Fraunhofer IPT innove dans les composites thermoplastiques pour stockage d'hydrogène, pales de moteurs d'avion et au-delà

Le développement de Fraunhofer IPT comprend (dans le sens horaire en partant du haut à gauche) des pales de ventilateur de moteur d'avion en composite thermoplastique, des structures hybrides composite-métal utilisant le structurage laser et AFP, la surveillance de l'état structural (SHM) des composites et des systèmes de traitement de rubans composites thermoplastiques, tels que les systèmes PrePro 2D et PrePro3D commercialisés par Conbility. Crédit photo : Fraunhofer IPT

En décembre 2020, j'ai publié un article sur la manière dont l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production (IPT, Aix-la-Chapelle, Allemagne) développe le dépôt et le formage entièrement automatisés de rubans de polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) thermoplastiques pour pales de ventilateur de moteur d'avion. La consolidation in-situ (ISC) de rubans composites thermoplastiques s'avère être un sujet que Fraunhofer IPT maîtrise bien, l'ayant piloté dès ses débuts avec les pionniers de l'ISC Accudyne Systems Inc. (Newark, Del., États-Unis) et Automated Dynamics, désormais Trelleborg Sealing Solutions Albany (TSS Albany, Niksayuna, N.Y., États-Unis). [Pour plus d'informations sur ces pionniers de l'ISC, voir « Consolidation in-situ de structures aérospatiales thermoplastiques, Parties 1 et 2 ».] « L'IPT est actif dans le bobinage laser assisté (LATW) depuis 1988, et cela reste l'un de nos sujets principaux, » explique le Dr Henning Janssen, ingénieur en chef et chef de département pour les plastiques renforcés en fibres et la technologie des systèmes laser à Fraunhofer IPT. Il note que la technologie LATW a beaucoup évolué, surtout au cours des 10 à 15 dernières années. Ce blog donne plus de détails sur le développement du LATW et des composites thermoplastiques plus largement par Fraunhofer IPT, ainsi que sur la direction que l'institut voit pour cette technologie à l'avenir.

Évolution du bobinage laser

« Quand nous avons commencé il y a 30 ans, la technologie laser n'était pas prête pour le traitement à haute vitesse des composites thermoplastiques, » dit Janssen. « Vous pouvez imaginer que, surtout du côté du contrôle, vous n'aviez qu'une caméra analogique. Maintenant, nous avons une bien meilleure technologie. Par exemple, quand nous avons développé une tête de bobinage laser compacte en 2008, qui a conduit à la création d'AFPT Allemagne (Dörth, Allemagne), nous devions utiliser une caméra de 16 pixels x 16 pixels, offrant une fréquence d'images de seulement huit images par seconde. Maintenant, nous avons facilement 640 x 480 pixels et un traitement de 50 images ou plus par seconde. » Il explique que c'est important, « parce qu'avec le bobinage laser que nous avons développé, l'un des principaux avantages est que vous pouvez regarder dans le processus et aussi changer la puissance de traitement en quelques millisecondes. Cela donne un bon avantage, par exemple, lorsque vous contournez des géométries complexes, comme le dôme de réservoirs sous pression, où la vitesse de bobinage ralentit, et vous devez abaisser la puissance de chauffe laser. Vous devez ensuite réajuster quand le bobinage reprend de la vitesse le long du cylindre du réservoir. Cela n'était pas possible il y a 15 ans car le laser, le système de contrôle et les technologies d'imagerie thermique n'étaient pas prêts ou étaient trop chers et pas aussi puissants qu'aujourd'hui.

Janssen continue : « Il y a donc beaucoup de développement du côté numérique. Maintenant, par exemple, nous fournissons quelque chose comme un jumeau numérique, où vous pouvez mapper toutes vos informations de capteur sur le réservoir sous pression, de sorte que vous pouvez comparer la pièce telle que fabriquée versus la conception numérique pour évaluer la qualité de la pièce et prédire la performance. L'utilisation de capteurs de processus virtuels et de modèles nous permet également de prédire la résistance du stratifié telle que définie par son historique de traitement. » C'est important car le LATW utilisant des rubans thermoplastiques utilise un chauffage et un refroidissement rapides où les propriétés du matériau et de la pièce sont déterminées pendant le processus de bobinage lui-même, en raison de l'absence d'une étape de post-traitement thermique, note-t-il. Il est donc crucial d'avoir la capacité de contrôle rapide du processus.

