Au service du monde des composites en Israël et aux États-Unis

Elbit Systems Ltd. (Haïfa) est le plus grand sous-traitant de la défense d'Israël, avec un chiffre d'affaires de 3,3 milliards de dollars US en 2017 et un carnet de commandes de plus de 7,5 milliards de dollars US en 2018. Ses activités comprennent des systèmes et des structures pour les avions militaires et commerciaux, les véhicules terrestres, la patrie sécurité et une variété de systèmes de renseignement, électroniques et cybernétiques. Sur ses 12 500 employés, près de 3 000 se trouvent aux États-Unis, en collaboration avec sa filiale Elbit Systems of America, qui possède plusieurs sites, notamment dans les États américains de l'Utah et du New Hampshire et à Fort. Worth, Texas, États-Unis. Et Elbit Cyclone s'est étendu à un site supplémentaire, appelé Aero-Structure Technologies Cyclone (ATC), près de l'aéroport international de Tbilissi, Géorgie, construit en partenariat avec le gouvernement géorgien. La construction d'une installation de 12 000 m2, équipée de deux autoclaves et d'une capacité d'usinage CNC et NDI, est terminée. « Nous travaillons actuellement pour qualifier cet emplacement avec les principaux équipementiers d’avions », déclare Jonathan Hulaty, directeur principal du développement commercial et du marketing d’Elbit Cyclone.

La filiale Elbit Systems Cyclone est basée dans le nord d'Israël et sert de centre de conception et de production de structures et d'assemblages d'avions métalliques et composites. La société se trouve sur le même site, près de Karmiel, où Cyclone a été créé en 1970, dans un seul bâtiment, pour fournir des services de maintenance, de réparation et de révision (MRO) pour les avions et les hélicoptères de l'armée de l'air israélienne. Le vent en spirale généré par le tourbillonnement des pales d'hélicoptère a inspiré le nom d'origine de l'entreprise.

Cyclone avait établi une capacité de composites dans les années 1980 et a commencé à travailler pour des clients en dehors d'Israël, en construisant des portes métalliques pour McDonnell Douglas DC-10 et MD-11 gros-porteurs et pièces pour F-15 et F-16 jets militaires ainsi que le Gulfstream G-200 jet d'affaires.

Elbit a acquis Cyclone à la fin des années 1990, a investi dans l'entreprise et, en 2010, sa taille avait triplé. En 2017, Cyclone avait produit 11 000 portes en aluminium pour les avions commerciaux 737 de The Boeing Co. (Chicago, IL, États-Unis), y compris des portes d'entrée arrière, des portes de cuisine et des portes cargo arrière et avant. Elle a ensuite passé un contrat directement avec Boeing pour la production d'ensembles de plancher composites et de pièces de détail pour le 787 Dreamliner , et avec Spirit AeroSystems (Wichita, KS, US) pour les pièces composites de la section 41 du fuselage de ce même avion. Elle fournit également des poutres de plancher passagers pour la variante Boeing 787-8. La société est désormais reconnue comme Boeing Gold Level Preferred Supplier, la plus haute distinction de fournisseur de Boeing. Cyclone est l'un des rares à l'avoir atteint et est le premier en dehors des États-Unis.

L'entreprise fournit également des pièces pour les avions d'affaires long-courrier de Bombardier (Montréal, QC, Canada) et diverses pièces pour trois variantes du F-35 ancré aux États-Unis. Éclair II . Parmi les autres clients notables de la longue liste de clients de Cyclone, citons Lockheed Martin, Sikorsky, GKN Aerospace, Textron, Triumph, Northrop Grumman et Bell Helicopter.

Hulaty, CW's hôte de la tournée, se souvient :« À la fin des années 1990, nous avions 400 employés. Maintenant, nous sommes cinq fois plus gros en ventes, avec 500 employés. Ceci est possible grâce à l'accent que nous mettons sur les processus lean. La plupart de ce que nous faisons est de construire pour imprimer, ce qui peut ne pas sembler glorieux, mais cela représente une grande partie de notre industrie. » Hulaty ajoute que les exigences de qualité, de répétabilité et de compétitivité, associées aux investissements en équipements et systèmes qualité nécessaires pour répondre à la production, en font une position difficile mais intéressante sur le marché :« Être un fournisseur de niveau composites aérospatiaux n'est pas pour les âmes sensibles. »

Loin de s'évanouir, Cyclone a vu son activité composites dépasser sa métallurgie l'année dernière pour représenter la majorité de sa production, avec une répartition d'environ 60/40. Hulaty prévoit que la croissance va se poursuivre :« Cette année, nous passerons probablement à 70 % de composites. »

Maîtrise des pièces

CW La visite commence dans la salle de conférence principale du site, où Hulaty donne une brève introduction. La production de Cyclone, explique-t-il, est répartie à environ 50/50 entre militaire et commerciale. Les pièces composites commerciales comprennent les trappes de train d'atterrissage, les pièces de nacelle, les revêtements, les carénages, les surfaces de contrôle et les grilles de plancher structurelles. Les composites militaires comprennent les revêtements, les portes, les réservoirs externes à enroulement filamentaire, les pylônes, les gouvernes, les flotteurs d'hélicoptère et les entrées de moteur.

