Optimiser la production automatisée de composites pour structures aérospatiales à faible volume

La fabrication de structures composites pour avions commerciaux s'étend sur plus de 50 ans et a progressé régulièrement des pièces plus petites vers de très grandes structures primaires — fuselage, ailes, empennages, moteurs — développées au début des années 2000 pour le Boeing 787 et l'Airbus A350. La grande majorité de cette évolution a dépendu de l'utilisation de préimprégnés carbone/époxy durcis en autoclave, initialement posés à la main et puis, éventuellement, via le placement de fibres automatisé (AFP), le dépôt de ruban automatisé (ATL) et d'autres procédés machine.

Ces technologies matériaux et procédés (M&P) étaient adaptées aux 787 et A350 gros porteurs qui, avant la pandémie, avaient des cadences de 10-15 par mois. Alors que Boeing et Airbus regardent vers l'avenir, cependant, et envisagent d'appliquer des matériaux composites dans les structures primaires d'avions monocouloirs qui devraient avoir des cadences de 60-100 par mois, la conception et M&P favoriseront des procédés hors autoclave (OOA), hautement automatisés, à haut débit. Ces procédés incluent, entre autres, le moulage par transfert de résine (RTM), le moulage par compression et l'infusion de résine liquide.

Mais même si la fabrication à haut débit dominera le secteur aérospatial commercial, la fabrication de structures composites pour avions à faible cadence — y compris les programmes d'avions régionaux et jets d'affaires — non seulement persistera, mais peut et doit bénéficier de certaines des mêmes innovations en coûts, conception et M&P qui seront déployées dans les programmes à haut débit.

C'est avec tout cela à l'esprit que le programme européen Clean Sky 2 a lancé OPTICOMS — Optimized Composite Structures for Small Aircraft. OPTICOMS est un consortium dirigé par le fabricant aérospatial Israel Aerospace Industries (IAI, Lod, Israël) avec des partenaires qui fournissent des technologies d'automatisation innovantes, matériaux, logiciels, outillage et machinerie. L'objectif d'OPTICOMS est d'évaluer une conception de caisson d'aile à faible cadence de production qui comporte une fabrication automatisée, des structures intégrées, durcissement OOA, collage structurel de grande taille, outillage de fabrication et assemblage innovant, surveillance de l'état structural des lignes de collage et tests virtuels.

Arnold Nathan, directeur de R&D pour le groupe aviation chez IAI et gestionnaire d'OPTICOMS, dit : « Chaque fois qu'on essaie d'introduire l'automatisation dans une [discussion] sur la fabrication de composites, on entend souvent nos clients dire : "L'automatisation c'est bien, mais seulement quand vous avez un grand volume de production." OPTICOMS a été mis en place pour découvrir si vous pouvez justifier l'automatisation quand vous n'avez pas de production à grand volume. La fabrication de composites automatisée peut-elle être compétitive et rentable pour de faibles volumes ? »

Conception d'aile

OPTICOMS est né d'une demande de Clean Sky 2 émise par le fabricant italien d'avions d'affaires Piaggio Aerospace (Gênes) pour le développement d'une aile alternative tout-composite pour son P180 Avanti biturbopropulseur neuf passagers. Le caisson d'aile mesure 6,8 mètres de long, 0,71 mètre de large à la racine et 0,28 mètre de large à l'extrémité. Piaggio, dit Nathan, était impatient d'évaluer une alternative au caisson d'aile tout-métal existant — une alternative avec les mêmes dimensions, mais offrant un poids réduit (20 %). De plus, le coût devrait être réduit de 20-30 % par rapport à la fabrication conventionnelle de caisson d'aile composite. IAI et ses partenaires ont remporté le contrat et ont commencé à travailler avec Piaggio en 2016.

OPTICOMS est un programme multi-parties conçu pour effectuer une série d'études de compromis hautement détaillées et minutieusement menées pour évaluer et déterminer la conception d'aile optimale, la combinaison de matériaux et le procédé de fabrication OOA pour la fabrication automatisée d'un caisson d'aile tout-composite à faible volume.