Il y a aussi eu des développements dans les matériaux, dit Janssen. « Il y a vingt ans, il y avait une quantité limitée de matériaux de rubans composites thermoplastiques disponibles, comme l'APC-2 de Cytec, qui est maintenant Solvay (Alpharetta, Ga., États-Unis), » explique-t-il. « Mais maintenant, beaucoup plus de matériaux sont qualifiés pour des applications industrielles, et vous avez aussi beaucoup de matériaux de base comme le polypropylène (PP) renforcé en fibres de carbone et aussi en fibres de verre, ainsi que le polyamide six (PA6), par exemple, qui est beaucoup utilisé dans l'industrie automobile. Il y a aussi maintenant des applications pour le LATW qui sont plus orientées vers la production de masse. Par exemple, il y a une poussée vers des bagues de rétention et d'autres pièces dans les moteurs électriques. Ce sont de simples anneaux ou tubes en composites thermoplastiques, mais en volumes de 10 000 à 50 000 par an. »

ambliFIBRE, tuyaux pour pétrole et gaz

Une partie du contrôle numérique dans le LATW que Janssen décrit ci-dessus a été développée dans le projet ambliFIBRE (2015-2018). « Il y avait beaucoup de partenaires dans ce projet, » dit-il, « mais l'un était Baker Hughes (Newcastle, Angleterre et Houston, Texas, États-Unis) et nous avons utilisé notre équipement LATW pour leurs tuyaux non métalliques. » Notez que peu après la fin d'ambliFIBRE en 2018, Baker Hughes a annoncé sa coentreprise avec Saudi Aramco (Riyad, Arabie Saoudite) pour étendre l'utilisation de tuyaux non métalliques, y compris l'utilisation possible de plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC).

Baker Hughes vise désormais à accélérer l'introduction de matériaux non métalliques dans le secteur de l'énergie, et d'autres entreprises utilisent également la technologie laser pour les tuyaux, comme Magma (Portsmouth, Royaume-Uni). (Voir « Tuyaux thermoplastiques en hausse en mer profonde » et « Magma Global livre un riser composite haute pression... »).

« Il est également assez courant d'utiliser le bobinage laser pour les risers et lignes de flux en composites thermoplastiques, » dit Janssen. « Bien que ce ne soit pas encore une connaissance commune dans d'autres industries. » Il ajoute que beaucoup de l'attention récente portée au LATW a concerné les réservoirs de stockage d'hydrogène, mais la technologie a déjà une application bien plus large.

Dans le projet ambliFIBRE, Fraunhofer IPT a développé des modèles de contrôle de processus numérique pour le bobinage discontinu (ex: réservoirs) et continu, par exemple pour produire des tuyaux de plusieurs kilomètres de long. Crédit photo : vidéo Fraunhofer IPT pour le projet ambliFIBRE

« Et ce que nous offrons à Fraunhofer IPT pour ces applications est clé, » dit Janssen. « Évidemment, nous ne gérons pas une ligne de production à grande échelle pour la production continue de tuyaux ici dans notre institut, mais ce que nous offrons à nos clients, c'est les essais de matériaux et la qualification de produits. Il y a la pyramide d'essais, par exemple, basée sur DNV-GL F114, commençant par la qualification et les essais du polymère et des fibres, puis en passant à la microstructure ou méso-structure du stratifié composite. Donc, nous faisons beaucoup d'essais au niveau des éprouvettes, puis nous passons à des tuyaux plus petits et représentatifs, par exemple, car le bobinage donne des propriétés différentes que le pressage ou le dépôt de ruban automatisé (ATL). »

Aussi, note-t-il, « parce que vous avez différentes contraintes dans votre matériau, beaucoup de ces matériaux composites sont testés dans des tuyaux plus petits, par exemple 2-3 pouces jusqu'à plusieurs mètres de long. Donc, nous faisons ces essais et puis nous appliquons notre compréhension du processus pour la vraie longueur de pièce, par exemple 2-3 kilomètres. Et c'est très intéressant, car le temps de traitement à cette longueur peut s'étendre sur plusieurs jours, et vous devez considérer le retrait ainsi que d'autres facteurs, comme les changements de température ambiante, qui peuvent avoir un impact assez important. »