Cyclone a également conçu l'aile extérieure et la poutre de queue pour un véhicule aérien sans pilote à moyenne altitude et à longue endurance (MALE UAV) qui vole à des altitudes de 3 048 à 9 144 m pour des durées prolongées (par exemple, de 24 à 48 heures). Cependant, note Hulaty, la société ne fait plus beaucoup de travail sur les drones. « Les drones sont généralement de petite taille et utilisent un lay-out humide, ce qui n’est pas notre expertise », explique-t-il. Il existe des drones plus grands fabriqués à l'aide de préimprégnés, mais Hulaty souligne qu'ils sont généralement produits en plus petites quantités ou produits en interne par Boeing, General Atomics et d'autres grands équipementiers de défense. « Nous préférons la production en série longue de pièces préimprégnées aux programmes sporadiques. »

Les capacités de pièces préimprégnées de Cyclone incluent le dégrossissage sous vide de plusieurs couches via le formage à chaud (HDF) et le durcissement en autoclave. L'inspection non destructrice (NDI) et l'usinage CNC des pièces durcies sont effectués sur place, et une expertise particulière est la production à haute cadence d'assemblages métalliques et composites complexes. Cyclone a obtenu toutes les certifications de fabrication et de qualité aérospatiale (par exemple, AS9100, Nadcap, ISO9001) et a développé des capacités en enroulement filamentaire et moulage par transfert de résine (RTM).

RTM était, en fait, CW première introduction à Cyclone. Le développement par l'entreprise d'une alternative unifiée et tout composite aux portes passagers en métal sur les avions commerciaux a été présenté dans le CW 2013 article « Réduire le coût des aérostructures composites intégrées. La technologie a utilisé des raccords composites RTM et géométriquement verrouillés pour obtenir une structure certifiée FAA avec très peu de fixations, une économie de poids de 30 % et une réduction des coûts de 25 à 35 % par rapport aux conceptions composites en aluminium et « aluminium noir ». La construction réussie par Cyclone d'une porte composite entièrement sans attaches ainsi que l'extension de la technologie aux surfaces de contrôle d'avion composites plus légères et moins coûteuses ont été décrites par CW dans une mise à jour de 2016 intitulée « Porte et surfaces de contrôle d'avion en composite sans fixation. » Hulaty conclut ses remarques introductives en soulignant la porte n°1 sans attaches, exposée dans la salle de conférence. La pièce est impressionnante, avec une finition de haute qualité. Puis il ouvre la voie à la sortie du bâtiment.

Layup et test rationalisés

Hulaty mène la visite en bas d'une colline, puis tourne à gauche dans l'entrée du bâtiment de production de composites de Cyclone. Plusieurs pièces sont également présentées ici :des carénages de dérapage de queue de Boeing 767, un Beechcraft King Air winglet et pièces composites F-35. Passé l'entrée, une salle blanche à accès restreint pour la production liée à la défense reste fermée sur la gauche. À droite, les travailleurs de la salle blanche pour les pièces du Boeing 787 déposent du préimprégné pour une gamme de pièces, des petits clips et montants aux poutres complexes en J, I et C, ainsi que des portes de train d'atterrissage avant en plusieurs pièces. Le préimprégné est coupé à l'aide d'un coupe-tissu automatisé Bullmer Assyst (Wakefield, Royaume-Uni) et d'une machine à guillotine pour couper des piles épaisses à n'importe quel angle. Le congélateur préimprégné est adjacent à la salle blanche. Hulaty note que parfois des piles de préimprégnés sont coupées, emballées et remises au congélateur. Les systèmes de projection laser Aligned Vision (Chelmsford, MA, États-Unis) situés dans toute la salle blanche assistent la pose des mains.

Des pièces de poutre de plancher en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) sont posées sur des mandrins métalliques mâles. Hulaty détaille le processus rationalisé :« Nous déposons d'abord les piles de préimprégnés, puis les appliquons sur le mandrin. Cela permet d'économiser une tonne de temps par rapport à l'application au coup par coup sur l'outil. Les drapages sont ensuite recouverts d'un revêtement en PRFC de notre propre conception, ce qui permet d'assurer une répétabilité à 100 % des pièces.