IAI et OPTICOMS, dit Nathan, ont décidé tôt de se concentrer sur et d'évaluer l'utilisation de trois procédés de fabrication fournis par trois partenaires : Placement robotisé automatisé pick-and-place de tissus secs et préimprégnés, fourni par Techni-Modul Engineering (TME, Coudes, France) ; placement de fibres automatisé (AFP) de fils secs et préimprégnés, fourni par Coriolis Composites (Quévén, France) ; et technologie de placement automatisé de matériaux secs (ADMP), fournie par Danobat (Elgoibar, Espagne). La sélection de ces technologies et partenaires serait critique pour guider IAI tout au long de ses études de compromis multi-variantes.

Résultats de conception

• Conception multi-longerons intégrale (trois longerons) minimisant l'assemblage
• Peau « travailleuse » porteuse de charge aide à soulager les contraintes mécaniques sur les longerons
• Peau inférieure collée avec SHM élimine le besoin de fixations mécaniques

La première étape de cette étude de compromis était l'évaluation de conception. Cet effort a été mené chez IAI par Adam Sawday, ingénieur conception structurelle pour technologies avancées. Sawday dit qu'il et IAI ont adopté une approche feuille blanche pour la conception de l'aile, étudiant plus de 18 concepts sur une variété d'architectures. Les conceptions sont rapidement tombées dans l'une de deux catégories. La première emploie une peau « travailleuse » dans laquelle la peau du caisson d'aile devient une structure porteuse. La seconde emploie des peaux non travailleuses avec longerons chargés. Au sein de ces catégories, les conceptions incluent un concept traditionnel avec nervures, raidisseurs et deux longerons, ou, alternativement, l'utilisation de trois longerons — appelé multi-longerons — sans nervures ni raidisseurs. Plusieurs concepts ont également considéré l'utilisation d'une construction panneau sandwich qui produit une peau semi-travaillante.

« Notre mantra était de réduire l'effort de fabrication et de réduire l'effort d'assemblage, » dit Sawday. « Et nous croyons que si vous pouvez développer une structure plus efficace qui est plus intégrale, alors vous allez obtenir une structure moins chère et plus légère. »

Sawday dit que les conceptions ont été mesurées contre une série de métriques pour évaluer leur capacité à atteindre les objectifs de coût et de poids du programme. Ces métriques incluent : coûts matériaux, complexité de conception, coûts de fabrication composants, coûts d'assemblage, coûts d'essais non destructifs (END), coûts outillage et gabarits, poids, résistance, niveau de maturité technologique (TRL), considérations écologiques, profil de risque, robustesse et fiabilité. Parmi celles-ci, les critères les plus pondérés étaient le poids, les coûts de fabrication et d'assemblage, la complexité de conception, TRL et profil de risque.

Sélection finale de la conception

Les données de cette évaluation ont aidé IAI à réduire les concepts de conception à 10 finalistes. Quatre étaient multi-longerons/peau travailleuse, un était multi-longerons/peau non travailleuse avec longerons chargés, quatre étaient multi-nervures/peau travailleuse avec raidisseurs, un était multi-nervures/peau travailleuse sans raidisseurs, et un était structure sandwich/peau travailleuse sans raidisseurs. Chaque conception offrait diverses combinaisons de pré-durcissement, co-durcissement, collage ou fixation mécanique.

Arriver à la conception finale a impliqué un autre tour d'études de compromis en utilisant beaucoup des mêmes critères que dans la première étude. Chaque conception a reçu une valeur de compromis, basée sur la façon dont elle répondait aux critères. « Nous avions ce grand tableau de compromis, et chaque option de conception avait une valeur, et cela nous a aidés à voir l'option la plus forte, » dit Sawday.

Il y avait une conception, dès le début, qui a performé de manière constante dans les études de compromis et semblait susceptible de sortir gagnante, note Sawday. Et c'est le cas. Surnommée en interne multi-longerons/peau travailleuse #2, elle présente une peau supérieure hautement intégrée et co-durcie et trois longerons. Ceux-ci sont ensuite collés à une peau inférieure qui a des panneaux d'accès. Situés sélectivement entre les longerons se trouve une série de nervures « de secours », conçues pour soutenir la peau, qui supporte la plupart des charges de flexion.

