ici, il garantit un rapport de mélange précis et une grande stabilité du processus. Ce système est également entièrement intégré au système de contrôle ENGEL CC300.

La manipulation complète des membranes GDL et des composants finis est assurée par un robot articulé easix d’ENGEL, entièrement intégré au système de contrôle. Dans un premier temps, il prélève les feuilles de membrane via un système d'alimentation et les positionne avec précision dans la station avant de la table rotative. Après une rotation de 180 degrés de la table, le moulage par injection a lieu dans la station arrière. Simultanément, le robot retire les composants finis par l'avant et insère de nouvelles feuilles de membrane. La synchronisation étroite entre le processus de moulage par injection et les mouvements du robot, via le système de contrôle central CC300, garantit un processus stable et parfaitement coordonné.

L'un des principaux défis consiste à démouler les membranes surmoulées du moule chaud. « Le silicone est reconnu pour sa forte adhérence, et sa résistance à la déchirure est cruciale à haute température », explique Götz Scheibe. « Une fine pellicule de silicone est très fragile et s'abîme facilement à chaud. Cela exige des stratégies de démoulage sur mesure. » Des aides au démoulage ciblées dans le moule garantissent le détachement fiable du joint délicat de la paroi de la cavité. Après le démoulage, les débordements des points d'injection sont éliminés lors d'une étape distincte.

Pour garantir une qualité élevée et constante des composants, le système d'assistance digitale iQ weight control d'ENGEL est utilisé. Il analyse la courbe de pression d'injection en temps réel et compense les fluctuations de viscosité de la matière au cours du cycle. « Le système iQ weight control détecte les différences de viscosité en temps réel et les compense automatiquement », explique Götz Scheibe. « Cela améliore considérablement la stabilité du processus, même si aucune pression supplémentaire n'est requise pour compenser le retrait des pièces avec le LSR. Il est donc d'autant plus important que le volume d'injection reste constant. » Un volume d'injection constant garantit un poids de pièce homogène. Scheibe souligne : « L'objectif principal est la constance du poids d'injection. C'est un critère de qualité essentiel, car le poids de la pièce est un indicateur précieux de la qualité du produit. »

Le système excelle véritablement dans la gestion des changements de couleur, souvent accompagnés de fluctuations importantes de la viscosité du silicone. Scheibe explique : « Les changements de couleur sont particulièrement critiques avec le silicone, car différentes pigmentations peuvent fortement influencer sa viscosité. Le système iQ weight control compense ces fluctuations, garantissant ainsi une qualité constante des composants. »

Après démoulage, chaque composant est soumis à une inspection par caméra intégrée. Celle-ci vérifie le joint LSR et s’assure que la cavité est parfaitement remplie et que le joint est exempt de défauts ou de bavures. « Les transitions sont éliminées simultanément au cours de ce processus », ajoute Scheibe. L’association d’un moule de précision, d’un contrôle intelligent du processus et d’une inspection intégrée à 100% permet une fabrication extrêmement stable et fiable.

Le choix du silicone liquide comme matière d’étanchéité n’est pas fortuit. Cette matière démontre tout particulièrement ses atouts dans le domaine de la mobilité du futur. « En particulier dans les véhicules électriques à recharge rapide, les températures atteintes sont de plus en plus élevées. Le silicone est alors indispensable grâce à sa résistance aux hautes températures », résume Götz Scheibe. Les matières en silicone sont de plus en plus utilisées dans les systèmes de refroidissement et les batteries en raison de leurs propriétés de dissipation thermique. Ces caractéristiques font du LSR la matière idéale pour les applications d'étanchéité exigeantes dans les domaines de l'électromobilité et des piles à combustible.

La cellule de production mise en œuvre par ENGEL et ses partenaires est conçue pour une production proche de la série et démontre avec brio comment une précision maximale peut être associée à des temps de cycle courts. Le système est conçu pour un débit élevé : 50 à 300 cellules sont nécessaires par pile à combustible, ce qui requiert la production de deux couches GDL par cellule. L'ensemble du concept vise une efficacité de production maximale et une consommation d'énergie minimale. Grâce à sa conception compacte et à l'intégration complète de tous les composants – de la machine à l'automatisation et au contrôle des moules, jusqu'à la technologie de dosage – la cellule s'intègre facilement aux lignes de production existantes. ENGEL et ACH proposent une solution système parfaitement coordonnée, témoignant ainsi de leur expertise dans les procédés complexes à composants multiples.

La production automatisée de joints LSR sur membranes GDL illustre comment les défis de la mobilité hydrogène peuvent être relevés grâce aux technologies modernes de moulage par injection. L'interaction entre une presse à injecter verticale de haute précision, des moules innovants, la technologie des canaux froids et une automatisation parfaitement intégrée permet un processus de production en série stable, économique et de haute qualité. La solution présentée pour le surmoulage de films membranaires minces avec un joint LSR positionné avec précision dans un espace restreint est particulièrement efficace et s'intègre facilement aux lignes de production existantes. De telles solutions sont essentielles pour permettre à la technologie des piles à combustible de réaliser une percée et de rendre la mobilité de demain plus durable.