Une machine de formage à chaud se trouve le long de la paroi arrière de la salle blanche, permettant le dégrossissage de nombreuses pièces par cycle. "Je ne sais pas comment vous faites ce type de production de pièces préimprégnées à haute cadence sans formage par drapage à chaud", explique Hulaty en référence à des pièces telles que des poutres et des montants. Et pourtant, il reconnaît que cette étape n'est pas le goulot d'étranglement, pas plus que l'autoclave. « L'usinage à la fin, après le durcissement, est le goulot d'étranglement », affirme-t-il, expliquant que pour les pièces de poutre de plancher longues, il est plus rapide d'empiler une simple pile et de l'usiner après durcissement. « L'autoclave n'est pas le problème car nous pouvons empiler de nombreuses pièces à polymériser en même temps », ajoute-t-il. « Donc, nous obtenons en fait un bon taux de production par cycle de durcissement. »

Dans une grande zone attenante, quatre autoclaves sont installés le long du mur du fond. « Il est difficile d'obtenir la bonne taille pour vos autoclaves », affirme Hulaty, « car vous essayez d'équilibrer le taux de production et d'obtenir suffisamment de pièces par cycle, sans avoir un volume trop important pour chauffer et refroidir, ce qui prend du temps. . " Les autoclaves Cyclone d'un diamètre de 3 m fournis par Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, États-Unis) mesurent de 5 m et 10 m de long au plus long, à 11 m.

Une mezzanine au-dessus de la baie de l'autoclave abrite un service d'essais d'assurance qualité. Ici, les testeurs de Zwick (Ulm, Allemagne) disposent de chambres climatiques pour les cycles de température, nécessaires pour tester les matériaux utilisés sur les surfaces de contrôle des avions. « Ceux-ci effectuent des cycles de température et de charge, conformément aux spécifications OEM », explique Hulaty. « Nous effectuons tous les tests en interne et pouvons effectuer des qualifications de matériaux car presque tous nos clients ont visité et qualifié notre laboratoire. »

Il montre des micrographies d'une charge de rayon CFRP (« nouilles ») fabriquée par Cyclone, utilisée dans diverses constructions de poutres préimprégnées. « C'est un problème très complexe lorsque vous fabriquez des pièces où la bride de la poutre doit se connecter à l'âme et une nouille est utilisée pour permettre le transfert de charge et éviter les vides », explique Hulaty, menant la visite dans un deuxième laboratoire de test, où de petits disques sont polis et placés dans un équipement d'essai Tegramin fabriqué par Struers (Ballerup, Danemark). « Cela teste la cohérence de notre processus de drapage », souligne-t-il, soulignant : « Nous testons cela nous-mêmes, non pour répondre aux exigences des clients, mais plutôt pour nous assurer que nous travaillons bien avec nos propres processus, en respectant notre propre qualité. normes."

NDI et usinage

La visite visite ensuite une installation adjacente, qui abrite l'assurance qualité finale (AQ) et les opérations d'usinage. La zone NDI à haut plafond abrite une grande machine de test à ultrasons à transmission traversante (TTU) fournie par Matec Instrument Cos. (Northborough, MA, États-Unis) sur la gauche, équipée d'un gicleur d'eau pour coupler les ondes sonores à la surface de la pièce. « Un côté de l'équipement TTU peut émettre et recevoir tandis que l'autre n'est qu'un récepteur », explique Hulaty. "Avec cela, nous pouvons numériser des pièces de taille moyenne à grande, comme un carénage ventral pour un avion d'affaires, en une demi-heure de huit heures." Il affirme qu'il s'agit du plus grand système TTU utilisé en Israël pour le NDI, ajoutant :« Nous scannons chaque morceau de composite que nous fabriquons. Les carénages peuvent parfois faire l'objet d'une inspection basée sur des statistiques après un certain temps, car ce sont des structures secondaires et non critiques pour le vol, mais nous préférons toujours les scanner tous. " Conformément à cette préférence, Hulaty note que Cyclone emploie deux techniciens d'essais non destructifs (END) de niveau III pour les composites.

En continuant dans le laboratoire, à droite se trouve une autre machine de test par ultrasons (UT) automatisée, celle-ci fabriquée par ScanMaster Systems Ltd. (Rosh-Ha'ayin, Israël). Bien que les pièces composites soient également immergées dans des réservoirs d'eau, ce n'est pas pour un système C-scan. Au lieu de cela, les réservoirs servent UT à réseau de phases, une méthode très rapide qui offre une plus grande précision qu'un C-scan, mais pour des formes plus simples.