« Les structures les plus favorables que nous avons développées, » dit Sawday, « étaient celles avec multi-longerons, où la peau devient porteuse. Les longerons, alors, deviennent des structures plus simples et plus minces, et pas près aussi lourdes qu'elles le sont dans les conceptions d'ailes composites traditionnelles. Nous avons pensé que si nous pouvions juste rendre ces longerons très simples, avec une section transversale constante, ça va nous économiser beaucoup de maux de tête et beaucoup de rebuts. »

Sawday dit que la conception multi-longerons/peau travailleuse collée intégrale a montré une promesse particulière pour ses coûts d'assemblage réduits, poids faible, facilité d'automatisation et nombre total de pièces bas. La question restait, cependant : Quels matériaux et quels procédés de fabrication seraient les mieux adaptés pour donner vie à cette conception ?

Études de compromis M&P

Premier étaient les études de compromis sur les matériaux. Celles-ci ont été effectuées chez IAI par Yaniv Yurovitch, ingénieur matériaux composites. Il dit qu'OPTICOMS a commencé à évaluer des préimprégnés carbone OOA, fibres de carbone sèches (rubans et tissus) et résines basées sur les recommandations de Piaggio, IAI et partenaires technologiques. Le résultat était une liste de 35 matériaux qualifiés et nouveaux.

Ce premier groupe de matériaux a ensuite été filtré basé sur les paramètres les plus cruciaux pour le projet OPTICOMS : Coût, température de transition vitreuse (Tg), viscosité (pour infusion ou injection) et adéquation pour les technologies de pose automatisées. Cette évaluation a réduit la liste des matériaux de 35 à 20 préimprégnés, fibres sèches et résines.

Des échantillons de chacun de ces 20 matériaux ont été commandés ; Yurovitch a ensuite fabriqué des éprouvettes et effectué des essais mécaniques dans le cadre de la prochaine sélection. « C'était un gros paquet de travail, » dit Yurovitch. « Ça nous a permis de prendre plus de décisions et de sélectionner les trois matériaux finaux. » Ces combinaisons fibres/résines sont :

• Préimprégné carbone/époxy 2510 de Toray Composites Materials America (Tacoma, Wash., États-Unis).
• Rubans UD carbone HiTape de Hexcel (Stamford, Conn., États-Unis), à utiliser avec la résine époxy HexFlow RTM6 de Hexcel.
• Tissu multi-axial sans torsion (NCF) carbone fourni par SAERTEX (Saerbeck, Allemagne), à combiner via infusion avec l'époxy durci PRISM EP2400 de Solvay Composite Materials (Alpharetta, Ga., États-Unis).

Cette liste favorise évidemment l'utilisation de fibres sèches, ce qui favorise à son tour l'infusion comme procédé de fabrication. Nathan dit que c'est en partie dû au défi de gérer la durée de vie des préimprégnés dans un environnement à faible volume. « Quand vous parlez de production à faible volume, vous ne voulez vraiment pas transporter beaucoup de préimprégné et vous soucier de gérer la durée de vie, » dit-il. « La fibre sèche n'a pas ce problème. »

Ces trois matériaux ont également été associés à un ou plusieurs des procédés de fabrication sélectionnés pour OPTICOMS : le préimprégné Toray correspond au pick-and-place et AFP, le HiTape/RTM6 de Hexcel correspond à l'AFP ainsi qu'au pick-and-place, et le NCF SAERTEX correspond au pick-and-place ou ADMP.

Les compromis autour des procédés de fabrication automatisés — lequel est le mieux adapté pour quel type de pièce — sont encore en cours d'exécution par IAI et OPTICOMS. Cependant, les résultats préliminaires, dit Nathan, pointent définitivement les technologies dans certaines directions. Par exemple, la technologie ADMP de Danobat, initialement développée pour le placement rapide de larges tissus dans la fabrication de pales d'éoliennes, s'est avérée tout aussi efficace dans OPTICOMS. La technologie a mûri pendant OPTICOMS et sa robustesse et fiabilité ont été améliorées, mais c'est encore une technologie de pose aérospatiale moins mature comparée à l'AFP.

