La première section de fuselage composite pour le premier jet commercial composite

En 2003, lorsque The Boeing Co. (Chicago, IL, États-Unis) a annoncé des plans pour le développement de ce qui allait devenir son avion de ligne commercial 787, on a beaucoup insisté sur le fait que l'avion serait le premier à comporter un fuselage, des ailes, queue et d'autres structures majeures fabriquées à partir de composites en fibre de carbone, plutôt que l'aluminium qui avait été la norme au cours des décennies précédentes. La décision de Boeing de confier la fabrication de ces structures majeures à un réseau de fournisseurs mondiaux qui construiraient des sous-ensembles complets, dont chacun serait finalement intégré à la chaîne d'assemblage final de Boeing à Everett, WA, États-Unis, était presque aussi notable. La liste de ces fournisseurs, désormais bien connue, comprend Mitsubishi Heavy Industries et Kawasaki Heavy Industries (Tokyo, Japon), Alenia Aeronautica (Naples, Italie) et, notamment aux États-Unis, Spirit AeroSystems.

Spirit a été choisi pour fabriquer l'ensemble du fuselage avant du 787 - appelé Section 41 - qui comprend le poste de pilotage, les pare-brise du poste de pilotage, deux portes, neuf fenêtres passagers et toute l'avionique, les sièges du poste de pilotage et le câblage. Mesurant 6,2 m de diamètre et 12,8 m de long, la section 41 est sans doute la plus complexe des sections de fuselage de l'avion.

Que Spirit soit sélectionné pour fournir 787 structures n'était pas une surprise. L'histoire de l'entreprise remonte à 1927, lorsque la légende de l'aviation Lloyd Stearman a déménagé sa Stearman Aviation Co. de Californie à Wichita. À peine deux ans plus tard, Boeing – qui s'appelait à l'époque United Aircraft and Transport Corp. – a acquis Stearman. L'usine Boeing de Wichita allait fabriquer certains des avions militaires les plus emblématiques de l'histoire américaine, notamment le B-29 Superfortress , le B-47 Stratojet et le B-52 Stratofortress .

En 2005, au moment où Boeing avait commencé sérieusement le développement de la fabrication du 787, le campus de Wichita avait été vendu par Boeing et rebaptisé Spirit AeroSystems. Eric Hein, directeur principal de Spirit, R&D et ManTech, affirme que la société - maintenant avec des sites supplémentaires aux États-Unis (Kansas, Oklahoma et Caroline du Nord) ainsi qu'en Écosse, en France et en Malaisie - abrite le plus grand constructeur d'avions commerciaux au monde. aptitude. En plus du 787, Spirit construit des structures majeures (principalement métalliques) pour les 737, 747, 767 et 777 de Boeing; les Airbus A320, A350 (également intensifs en composites) et A380 ; la CSeries de Bombardier; le Mitsubishi MRJ; le Sikorsky CH-53K (hélicoptère); et le Bell V-280 (tiltroteur). Selon Hein, Spirit a réalisé un chiffre d'affaires de 7 milliards de dollars en 2017 et un carnet de commandes de 46 milliards de dollars.

Tout au long de la croissance de l'entreprise, l'emplacement de Spirit's Wichita est resté le cœur des opérations de l'entreprise. Avec 150 bâtiments répartis sur 600 acres, remplis de 10 700 employés, c'est une ville manufacturière en soi, occupée par des camions, des voitures et des navettes livrant des personnes et des marchandises sur tout le campus.

La fabrication du fuselage avant du 787 est confinée à un très grand bâtiment, près du bord du campus. Ici, toute la fabrication des composites, l'installation des structures internes et l'intégration des systèmes sont effectuées avant que le produit fini ne soit expédié à Everett pour l'assemblage final.

Fuselage monolithique

CW La visite de la zone de production du 787 est dirigée par José Sanchez, directeur principal de Spirit, 787 Operations. Spirit AeroSystems construit sa partie du fuselage du 787 sous la forme d'une structure monolithique, combinant un processus automatisé de placement de fibre/bande avec des longerons co-durcis pour former un canon monobloc. (En particulier, Airbus a conçu plus tard l'A350 XWB comparable avec un fuselage composé de panneaux composites en fibre de carbone, plutôt que d'une structure monobloc ; Spirit fabrique des panneaux de fuselage pour l'A350 à Kinston, Caroline du Nord, États-Unis, et les assemble en France.) /P>

Les matériaux composites utilisés pour fabriquer les structures primaires 787, comme cela a été largement rapporté, proviennent de Toray Industries (Tokyo, Japon) et sont des préimprégnés renforcés de fibres de carbone Torayca série 3900 utilisant une fibre T800S à module intermédiaire. Le préimprégné est fourni sous forme de ruban UD, de ruban fendu (pour le placement automatisé de fibres/ruban) et de tissus tissés.