LATW dans les réservoirs de stockage d'hydrogène

Janssen dit que Fraunhofer IPT travaille avec des entreprises pétrolières et gazières depuis 2000. « Et puis, il y a huit ans, nous avons compris que c'est presque la même technologie dont vous avez besoin pour les réservoirs d'hydrogène, » se souvient-il. « Et maintenant nous avons une grande initiative pour la fabrication d'hydrogène ici à l'IPT et aussi pour les composites en fibres de carbone dans les piles à combustible. Nous mettons en place une installation de 80 millions d'euros pour la fabrication automatisée de piles à combustible et investissons aussi dans une nouvelle installation de bobinage assez grande pour que nous puissions produire des pièces jusqu'à 7 mètres de long et 2,5 mètres de diamètre, que nous utiliserons aussi pour de grands réservoirs sous pression. »

Le LATW utilisant des rubans composites thermoplastiques n'est pas encore l'état de l'art pour la fabrication de réservoirs sous pression, dit Janssen, « parce que la chimie des thermoplastiques, ainsi que son traitement et sa durabilité sont tous encore en cours de recherche. Mais notre forte conviction est que la faible perméabilité, la ténacité et la recyclabilité qu'offrent les thermoplastiques sont importantes. » Il voit aussi un potentiel pour les thermoplastiques dans les réservoirs sous pression de type V, qui sont tout-composites mais n'utilisent pas de liner thermoplastique séparé. « Ceux-ci pourraient fournir une solution future pour certaines applications de stockage d'hydrogène mobile, comme les camions électriques à pile à combustible. »

« Nous voyons aussi que le bobinage filamentaire conventionnel thermodurcissable est limité concernant les angles de bobinage minimaux, » dit Janssen. « Par exemple, vous devez contourner les dômes en couches hélicoïdales avec pas beaucoup moins de 10° d'angle de fibre. Donc, vous ne pouvez pas mettre de renfort à 0° dans un réservoir bobiné filamentaire conventionnel. » Cependant, il soutient, « dans le LATW classique, le préimprégné thermoplastique entrant est directement soudé au substrat, donc vous pouvez aller dans n'importe quelle direction, ce qui vous donne beaucoup plus de liberté de conception. Nous menons actuellement des projets avec des partenaires de l'industrie automobile pour développer des réservoirs sous pression thermoplastiques pour le stockage d'hydrogène qui sont sûrs, efficaces énergétiquement et faciles à recycler. »

Pales de ventilateur en composite thermoplastique

Fraunhofer IPT a un background très fort dans la turbomachinerie, dit Janssen. « Nous avons ici à Aix-la-Chapelle le Centre international pour la fabrication de turbomachines, ou ICTM, une communauté pré-compétitive où nous travaillons avec les motoristes et leurs fournisseurs conjointement dans des projets de R&D pré-compétitifs pour développer et améliorer la technologie de fabrication. »

Il note que au cours des 20 dernières années, l'accent a été mis principalement sur l'usinage de titane ou d'alliages à base de nickel pour les produits avancés de la section de compression et des turbines, comme le disque à pales intégrées (blisk). Alors que dans la section froide, des pièces en matériaux composites — comme des pales de ventilateur en fibres de carbone — ont été développées par GE dans les années 1990 et sont maintenant en service dans les GE90 et GEnx. « Maintenant, cependant, les composites à matrice céramique (CMC) sont vus comme les matériaux de nouvelle génération pour la section chaude des moteurs à réaction, » dit Janssen, « permettant des températures plus élevées à moins de poids pour une plus grande efficacité. »

« La fabrication de pièces en composites par rapport au métal est très différente, » continue-t-il. « Dans le métal, vous commencez avec une masse de matériau et vous en dérivez la pièce par traitement soustractif, principalement l'usinage, de sorte que la conception n'est pas si dépendante de la fabrication. C'est exactement l'inverse dans les composites, qui nécessitent toujours une sorte de processus génératif. Donc, nous avons décidé d'aborder les nouvelles stratégies de pales de ventilateur sous l'angle de la fabrication. »

Il note également l'initiative conjointe Clean Sky 2, dans laquelle Fraunhofer dirige les activités d'Éco-conception. Fraunhofer IPT se concentre sur l'éco-conception pour les moteurs, ce qui inclut l'évaluation du cycle de vie et l'évaluation de l'impact environnemental. « C'est pourquoi nous avons commencé à regarder les composites thermoplastiques, » explique-t-il. « Pour l'instant, nous sommes à un TRL [niveau de maturité technologique] très bas. Pour l'instant, le développement porte sur la fabrication et l'essai de différentes voies de processus, comme la mise en forme près du net shape et un peu de thermoformage — qui est plus comme une étape de calibration — et puis la finition en termes d'usinage. Il y a donc encore pas mal de travail devant nous. »

