Formage à chaud (Hot Drape Forming) : booster l'efficacité de la production composite

Cette barre latérale en ligne pour l'article de mars 2021 « Faire progresser le caisson d'aile infusé OOA » vise à regrouper ce que CW a écrit sur le formage à chaud (hot drape forming) au fil des ans en un seul endroit, et à fournir une ressource utile. Vous trouverez ci-dessous des extraits de plusieurs articles — de 2010 à 2020 — avec des photos pour montrer comment le formage à chaud aide à automatiser la production de composites.

2010, GKN Aerospace, longerons A400M

Source : « Les longerons d'ailes composites supportent d'énormes turbopropulseurs »

Phil Grainger, directeur technique et technologue en chef de GKN Aerospace, explique que la fabrication manuelle d'une pièce aussi grande, comme c'était le cas pour les premiers longerons d'A400M, est lente, avec un taux de dépôt typique de 0,75 kg/h (1,5 lb/h). Cependant, en production de série, la pièce sera déposée à plat, à l'aide d'un poseur de bande automatisé (ATL), puis formée à chaud dans la forme en C. À ce stade, des taux de dépôt de 25 kg/h (50 lb/h) seront atteignables. Grainger insiste sur le fait qu'il s'agit de taux moyens réalisables sur un quart de travail, sur de vraies pièces.

Pour automatiser le processus, GKN Aerospace a investi dans un grand ATL avec un lit de 20 m (63 pi), fabriqué par MTorres (Navarre, Espagne). L'ATL est capable de déposer les préformes complexes dans leurs formes développées à partir de ruban préimprégné unidirectionnel, en utilisant un ruban uni carbone/époxy renforcé 977-2 fourni par Cytec Engineered Materials Ltd. (aujourd'hui Solvay, Wrexham, Royaume-Uni). Pour former le C, la préforme sera déplacée du poseur de bande vers un formeur à chaud fourni par l'équipementier Aeroform Ltd. (Poole, Dorset, Royaume-Uni). Pour faciliter le tirage sous vide, le stratifié sera pris en sandwich entre deux diaphragmes en film polyimide Kapton, fournis par DuPont Electronic Technologies (Circleville, Ohio). L'espace entre les films sera évacué, puis un chauffage infrarouge sera appliqué au-dessus de la pièce pour porter la température à 60 °C (140 °F) sur une heure. Cela garantit que même le matériau au centre de la section la plus épaisse à l'embase est réchauffé uniformément à la même température. Une pression est ensuite appliquée doucement pour former le stratifié, contraint par les deux diaphragmes sur un outillage léger reproduisant fidèlement la surface intérieure du longeron. Ce processus de formage en C est réalisé très lentement sur 20 minutes. (Après formage, les films Kapton sont jetés.)

2014, FACC, volets A321

Source : « FACC AG : une centrale aérocomposite »

Dans l'usine 3, une grande variété de volets, carénages et surfaces de commande de vol sont fabriqués. Ici aussi, les gains d'efficacité du poseur de bande automatisé (ATL) et du formage à chaud sont exploités. Ce dernier applique chaleur et pression sur des préformes ATL plates à l'aide d'un noyau et d'un coussin de formage flexible pour produire des formes tridimensionnelles (voir Fig. 7). Un exemple est la production en cours de volets A321, qui utilise une cellule de travail automatisée de pointe conçue sur mesure par Fill (Gurten, Autriche).

2018, Fill, préformage automatisé

Source : « Préformage automatisé, Partie 7 : Fill Gesellschaft »

Dans les articles de visite récents que Sara Black et moi avons écrits sur les composites haute performance en Israël, nous avons noté que la plupart des entreprises utilisaient le formage à chaud. En fait, chez Elbit Cyclone, notre guide Jonathan Hulaty a déclaré : « Je ne sais pas comment on fait ce type de production de pièces en préimprégné à haut débit sans formage à chaud », en référence aux poutres et montants pour les assemblages Boeing 787. Les formeurs à chaud (HDF) sont également considérés comme indispensables par FBM et Israel Aerospace Industries.

Fill fournit des systèmes HDF depuis des années, dont plusieurs unités en production chez FACC. Ce sont essentiellement des systèmes de thermoformage sous vide, équipés d'éléments chauffants infrarouges ou autres et d'une membrane en caoutchouc silicone réutilisable pour chauffer et compacter — débiter — les stratifiés préimprégnés sur leurs outils avant cuisson. Le HDF devient une pièce clé de la ligne de production aérocomposite complète présentée ci-dessous.