La conception du fuselage du 787 stipule deux opérations de fabrication de base des composites :la découpe et le formage des longerons et le placement des fibres de la peau du fuselage. L'astuce consiste à combiner les longerons avec la peau placée en fibre pour permettre une structure co-durcie. Pour cette raison, Spirit et, par extension, Boeing, attachent beaucoup d'importance aux processus effectués lors de la première étape de la tournée :la fabrication des limons.

Cette ligne hautement automatisée comprend une table de découpe américaine GFM (Chesapeake, VA, US) qui découpe le préimprégné Torayca série 3900 en plis. Ceux-ci sont transférés vers une table d'assemblage, où les plis sont empilés manuellement, guidés par un laser LAP aérien (Erlanger, KY, États-Unis) et préparés pour le formage. Sanchez dit que cette ligne de fabrication de longerons incarne une grande partie de la propriété intellectuelle Spirit développée pour la fabrication de l'article 41 et constitue une partie essentielle du fonctionnement de l'installation.

Les longerons préformés, au fur et à mesure qu'ils sortent de la ligne de longerons, sont ensuite transférés par les opérateurs vers un mandrin de section 41 adjacent qui deviendra le centre de toutes les opérations de fabrication de composites, à l'avenir. Le mandrin, dit Sanchez, qui porte la forme et les dimensions de la section avant du fuselage, est fabriqué à partir d'un composite fibre de carbone/bismaléimide (BMI) et comprend six segments. Chaque segment est divisé latéralement le long du mandrin. Des fentes sont usinées dans la surface de chaque section de mandrin, sur toute la longueur de l'outil, dans lesquelles sont placées les lisses préformées, le fond plat de la lisse tournée vers l'extérieur.

Une fois que tous les longerons ont été placés dans leurs fentes, les opérateurs surenveloppent l'ensemble du mandrin avec un tissu métallique entrelacé (IWWF), fabriqué par Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, US), qui fournit une protection contre la foudre pour l'ensemble du 787 fuselage. Toute cette structure est ensuite enveloppée d'un film plastique d'ensachage. Le film maintient l'IWWF et les longerons en place pendant que le mandrin est acheminé via un véhicule guidé manuellement jusqu'à la station suivante - placement automatisé des fibres (AFP) - puis est retiré pour l'AFP.

Peut-être qu'aucun processus n'est venu symboliser davantage l'utilisation des composites sur le 787 que le système AFP utilisé pour fabriquer la peau du fuselage. L'AFP, même à l'aube du programme 787, était utilisée depuis de nombreuses années, ce n'était donc pas une nouveauté dans la fabrication de composites. Ce qui était nouveau, avec le 787, c'était l'ampleur de l'application. Peu de structures composites réalisées avec l'AFP ont atteint la taille d'une seule section de fuselage du 787.

Lorsque Spirit a établi la production du 787 à Wichita, l'AFP a été réalisée avec une machine à 32 cantres fournie par Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, États-Unis). Cependant, au début des années 2000, Boeing a commencé à travailler avec le spécialiste de l'automatisation Electroimpact (Mukilteo, WA, États-Unis) sur le développement d'une nouvelle machine AFP dotée de têtes modulaires et interchangeables. Chaque tête stockerait toutes les bobines de fibre de carbone pour un type d'opération donné et pourrait être relativement facilement remplacée, en fonction de la largeur de bande requise.

Bien que Spirit ait toujours sa machine Ingersoll d'origine, elle est utilisée dans un rôle de sauvegarde. C'est parce que Spirit a finalement acquis deux machines Electroimpact pour faire l'essentiel de la fabrication de la peau de la section 41. Sanchez dit que les machines AFP d'Electroimpact, chacune équipée d'une tête à 16 bobines (0,25 et 0,50 pouce de large/6,35 et 12,7 mm de large), fonctionnent ensemble pour appliquer le matériau sur le mandrin. Le mandrin est monté horizontalement et tourné sur une broche, tandis que les têtes traversent de chaque côté, plaçant des câbles, la plupart du temps dans des parcours relativement courts et hautement proscrits. Les visiteurs peuvent facilement voir, dans les lumières vives de l'usine, la collection diversifiée et multi-angle de câbles qui ont déjà été placés sur le mandrin.