Alors que la visite passe devant des racks de pièces à diverses étapes du processus d'assurance qualité, Hulaty souligne l'outillage stocké à côté de la baie NDT. « Nous concevons et fabriquons la plupart de nos outils en interne, à la fois en métal et en composite, mais certains clients préfèrent fournir les leurs. Nous pouvons également apporter des modifications à la conception de l'outillage pour améliorer la production, bien sûr, uniquement avec l'approbation du client.

Par une porte et un petit couloir, la visite entre dans les opérations CNC, qui abritent des centres d'usinage CNC à 5 axes jumeaux fournis par Breton (Castello di Godego, Italie), une entreprise établie à l'origine dans l'industrie de la taille de pierre. « Les composants de la machine Breton ont été construits avec une protection contre la poussière de pierre », explique Trevor Hutson, responsable de l'ingénierie CNC. « Ainsi, ils fonctionnent bien avec CFRP. Nous avons découvert que les machines CNC pour le travail du bois n'étaient pas assez robustes pour nos besoins de production. »

Hulaty précise que la température du bâtiment est maintenue à 26°C ±1°C. « Chaque machine s'arrêtera si l'un de ses paramètres n'est pas conforme aux spécifications », explique-t-il. Les machines peuvent traiter des pièces jusqu'à 5 m de long et 2,2 m de large avec une course de 1 m dans la direction z. Leur précision volumétrique est citée à 50 microns (0,002 pouce).

Une fois l'usinage terminé, une tête de machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est mise en marche et effectue une MMT sur la pièce pour l'AQ finale. Ceci est signalé et inclus avec la pièce via le système de contrôle numérique de la machine pour gagner du temps d'inspection. « Nous étalonnons le palpeur MMT, puis nous prenons les mesures de la pièce », explique l'ingénieur CNC Karin Hartman, qui, aux côtés de Hutson, est le deuxième expert en usinage CNC de Cyclone. « Cela fournit des résultats en temps réel, ce qui nous permet de traiter tous les problèmes avant de les migrer vers plusieurs parties », ajoute Hutson. « Cela permet également de gagner du temps, permettant à tout réusinage d'être effectué immédiatement. »

Assemblage et R&D

Ici, la visite quitte le bâtiment NDT/CNC pour remonter la colline en passant devant le bâtiment qui abritait la salle de conférence jusqu'à une structure adjacente, qui accueille les opérations d'assemblage. Hulaty signale les nombreuses stations d'assemblage, qui produisent les poutres de plancher, la poutre de pont d'envol, la poutre de cisaillement et la baie d'équipement électronique (avionique) pour la section 41 du 787. Ceux-ci, ainsi que la porte du puits de roue avant (NWWD), seront expédiés à Spirit AeroSystems aux États-Unis, prêt à se rendre sur la ligne de production de cette entreprise pour le 787 Section 41, la section avant du fuselage.

En examinant plus en détail la station d'assemblage de la bande de cisaillement, Hulaty explique qu'elle soutient le plancher de chargement de la section 41, offrant un support transversal sur le ventre de l'avion. L'ensemble comprend deux poutres longitudinales et six chandeliers, tous assemblés à l'envers. Un simple gabarit rotatif maintient les pièces ensemble pour faciliter la fixation des chandeliers.

« Les composites entrent ici déjà percés », note Hulaty. « Seul le métal est percé dans ce bâtiment. Le métal est également anodisé et peint à l'arrière du bâtiment. Les instructions de montage sont affichées sur un écran d'ordinateur à chaque station, à l'aide d'un système standard. «Mais les instructions sont les nôtres», dit-il. « Nous l'avons modifié pour parler aux modèles CATIA de chaque pièce, puis notre service d'ingénierie a créé les instructions d'assemblage. » Il explique que la couleur rouge indique un changement ou une erreur commise dans le passé. « C'est un environnement presque sans papier, rendu possible par une infrastructure à écran tactile. Les cartes d'itinéraire suivent la partie électroniquement.

Passant à autre chose, Hulaty souligne un système anti-missile pour les avions commerciaux, appelé C-MUSIC (contre-mesure infrarouge commerciale multi-spectrale). Il a été développé par la division ISTAR d'Elbit Systems et Cyclone a conçu la structure du système, y compris les autorisations générées en interne. Bien que les mécanismes du système et la structure intérieure soient métalliques, son carénage/radôme est composite.