2018, FBM, pièces 787

Source : « Fusion de firmes entrepreneuriales centrées sur le métal : une première pour les composites »

CW est d'abord conduit en salle blanche, où des opérateurs déposent une variété de pièces. Ce jour-là, à plusieurs postes, chacun équipé d'un écran d'assistance à la pose informatisé, l'accent est mis sur les pièces pour le Boeing 787. Des écrans tactiles faciles à comprendre montrent clairement les angles de pose pour chaque pli et leur positionnement sur chaque outil. Une machine « guillotine » de Century Design (San Diego, CA, US), avec une table rotative de 2 m de diamètre et une lame au centre, permet une découpe rapide de plis angulaires à partir du préimprégné carbone/époxy. Les outils pour les tours de porte du 787 sont des mandrins en acier façonnés, généralement plus longs que larges, de quelques centimètres jusqu'à ~2 m de longueur, utilisés pour produire des centaines de cadres, supports et clips. Une table de découpe à plat automatisée d'Assyst-Bullmer Inc. (Wakefield, UK) est utilisée par les techniciens de pose pour couper jusqu'à 50 plis empilés en une seule opération.

La salle blanche est dominée par un formeur à chaud (HDF). Fabriqué par ElectroTherm Industry (Migdal HaEmek, Israël), le système statique (l'entreprise propose aussi des versions mobiles sur chariots) est un système de thermoformage sous vide sur mesure, équipé d'éléments chauffants infrarouges et d'une membrane en caoutchouc silicone pour chauffer et compacter les stratifiés composites sur les outils, avant cuisson. Le HDF peut former jusqu'à 50 plis empilés, selon Poliker, sans étapes intermédiaires de débourrage : « Nous cherchions à éliminer la complexité du processus, donc nous formons les poses en une seule fois. » Après le chauffage et le compactage dans le HDF, un contre-moule est placé sur l'ensemble de la pose, avant ensachage. Fabriqué en composite carbone, le contre-moule présente une finition de surface rugueuse. Poliker ne révèlera pas les détails du matériau propriétaire, mais indique qu'il supporte les températures de cuisson en autoclave à 177 °C : « Il simule un outil à moules assortis. » Il ajoute que les mandrins sont reconditionnés en interne, selon les besoins. L'ensachage et les consommables sont fournis par Airtech International (Huntington Beach, CA, US).

2018, Elbit Cyclone, pièces 787

Source : « Servir le monde des composites en Israël et aux US »

À droite, les opérateurs en salle blanche pour les pièces Boeing 787 déposent du préimprégné pour une gamme de pièces, des petits clips et montants aux poutres en J, I et C complexes, ainsi que des portes de train d'atterrissage avant multipièces. Le préimprégné est découpé à l'aide d'une découpeuse automatisée Assyst Bullmer (Wakefield, UK) et d'une machine guillotine pour couper des empilements épais à tout angle. Le congélateur à préimprégné est adjacent à la salle blanche. Hulaty note que parfois des empilements de préimprégné sont découpés, kités et remis au congélateur. Des systèmes de projection laser Aligned Vision (Chelmsford, MA, US) situés dans toute la salle blanche assistent la pose manuelle.

Des pièces de longerons de plancher en PRFC (plastique renforcé de fibre de carbone) sont posées sur des mandrins mâles en métal. Hulaty détaille le processus rationalisé : « Nous posons d'abord les empilements de préimprégné, puis nous les appliquons sur le mandrin. Cela fait gagner énormément de temps par rapport à une application pièce par pièce sur l'outil. Les poses sont ensuite recouvertes d'un contre-moule en PRFC de notre conception, ce qui assure une répétabilité à 100 % des pièces. »

Une machine de formage à chaud se trouve le long du mur arrière de la salle blanche, permettant le débourrage de nombreuses pièces par cycle. « Je ne sais pas comment on fait ce type de production de pièces en préimprégné à haut débit sans formage à chaud », dit Hulaty en référence à des pièces comme les poutres et 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 cuisson, est le goulot d'étranglement », maintient-il, expliquant que pour les pièces de longerons longs, il est plus rapide de poser une pile simple et de l'usiner après cuisson. « L'autoclave n'est pas le problème car nous pouvons empiler beaucoup de pièces pour les cuire en une fois », ajoute-t-il. « Donc, nous obtenons en fait un bon taux de production par cycle de cuisson. »

2018, IAI, aérostructures

Source : « La pierre angulaire aérospatiale d'Israël prête pour une portée mondiale accrue »

IAI utilise une machine de formage à chaud pour débiter en masse des poses épaisses de préimprégné, éliminant le besoin d'étapes conventionnelles de débourrage intermédiaire.

Les opérations composites d'IAI couvrent la fabrication de pièces et d'assemblages pour jets d'affaires et avions commerciaux, véhicules aériens sans pilote (UAV) et avions militaires. Les pièces produites incluent des stabilisateurs verticaux et horizontaux, gouvernes, structures d'ailes, nacelles moteurs, longerons de plancher, tours de porte, cloisons structurelles, nervures et raidisseurs, surfaces de commande, carénages et radômes. Ses capacités de fabrication comprennent la pose manuelle de préimprégné et le poseur de bande automatisé (ATL), formage à chaud, cuisson en autoclave et hors autoclave (OOA) y compris les procédés de moulage par injection de résine et de transfert de résine (RTM), ainsi que le collage et l'assemblage complexes. L'entreprise conçoit et construit aussi ses propres outillages, détient toutes les certifications qualité aérospatiales et composites clés et assure la qualité via des tests et inspections non destructifs complets.