Sanchez n'a pas voulu révéler combien de temps il faut aux deux machines Electroimpact pour placer complètement toutes les fibres pour une peau de fuselage, sauf pour dire que c'est "très rapide". Toutes les opérations AFP sont gérées par trois opérateurs sur la machine. L'un travaille dans une cabine de contrôle qui surplombe le mandrin tandis que les deux autres marchent sur le sol sous et à côté du mandrin, lampes de poche à la main, à la recherche d'espaces, de chevauchements, d'irrégularités, de plis et de débris d'objets étrangers (FOD) problématiques à la surface du mandrin. câbles préimprégnés. Les défauts doivent être traités/réparés avant que la structure ne soit guérie.

Le prochain arrêt de la section 41, après un autre ensachage intégral, est l'autoclave. Spirit Wichita exploite deux énormes autoclaves de Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, US). La section du fuselage est durcie pendant la nuit, après quoi la structure est désensachée et le mandrin en six parties est démonté et retiré, section par section, à travers l'extrémité large du fuselage.

Finition post-traitement

Ce qui suit pour la section 41, ce sont plusieurs jours de voyage d'une station à l'autre alors que l'ensemble de la structure progresse vers l'achèvement. Cela comprend une visite d'une machine de routage et de perçage à portique à 5 axes Torresmill de MTorres (Torres de Elorz, Espagne), qui perce des trous pour les cadres de fuselage et d'autres structures intérieures, ainsi que les ouvertures de porte, les fenêtres et l'ouverture du train d'atterrissage avant. Le fuselage est également soumis à une inspection non destructive par écho d'impulsion (NDI), à la préparation de la peinture, à la peinture, à l'installation de vitres, à l'installation de portes et à l'installation de toutes les structures/systèmes intérieurs. Les premières structures intérieures installées sont les cadres circulaires (métalliques et composites), qui sont fixés aux longerons et à la peau du fuselage. Tout au long de ces processus, la section 41 est travaillée à chaque station, quille haute ou quille basse, en fonction de l'activité impliquée.

Pendant CW Lors de la visite de , environ 30 postes de travail ont été examinés, et chacun contenait une structure de la section 41 dans un certain état d'assemblage, et chaque section laisse Wichita prêt pour une intégration immédiate au Boeing FAL à Everett. Boeing construit actuellement 12 787 par mois et s'est engagé à en produire 14 par mois d'ici 2019, un nombre inhabituellement élevé pour un gros-porteur.

Sanchez note que Spirit travaille sur la fabrication de l'article 41 – soit en développement, soit en production réelle – depuis près d'une décennie. Tous les bogues, défauts et particularités qui auraient pu exister ont été identifiés et résolus depuis longtemps. Atteindre ce taux de construction de 14 ensembles de navires par mois, dit-il, ne sera pas un problème.

R&D de nouvelle génération

Alors que la visite quitte l'usine de fabrication de la section 41, CW est conduit à l'extérieur vers un bâtiment voisin pour une rencontre avec Pierre Harter, directeur de la recherche avancée chez Spirit. Auparavant ingénieur chez Adam Aircraft, aujourd'hui défunte Denver, CO, basé aux États-Unis et chez Bombardier (Montréal, QC, Canada), et diplômé de la Wichita State University, Harter dirige CW dans ce qui semble être un bâtiment indéfinissable, à plusieurs couloirs et à plusieurs portes, qui se révèle néanmoins rapidement être la plaque tournante des efforts de recherche et de développement des composites de Spirit.

Aussi sophistiquée que soit la ligne de fabrication Section 41 de Spirit, le fait incontestable est qu'elle utilise une technologie de fabrication de composites qui était nouvelle il y a plus de dix ans. Les réalités de la qualification aérospatiale (à la fois en termes de coût et de temps) et de fabrication obligent Spirit et ses fournisseurs similaires à choisir une technologie de fabrication pour une structure d'avion dès le début, puis à s'y tenir pendant toute la durée du programme. La capacité de mettre à niveau les équipements et les matériaux est donc souvent limitée, peu importe à quel point les avancées les plus récentes dans la technologie de fabrication des composites pourraient être avantageuses.

Le travail de Harter consiste donc à évaluer les matériaux et technologies composites nouveaux et émergents et à déterminer ceux qui sont susceptibles de trouver leur place dans les avions de nouvelle génération. En effet, avec le 787 et l'Airbus A350 en production, toute la chaîne d'approvisionnement de l'aérospatiale commerciale est occupée à anticiper le prochain grand programme commercial et ses membres s'assurent chacun d'acquérir les connaissances et l'expertise dont les OEM ont besoin.