« Toutes les compagnies aériennes israéliennes doivent en être équipées », dit-il. « C'est un système autonome monté sur le ventre de l'avion via un kit plug-and-play. Conçu pour contrer les missiles à tête chercheuse portatifs, lancés à l'épaule, un laser est tiré sur le missile entrant si ce système est activé. Déployé pour la première fois sur un Boeing 737 en 2013, Hulaty affirme que les systèmes C-MUSIC ont des milliers d'heures de fonctionnement sur des avions commerciaux et ont été testés sur l'Embraer 170 et 190 ainsi que la plupart des plateformes commerciales de Boeing et plusieurs modèles d'Airbus (Toulouse, France).

De l'autre côté de la rue, dans le laboratoire de R&D, le couloir d'entrée présente une variété de pièces, dont certaines en titane imprimé en 3D. CW apprend que ce dernier résulte des activités d'un consortium israélien dirigé par le responsable R&D d'Elbit-Cyclone, Lior Zilberman. L'objectif du consortium était de faire progresser la technologie de fabrication additive pour la production d'aérostructures. « Nous sommes également intéressés par son potentiel d'augmentation de nos capacités d'assemblage », déclare Hulaty. Des utilisations supplémentaires peuvent inclure des pièces pour les programmes de mise à niveau des hélicoptères, qui, note-t-il, sont notoirement de petites séries (par exemple, cinq hélicoptères), « donc l'outillage n'est pas une option abordable ». Les autres pièces de la vitrine R&D incluent une hélice marine fabriquée avec RTM et un winglet développé avec un client pour remplacer un assemblage en nid d'abeille en deux pièces par une pièce intégrée simple.

Le développement de structures composites unitisées est devenu l'un des points forts de Cyclone. L'ailette utilise un préimprégné carbone/époxy monolithique traité en autoclave (OOA) pour réduire le poids, le coût et le délai d'exécution. Les mêmes avantages sont obtenus dans une surface de contrôle intégrée et sans attache, réalisée selon un processus RTM en une seule fois. Zilberman a également dirigé l'entreprise dans le développement de structures multifonctionnelles avec récupération d'énergie intégrée, capacité de morphing de forme et systèmes de surveillance de la santé structurelle/NDI dans les voilures rotatives et fixes, ainsi que les voilures rotatives et fixes composites auto-adaptatives.

Le laboratoire R&D comprend une salle de découpe, une salle d'usinage et une salle de développement RTM. Ce dernier contient une presse de 360 ​​tonnes de Lauffer Pressen (Horb am Neckar, Allemagne) avec un système d'alimentation de 700 kW pour chauffer des moules pour des pièces jusqu'à 2 m sur 2 m. Cyclone a travaillé avec Polymer G (Halutza, Israël) pour développer le système d'injection de résine pour la technologie intégrée et sans attaches des portes passagers et des surfaces de contrôle. Il y a aussi un grand four pour préchauffer les moules RTM et/ou post-durcir les pièces en résine époxy.

Investissement dans la production future

À la fin de la visite, Hulaty note que la production et l'assemblage à haut débit nécessitent des investissements. Tout au long de la visite, nous en avons vu des exemples dans les laboratoires d'essais et la capacité NDI de Cyclone, ainsi que dans son approche de l'usinage. La société a également mis en œuvre le logiciel d'optimisation de la production totale (TPO) de Plataine (Waltham, MA, États-Unis), utilisé pour réaliser des économies de matière à deux chiffres dans ses opérations de découpe de préimprégnés. TPO a remplacé la précédente découpe et imbrication séquentielle du préimprégné par un système numérique automatisé qui optimise la découpe des imbrications sur plusieurs pièces en utilisant les mêmes matériaux. Ce système a également contribué à améliorer le rendement de fabrication et à réduire le temps nécessaire à la coupe ainsi qu'à la configuration de la machine.

« Nos clients nous font confiance pour fournir des pièces de haute qualité, mais nous devons également constamment rechercher des moyens de gérer les coûts et d'augmenter les taux de production », déclare Hulaty. Elbit Cyclone continue de rechercher de nouvelles opportunités et envisage un avenir radieux, bien que rempli de défis. « Nous avons une stratégie ferme, qui fait ses preuves, comme en témoigne la croissance de l'entreprise », déclare Hulaty. "Cela étant dit, notre stratégie est en constante évolution, s'adaptant aux changements du marché." L'impression qui persiste est une confiance pragmatique basée sur les connaissances et l'expérience, une entreprise qui continuera à remplir son rôle de convertir la promesse d'une technologie de pointe en une production fiable de composites aérospatiaux.