• La capacité de production d'IAI est significative, avec 10 autoclaves, dont 7 appartiennent à la division Aero-assemblages et vont de 4,5 m de long et 2 m de diamètre, au plus grand à 14 m de long et 4,7 m de diamètre.
• Les poses de préimprégné sont débourrées avant cuisson à l'aide d'une machine de formage à chaud (6,9 x 2,7 x 3,1 m) d'Electrotherm Industry (Migdal HaEmek, Israël).

2020, Strata, volets intérieurs A350-900

Source : « Strata livre 100 jeux de volets intérieurs pour A350-900 »

Conçus pour augmenter la portance totale de l'aile d'un avion, les volets intérieurs (IBF) sont montés sur le bord de fuite de l'aile pour augmenter la surface alaire au décollage et à l'atterrissage et améliorer la stabilité en vol. Strata prévoit d'automatiser entièrement le processus de fabrication des IBF, en utilisant le formage à chaud (HDF) et des machines de pose de bande automatisée (ATL) à commande numérique, qui ont obtenu la qualification de première pièce (FPQ) et les vérifications de conception et qualité FAI dès le début de cette année.

Dans le cadre du processus, la société indique que la machine HDF préforme des composants en fibre de carbone pour les pièces d'avion, permettant une production plus rapide de pièces composites de haute qualité, et son système de chauffage par rayonnement infrarouge ramollit rapidement et uniformément la fibre de carbone pour fournir des pièces précises, exemptes de plis de contrainte. De plus, les deux machines ATL de Strata déposent des matériaux préimprégnés unidirectionnels sur un lit plat avant d'être transférés vers un moule pour traitement ultérieur. Selon Strata, son enveloppe de travail de 2,5 m sur 10 m permet le traitement automatisé de grandes poses composites, éliminant le besoin d'une machine de découpe ultrasonique séparée et réduisant les temps de traitement.

2020, Techni-Modul, nervure d'aile et longeron

Source : « Compression RTM pour la production des aérostructures futures »

« Pour nous, OPTICOMS concernait aussi l'automatisation », explique Chevallet. Techni-Modul Engineering a fourni non seulement un système d'injection C-RTM pour le projet OPTICOMS, mais aussi un robot pick-and-place et une machine de formage à chaud (HDF), tous intégrés dans une cellule de production entièrement automatisée. … « Nous avons automatisé l'empilage manuel classique des plis grâce à un robot pick-and-place », dit Chevallet. « Le robot prélève les plis sur une découpeuse automatisée et les transfère sur l'outil de préformage chauffé qui repose sur une table de compactage [Étapes 1 et 6]. » Un plis de démoulage (film bleu à l'étape 6), un tissu respirant (matériau blanc à l'étape 6) et une membrane de vide réutilisable à charnière (bleu clair à gauche aux étapes 2 et 6) sont appliqués, suivis de vide et de chaleur pour préformer et extraire l'air de la pile textile (formage à chaud, HDF) tout en fondant les voiles thermoplastiques minces pour créer une préforme compactée.

Nervure d'aile et longeron OPTICOMS

Étape 2. Les outils de préformage reposent sur une table de compactage avec une membrane de vide réutilisable à charnière (bleu, à gauche) utilisée pour effectuer un débourrage chauffé tous les 5-8 plis pendant la pose. Crédit photo toutes images : Tecni-Modul Engineering.

Étape 3. Chaque cycle de préformage du longeron produit une préforme en C (deux forment l'âme de la poutre en I) et une préforme de semelle plate. Deux jeux requis pour chaque longeron en I sont montrés ici.

Étape 5. Longeron en I réalisé avec des préformes HDF et RTM pour le projet Clean Sky 2 OPTICOMS.

Étape 6. Un robot place les plis découpés sur l'outil de préformage chauffé. Tous les 5-8 plis, un débourrage chauffé est effectué pour compacter la préforme.

Avant le débourrage, un film de démoulage bleu est appliqué.

Le tissu respirant est utilisé pour extraire l'air à travers la préforme.

Après le débourrage final, la préforme est refroidie sur l'outil et les découpes sont taillées.

Étape 10. La préforme de nervure est moulée par RTM et résine époxy.

« Le nombre de plis que vous pouvez compacter en une fois dépend des matériaux et de la forme de la pièce », explique Chevallet. « Pour des pièces à faible courbure, comme un panneau d'aile, vous pourriez compacter tous les 50 plis. La nervure OPTICOMS, cependant, a des angles de 90 degrés, et le longeron d'essai en I a des formes en T, donc il faut faire attention à ne pas former de plis dans les plis pendant le préformage. » Il ajoute que de telles formes complexes peuvent nécessiter un compactage tous les 5-8 plis, mais peuvent encore faire partie d'un processus industrialisé à haut volume : empiler les plis, compactage HDF de 2 minutes, rouvrir et empiler à nouveau, suivi de cycles de compactage répétés avec un refroidissement final de la préforme sur l'outil avant transfert vers le moule RTM.