La sagesse conventionnelle dit que le prochain programme officiellement annoncé sera le New Middle-Market Airplane (NMA, ou 797) monocouloir et bimoteur de Boeing, qui remplacerait effectivement le 757. Cet avion devrait entrer sur le marché vers 2025. Bien que il utilisera certainement des composites, les questions posées à l'équipe R&D de Spirit sont combien ? Où? Et quel genre ? Personne ne connaît encore les réponses, alors Harter et son équipe évaluent toutes les options. Ainsi, la panoplie de matériaux, d'équipements et de projets en développement chez Spirit est actuellement vertigineuse. «Nous travaillons sur une variété de projets», dit Harter. « Hors autoclave, RTM rapide, thermoplastiques, outillage innovant, inspection en ligne, pilotage de fibre. Nous voulons être prêts pour tout ce dont les OEM ont besoin. »

La pièce maîtresse du laboratoire de composites Spirit Wichita est une machine AFP à électroimpact à 16 bobines (0,125, 0,25, 0,5 pouce), qui, selon Harter, est utilisée pour mener des études commerciales sur l'utilisation de l'inspection automatisée en ligne, ainsi que pour une variété d'autres activités, y compris le prototypage. L'objectif du système d'inspection automatisé, explique Harter, est d'éliminer le travail fastidieux et laborieux dont nous avons été témoins plus tôt au cours de la tournée, en regardant les techniciens de l'AFP, avec des lampes de poche, à la recherche de tours, d'écarts, de plis et de FOD problématiques.

Spirit, dit Harter, évalue un système LASERVISION d'Aligned Vision (Chelmsford, MA, États-Unis), qui oblige Spirit à repenser ce qui est et n'est pas un vrai défaut, "et à repenser la façon dont nous caractérisons les défauts". Il dit que le système pourrait être opérationnel dans l'atelier de production d'ici la fin de cette année.

Au-delà du système AFP, Spirit a une variété d'autres projets en cours à différents niveaux de maturité technologique (TRL). Il s'agit notamment des éléments suivants :

• Un outil polymère à mémoire de forme (TRL 6),
• Une section de longeron fabriquée avec Hexcel (Stamford, CT, États-Unis) HiTape (fibre sèche) en utilisant RTM (TRL 6),
• Un longeron infusé avec des capteurs intégrés pour le contrôle de processus in situ, durci à l'aide d'un autoclave ou d'un four (TRL 4),
• Un cadre réalisé avec AFP dirigée et formage à chaud (TRL 6),
• Et des outils imprimés en 3D fabriqués sur la machine de fabrication additive Big Area (BAAM) de l'université d'État de Wichita, fournis par Cincinnati Inc. (Harrison, OH, États-Unis).

D'autres domaines de recherche, explique Harter, incluent les préformes cousues, l'AFP/ATL robotique et l'innovation de la tête AFP. Ce dernier est né d'un défi lancé fin 2016 par Spirit pour doubler les taux de dépôt de l'AFP en deux ans. Harter dit que lui et ses associés ont découvert, dans leurs efforts pour relever ce défi, qu'"une fois les processus robotiques optimisés, vous vous heurtez aux limites de la technologie tête/machine", ce qui signifie que le facteur limitant de la vitesse de l'AFP devient l'efficacité de la distribution du câble de fibre. . Spirit travaille avec Electroimpact et des fournisseurs de matériaux sur des technologies conçues pour augmenter le débit total.

La dernière étape de la tournée Spirit Wichita est le test des matériaux et des composants. Sans surprise, Spirit dispose de capacités robustes ici, y compris 15 machines d'essais mécaniques (capacité de 11 à 50 kip) fournies par MTS Systems Corp. de l'espace pour les essais de composants à grande échelle — les structures d'aile et les inverseurs de poussée étaient soumis à une contrainte active pendant les CW's visite.

À la fin de la visite, des adieux sont échangés et le vaste campus Wichita de Spirit AeroSystems se retire chez CW's départ, il est facile, compte tenu des capacités considérables de Spirit de composites, de se demander à quoi ressemblera la prochaine décennie pour cet aéronautique majeur. Dans le monde aérospatial mondial, sa gamme de capacités est sans doute sans égale. Spirit AeroSystems, semble-t-il, est prêt pour tout ce que l'avenir nous réserve.