L'Institut DLR des structures et design fait progresser la technologie de fuselage en composites thermoplastiques

Dans le cadre du projet « LuFoV-3 TB-Rumpf », la consolidation sans autoclave de stratifiés préimprégnés thermoplastiques et le soudage par résistance sont davantage développés et validés comme briques technologiques pour les futurs fuselages d'avions. Ce travail est réalisé par le Centre aérospatial allemand (DLR), Institut des structures et design (Institut BT) à Stuttgart, en collaboration avec des partenaires de l'industrie aérospatiale, dont Airbus et d'autres instituts de recherche.

Démonstrateur d'intersection de fuselage intégrée

L'Institut BT du DLR a démontré une intersection de fuselage entièrement intégrée, composée de peau, longerons, cadres et entretoises. Le démonstrateur repose sur une peau courbe consolidée hors autoclave (OOA) avec longerons co-consolidés et intégration de cadres et entretoises via soudage par résistance. Les soudures ont été caractérisées par des essais mécaniques et la ligne de soudure a été examinée plus en détail au microscope optique.

TB-Rumpf : maturation de la consolidation OOA et du soudage

L'état de l'art pour la consolidation de grands composants en thermoplastiques haute température à fibres continues (ex: polyaryléthercétone ou PAEK) est la consolidation en autoclave. Cependant, grâce à une configuration de procédé optimisée et un contrôle de procédé adapté, il est possible d'atteindre une consolidation complète en utilisant uniquement la température et la pression sous vide. L'utilisation de moules auto-chauffants ou de fours peut éliminer le besoin d'un autoclave et ainsi générer des avantages de coûts. Le projet TB-Rumpf vise à maturer le procédé appelé VCT (Vacuum Consolidation Technique) et à déterminer les limites du procédé, y compris l'épaisseur maximale de stratifié possible.

Une autre technologie clé pour les futures applications de composites thermoplastiques avancés est le soudage pour l'assemblage. DLR et Airbus ont identifié le soudage par résistance comme technologie de premier plan en raison de sa capacité à réaliser des structures à haute résistance. Dans le projet TB-Rumpf, le procédé de soudage par résistance et les éléments de soudage nécessaires sont optimisés. Les démonstrateurs résultants sont testés structurellement pour valider la performance mécanique de l'assemblage et des stratifiés composites soudés.

Étude de la technique de consolidation sous vide (VCT)

Matthias Horn, chef de projet à l'Institut BT du DLR, explique que le démonstrateur TB-Rumpf utilise du ruban thermoplastique renforcé de fibres de carbone unidirectionnelles en PAEK bas-fusion (LM-PAEK). Ce ruban composite est traité par placement automatisé de fibres (AFP) réalisé à l'aide d'un robot KUKA (Augsbourg, Allemagne) avec une tête de dépôt AFPT (Doerth, Allemagne) et un laser de 6 kilowatts pour le chauffage du ruban.

Consolidation OOA par VCT

« L'objectif était de valider la faisabilité de ce procédé pour des stratifiés épais », explique Georg Doll, chercheur à l'Institut BT et responsable consolidation pour TB-Rumpf. « Nous avons obtenu de bons résultats pour des stratifiés jusqu'à 11 mm d'épaisseur, sans pores ni autres imperfections, validés par micrographies de sections transversales et inspection ultrasonore. Les clés de ce succès sont une configuration VCT optimisée, un cycle de chauffe adapté et une qualité de préimprégné homogène et constante. »

Co-consolidation OOA des éléments de raidissement

En plus d'utiliser la VCT pour la production de panneaux de peau de fuselage sans autoclave, le projet TB-Rumpf a également réussi à développer la co-consolidation pour l'intégration directe des éléments de raidissement longerons avec la peau lors d'un seul cycle de procédé VCT.

AFP de formes courbes et double courbure

L'AFP laser comme procédé complémentaire à la VCT a été étudié, incluant les limites de procédé et matériaux (ex: orientation maximale du ruban), par la fabrication de stratifiés double courbure mesurant environ 800 x 1200 mm. Les résultats de ces essais de fabrication peuvent faire progresser la consolidation OOA ainsi que la consolidation in-situ, réalisée pendant l'AFP sans opération secondaire.

Soudage par résistance

« Pour intégrer les éléments structurels de fuselage et ainsi rendre la production de futurs concepts de fuselage thermoplastiques réalisable, nous avons étudié le soudage par résistance concernant une robustesse de procédé accrue et des valeurs de résistance optimisées », déclare Simon Bauer, chercheur à l'Institut BT et responsable soudage pour TB-Rumpf. « L'accent a été mis sur une configuration d'élément de soudage optimisée, basée sur la fibre de carbone comme élément chauffant, et une conduction électrique améliorée, en combinaison avec les meilleurs paramètres de soudage adaptés, tels que le cycle de chauffe, température, pression, courant et tension. » Le soudage par résistance a été utilisé pour fixer les entretoises au cadre et aux longerons ; il a également servi à fixer le cadre à la peau.

Briques technologiques pour les futurs designs de fuselage

« En raison de la maturité technologique démontrée, tant la consolidation hors autoclave que le soudage par résistance peuvent jouer un rôle important pour les futurs designs de fuselage », souligne le Dr Paul Jörn, chef du projet correspondant chez Airbus.

Pour amener les technologies encore plus près de l'application industrielle, d'autres aspects difficiles seront étudiés dans un avenir proche. Pour la consolidation sous vide, le changement d'échelle et le transfert vers des contours double courbure seront privilégiés. Pour le soudage par résistance, les aspects de tolérance ainsi que d'automatisation seront abordés.

Les résultats présentés ici ont été obtenus dans le projet de recherche TB-Rumpf (FKZ: 20W1721D) dans le cadre du Programme fédéral de recherche aéronautique V-3, financé par le Ministère fédéral allemand de l'économie et de l'énergie.

Pour plus d'informations, visitez dlr.de/bt.