Inversement, l'AFP avec le système Coriolis, avec son expérience aérospatiale extensive, est une technologie mature et précise, mais a des temps de pose plus longs comparés à l'ADMP et nécessite une inspection relativement fréquente pour vérifier les anomalies. Coriolis a fait des progrès notables tout au long du projet OPTICOMS avec le développement d'une inspection en ligne, en temps réel de la pose pour faire face à ce défi, dit Nathan. Finalement, la technologie pick-and-place de TME, conçue pour automatiser le transfert de tissus coupés de la table de découpe au moule, semble être la plus efficace pour les pièces plus petites et discrètes, comme les nervures de secours dans la conception multi-longerons/peau travailleuse.

Prochaines étapes

OPTICOMS est sur la bonne voie pour atteindre les objectifs d'automatisation, d'économies de coûts et de poids fixés par le programme, dit Nathan, bien qu'il reste encore plusieurs mois de travail pour évaluer les procédés de fabrication ainsi que les solutions d'assemblage.

« C'est un point important sur OPTICOMS, » explique-t-il. « Nous avons eu une sélection robuste de la conception. Nous avons eu une sélection des matériaux. Nous avons eu une sélection des procédés. Tout cela prend du temps et des efforts. C'est l'un des aspects uniques du projet. »

OPTICOMS a lancé trois appels à propositions (CFP) pour des technologies et du matériel pour soutenir, assurer et améliorer les objectifs du projet. Les propositions retenues sont devenues des projets Clean Sky 2, associés et supplémentaires au Core Partner « mère » OPTICOMS — tous travaillant ensemble vers un objectif commun.

Le premier effort dans ce développement est FITCoW, qui vise à développer un système d'outillage carbone intégral novateur pour le co-durcissement de la peau travailleuse et des trois longerons. La liste des cibles de FITCoW est ambitieuse : réduction de 50 % du coût des pièces fabriquées, réduction de 30 % du coût d'outillage (comparé à l'alternative métallique), réduction de 20 % du temps de fabrication comparé aux alternatives autoclave et OOA, réduction de 40 % du décalage CTE comparé à l'outillage Invar, diminution de 20 % des temps de chauffe et refroidissement et réduction de 40 % du temps d'inspection grâce à de meilleures capacités de contrôle dimensionnel.

Pour coller la structure longeron/peau à la peau inférieure, le second CFP a abouti à un autre projet OPTICOMS appelé WIBOND, pour développer un outil d'assemblage par collage qui place l'adhésif, applique la pression appropriée et incorpore des capteurs à fibres optiques dans la ligne de collage pour la surveillance de l'état structural du collage ; CW en rendra compte ainsi que les autres technologies d'assemblage dans un article séparé à publier en 2022.

Le troisième CFP a été initié pour traiter le défi crucial des contraintes résiduelles qui causent un « spring-in » de la structure longeron/peau. Ces déformations peuvent avoir des effets délétères sur le processus d'assemblage par collage. Le projet ELADINE a rejoint l'effort OPTICOMS pour développer un logiciel qui modélise et prédit l'anisotropie thermique, le retrait de polymérisation, l'interaction outil-pièce, l'écoulement de résine et le compactage et les gradients de température à travers la structure.

Le focus principal d'IAI et OPTICOMS maintenant est de livrer d'ici Q2 2022 un démonstrateur d'aile complet de 6,8 mètres à Piaggio pour essais statiques et de fatigue. Cela sera suivi par l'analyse de la performance globale de l'aile et la capacité de la conception, matériaux et procédés à répondre aux critères du projet. Suivra ensuite une recommandation de Piaggio sur les prochaines étapes potentielles vers la commercialisation.

Au-delà de Piaggio, cependant, IAI espère que le caisson d'aile OPTICOMS pourrait trouver application dans d'autres avions. « Bien que ce projet soit basé sur un avion spécifique, » dit Sawday, « nous avons essayé de rendre la conception scalable à différentes épaisseurs et tailles. Nous n'avons jamais perdu de vue le fait que cette technologie peut et doit être hautement adaptable. »