Pendant ce temps, Fraunhofer IPT étend son expertise dans l'usinage de composants de moteurs métalliques aux composites, en utilisant sa technologie numérique pour surveiller et évaluer les paramètres d'usinage sur chaque pale. Mais n'est-ce pas l'objectif dans les composites de s'éloigner de telle fabrication soustractive vers plus de fabrication additive pour moins de déchets ? « Oui, mais pour certaines voies de processus, l'usinage est requis pour atteindre les tolérances dimensionnelles, » dit Janssen. « Ce sur quoi nous travaillons en ce moment est du very near net shape. »

Il souligne que la conception en développement est actuellement un stratifié thermoplastique de 0,75 pouce d'épaisseur à la racine et seulement 2 millimètres d'épaisseur à la pointe. « Et puis il y a différentes stratégies de conception, que nous discutons avec les ingénieurs de conception. Aussi, avez-vous un autoclave ou une étape de pressage pour ce genre de pièce très fortement chargée ? Cela jouera aussi un rôle concernant les contraintes internes, car nous savons que cette pale se tord un peu pendant la rotation. Et, bien sûr, l'impact oiseau est un problème clé. » Pour ce dernier, Janssen voit la ténacité accrue des thermoplastiques comme un facteur facilitant, soulignant que les composites PPS (polyphénylène sulfure) sont utilisés sur les bords d'attaque d'ailes pour cette raison même.

Applications futures pour les composites thermoplastiques

J'ai demandé la possibilité d'utiliser des composites thermoplastiques dans les nacelles de moteurs, ce qui pourrait peut-être aider à fournir une solution aux quatre incidents récents de perte de pale, où, comme rapporté dans un article de Aviation Week de mars 2021 :

« ... les dommages causés par des fragments de pale frappant des sections du carénage du moteur, ou nacelle, ont déclenché une série d'événements qui ont causé la rupture de grandes pièces de structure, y compris des parties des entrées de moteur et des capots de ventilateur. » Dans les quatre accidents, le fuselage de l'avion a subi des dommages, et pour le vol Southwest 1380 en avril 2018, l'un des hublots a été arraché, causant la mort d'un passager.

« Il y a un certain intérêt de l'industrie pour utiliser des composites thermoplastiques dans les compartiments moteurs, » dit Janssen, « cependant, c'est un développement à long terme. » Un problème pour un tel développement est la certification par les autorités aéronautiques, un autre domaine où Fraunhofer IPT est actif. « Nous discutons maintenant avec les organismes de certification sur la façon d'aider à réduire l'effort de certification en prouvant numériquement que les nouveaux processus de fabrication sont conformes aux normes actuelles et en évolution. C'est donc une nouvelle façon de penser. Dans la fabrication du 21e siècle, il y a tellement de données disponibles, ce n'est pas seulement certifier un processus ou une conception par essai, et puis c'est figé. » En d'autres termes, l'accent mis aujourd'hui sur l'Industrie 4.0 et Composites 4.0 est que les capteurs et les logiciels pilotés par l'IA collecteront en continu des données et développeront une intelligence qui optimisera en continu la fabrication et, en retour, renverra cette intelligence en amont dans le fil numérique pour améliorer les conceptions. C'est en effet très différent de la fabrication d'aujourd'hui.

Le travail de Fraunhofer IPT concernant la certification, dit Janssen, « pourrait aider à permettre de nouvelles technologies telles que les composites thermoplastiques pour pièces de moteur — c'est-à-dire, une fois que tous les aspects, y compris la technologie, la conception et la gestion des risques, sont considérés. » Il affirme que les composites thermoplastiques offrent un énorme potentiel pour aider à surmonter les défis clés dans une variété de secteurs industriels, et note que Fraunhofer IPT travaille à surmonter la complexité de traitement des composites thermoplastiques — par exemple, en tirant parti des méthodes de fabrication numérique nouvellement disponibles. « De plus, le potentiel des composites thermoplastiques ne peut être pleinement exploité qu'une fois le cycle de vie complet — y compris la réutilisation et le recyclage — considéré, » dit Janssen. « Ainsi, Fraunhofer IPT travaille aussi sur le recyclage mécanique des composites thermoplastiques. Nous pensons qu'il sera possible d'obtenir un matériau recyclé à haute valeur en considérant à la fois les données générées pendant la fabrication et celles générées pendant tout le cycle de vie des composants composites. »