Rubans thermoplastiques : moteurs d'innovation dans les aérostructures composites

La production d'aérostructures a été fortement impactée par la pandémie de COVID-19, mais les efforts aérospatiaux n'ont pas nécessairement suivi le même chemin, du moins pour Web Industries (Marlborough, Massachusetts, États-Unis), une entreprise qui offre des services de découpe de rubans thermoplastiques pour une variété d'applications clients. Selon Grand Hou, directeur mondial de la recherche et technologie, aérospatial, les efforts de recherche dans l'espace, la mobilité aérienne urbaine (UAM) et le militaire ont fonctionné à plein régime pour permettre la prochaine génération d'avions – et les composites, spécifiquement les rubans thermoplastiques, ont été clés pour nombre de ces efforts.

Les rubans thermoplastiques ne sont pas nouveaux, bien sûr (voir l'éditorial de Jeff Sloan, rédacteur en chef de CW, « I want to say two words to you: 'Thermoplastic tapes' » pour plus d'historique remontant aux années 1960), mais les dernières années ont vu une augmentation de leur intérêt, particulièrement pour l'aérospatial commercial et autres applications haute performance (telles que nervures pour le programme Wing of Tomorrow et le programme Multifunctional Fuselage Demonstrator, entre autres). Comparés aux rubans thermodurcissables, les thermoplastiques offrent des avantages tels que une ténacité plus élevée, une recyclabilité plus facile, leur capacité à être traités hors autoclave (OOA) et le fait qu'ils peuvent être stockés à température ambiante.

Web Industries est en première ligne du développement et des applications de thermoplastiques, notamment avec ses multiples capacités de formatage, qui incluent le découpage de rubans thermodurcissables et thermoplastiques de fournisseurs en différentes formes et formats pour répondre aux exigences spécifiques des clients. Avec des lignes de production de découpe de rubans basées dans des installations aux États-Unis et en Europe, les capacités de Web incluent le formatage de rubans thermoplastiques haute performance en polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK) et polyaryléthercétone (PAEK), les plus couramment utilisés dans les applications aérospatiales.

Rubans TP pour aérostructures secondaires – et défis pour structures primaires

Actuellement, note Hou, la plupart de l'activité aérostructures en préimprégnés thermoplastiques se concentre sur les structures secondaires telles que clips, panneaux d'accès ou sous-structures, tandis que les structures primaires critiques pour le vol comme ailes et fuselages sont réalisées avec des composites thermodurcissables ou des métaux.

« Beaucoup de défis concernent la gestion des risques », dit-il, et partie du problème a historiquement été les douleurs de croissance des préimprégnés thermoplastiques des fournisseurs. Les matériaux thermoplastiques sont moins matures que les rubans thermodurcissables. Selon Hou, tandis que les rubans thermodurcissables ont eu des décennies de production à grand volume pour échelle et perfection, les matériaux thermoplastiques sont dans l'enfance de l'utilisation dans les procédés automatisés pour production à grand volume.

Cependant, Web Industries travaille avec une variété de fournisseurs de matériaux composites, et Hou affirme que la constance des matériaux et l'échelle se sont grandement améliorées au cours des dernières années. Largeur, longueur, épaisseur, tension des fibres et uniformité de la résine sont toutes bien plus constantes et de meilleure qualité aujourd'hui, dit-il.

Un autre facteur prohibitif pour la fabrication de plus grandes structures primaires thermoplastiques est que les matériaux thermoplastiques tendent à être plus chers que les thermodurcissables. « Ce ne sera pas plus largement adopté s'il n'y a pas d'avantage de coût global », admet Hou, notant que la collaboration et l'aide technique sont critiques pour faire baisser les coûts de procédé. « Nous pouvons atteindre de meilleures solutions quand tout le monde travaille en collaboration depuis les premières étapes du projet jusqu'à la fin pour atteindre des objectifs communs. »

Flexibilité de procédé et personnalisation matériaux

Dans l'ensemble, Hou voit beaucoup de potentiel et une activité croissante pour les rubans thermoplastiques maintenant et dans le futur, la flexibilité étant l'un des principaux points de bascule pour les clients.

Actuellement, les rubans thermodurcissables sont principalement confinés au placement automatisé de fibres (AFP), avec les limitations de polymérisation en autoclave et exigences de température de stockage. Les thermoplastiques peuvent permettre une approche de procédé plus flexible ainsi que le traitement OOA, dit Hou, incluant formats de rubans pour dépôt automatisé de bandes (ATL), et filaments pour fabrication additive.

Selon Web Industries, le formatage à échelle commerciale et les solutions de chaîne d'approvisionnement seront critiques pour fournir aux fabricants d'aérostructures les rubans thermoplastiques découpés requis pour soutenir les cadences de production projetées de l'industrie.

Les préimprégnés thermoplastiques peuvent également être adaptés pour des applications spécifiques. Selon Hou, les utilisateurs finaux cherchent à adapter les matériaux à chaque application. Comme les thermoplastiques sont hautement adaptables, un format spécifique peut être développé pour une pièce spécifique, dit-il, maximisant l'utilisation du matériau et réduisant les coûts aval du client. Avec l'UAM, l'espace et le militaire étant des zones de forte activité, Ashley Graeber, directrice ventes et développement nouveaux marchés, note que l'activité est adaptée par projet, plutôt que par programme d'avion.

Le formatage des matériaux thermoplastiques pour des applications spécifiques aide aussi à réduire les déchets, déclare Jason Surman, VP ventes, aérospatial. Dans l'industrie aérospatiale, le ratio buy-to-fly, qui est le ratio de la matière première à la masse de la pièce finie, est une préoccupation clé. L'objectif est d'avoir un ratio buy-to-fly aussi proche que possible de 1:1, signifiant qu'il y a peu de déchets matériaux. Le bon matériau dans le bon format pour la bonne application peut drastiquement réduire les déchets, note Surman. Dans l'industrie aérospatiale, 30% de déchets est « follement courant », dit-il, et pour faire baisser les déchets en dessous de ce niveau, un effort collaboratif de toutes les parties est requis.

« Marier le matériau au procédé est critique », ajoute Surman, « et les rubans thermoplastiques émergent comme solution habilitante pour les fabricants d'aérostructures. »