Airbus développe longeron arrière OOA VBO et nervures thermoplastiques pour Wing of Tomorrow

Airbus (Toulouse, France) est en plein effort large pour travailler avec des fabricants aérocomposites sur le développement de structures hors autoclave (OOA) pour le programme Wing of Tomorrow (WOT) de l'entreprise. Ces structures sont livrées à Airbus en 2021 et seront assemblées dans un démonstrateur d'aile qui sera testé et évalué pour utilisation potentielle dans un avion monocouloir de prochaine génération. Quand un tel programme pourrait être annoncé est inconnu, et sujet à beaucoup de spéculations, mais toute la chaîne d'approvisionnement aérocomposites se positionne pour faire partie de la prochaine génération de fabrication d'avions, que ce soit pour Airbus ou Boeing, ou les deux.

CW a déjà rapporté sur certaines de ces activités WOT dans des articles sur la peau d'aile inférieure produite par Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, États-Unis), et les nervures thermoplastiques produites par GKN Aerospace (Hoogeveen, Pays-Bas). Rejoint l'effort WOT le fabricant d'avions et fournisseur d'aérostructures Daher (Paris, France), qui a développé, fabriqué et livré un longeron arrière OOA et cinq nervures thermoplastiques pour le programme.

« Daher est fier de participer à ce programme WOT. Ce développement confirme la position de Daher comme l'un des leaders mondiaux en technologies thermoplastiques et en structures à fonctions intégrées thermodurcissables, ainsi que partenaire fort pour constructeurs d'avions et Tier 1 pour pièces complexes », déclare Dominique Bailly, VP R&D chez Daher.

Longeron haute performance

Le démonstrateur WOT, comme toute aile d'avion commercial, a plusieurs structures de longeron. Le longeron arrière développé par Daher pour WOT est hors réservoir et le deuxième plus proche des deux longerons immédiatement adjacents au fuselage, situé juste au-dessus du train d'atterrissage. Il mesure plus de deux mètres de long et 10 mm d'épaisseur, et doit répondre à des exigences significatives de résistance et rigidité – « quelques tonnes appliquées sur caractéristiques et plusieurs dizaines de tonnes pour cisaillement et traction dans le sens de l'envergure », dit Bailly – compte tenu de sa proximité au fuselage et au système de train d'atterrissage.

En plus, dit Alexandre Condé, ingénieur en chef chez Daher qui a travaillé sur le longeron, Airbus recherchait le développement d'un procédé de fabrication hautement automatisé permettant à l'entreprise de réduire le poids de l'avion et de répondre rentablement à des cadences de production de 60-100 jeux par mois. Daher a proposé un design capable de remplacer 15 composants métalliques et fixations qui étaient originaux au design de longeron composite de base. « L'idée était d'intégrer le plus de caractéristiques pour être rentable et économiser du poids », dit Condé.

La structure de longeron qui en résulte est un sous-produit d'un longeron thermodurcissable OOA sac vide seulement (VBO) développé par Daher en 2018 pour un jet d'affaires Dassault Aviation (Paris, France). Bailly dit que le longeron Dassault était fabriqué avec le préimprégné résine époxy M56 d'Hexcel (Stamford, Connecticut, États-Unis), polymérisé OOA VBO. Par la suite, alors que Daher s'impliquait dans le programme Airbus WOT, l'entreprise a décidé d'adapter le design, procédés et justifications du longeron Dassault et de l'appliquer à la nouvelle structure Airbus WOT, sélectionnant l'époxy OOA Hexcel M56 polymérisation 350°F, préimprégné dans tissu fibres de carbone Hexcel AS4 et fibres de carbone UD IM7.

Le procédé de fabrication utilisé pour fabriquer le longeron est le placement automatisé de fibres (AFP) utilisant un système Coriolis Composites (Quéven, France), qui applique le matériau sur un moule mâle. La polymérisation est effectuée sous sac vide dans un four. La pièce résultante, dit Condé, a une porosité de 0,1%.

Condé dit que le préimprégné a été choisi sur le moulage résine liquide pour la même raison que le préimprégné est devenu un pilier de la fabrication aérospatiale ces 30 dernières années : il fournit un ratio résine/fibre constant et fiable qui permet la production de pièces ayant des dimensions et masse constantes et fiables. « En utilisant cette nouvelle génération de résine OOA avec seulement le vide, vous avez une robustesse parfaite dans le contenu en fibres dans l'épaisseur du composite après polymérisation », dit Condé. « Aussi, le poids de la pièce est très stable car vous ne poussez pas la résine hors des fibres. »

Daher dit avoir été le premier partenaire à livrer, fin 2020, un composant WOT – un longeron à Airbus à Bristol, Royaume-Uni – pour intégration dans le premier démonstrateur WOT ; l'entreprise est en cours de livraison de deux autres. Au-delà de cette phase de démonstration, Daher pense aussi à l'industrialisation de la fabrication de longerons et travaille sur une analyse de conception de système de fabrication (MSD) qui estime et simule opérations, installations, équipements et besoins en personnel pour production à plein régime d'un avion monocouloir de prochaine génération.

Multiples nervures, multiples tailles

L'effort chez Daher pour développer des nervures pour le programme WOT a été plus complexe et exigeant. L'entreprise a conçu cinq nervures de tailles et dimensions variables à l'intérieur de l'aile ; les autres nervures sont une combinaison de designs aluminium et composites, incluant une nervure composite thermoplastique conçue par GKN Aerospace.

Dans un projet précédent avec Dassault Aviation, Daher avait démontré sa capacité à concevoir et fabriquer des nervures relativement petites en composites thermoplastiques, explique Bailly. Avec WOT, l'entreprise a eu l'opportunité d'étendre ses compétences vers le développement de nervures plus grandes (~2 mètres de long), à charges plus élevées.

En plus, selon les objectifs WOT, Daher vise un niveau de maturité technologique (TRL) de 6 d'ici fin 2023. « À la fin du programme WOT, quand nous aurons prouvé que nous sommes au TRL 6 pour grandes nervures, entre ces deux programmes [WOT et Dassault Aviation], nous aurons démontré que nous sommes capables de couvrir la portion complète de nervures de l'aile – c'est l'idée », dit Bailly.

« Nous avons profité de ce programme pour examiner différentes façons de fabriquer des pièces et comparer comportements mécaniques, et aussi regarder l'impact sur la fabrication. En parallèle, nous travaillons sur la simulation pour prédire le comportement du composant comme le retour élastique ou l'effet d'estampage. Le but est de réduire les essais pendant le développement, donc le coût non récurrent », dit Condé.

Comme le longeron, le développement a commencé au niveau coupon, élément et détail, suivi par la fabrication de pièces sous-échelle avant que les pièces finales, taille réelle, ne soient construites. Des essais ont été conduits à chaque niveau, note Condé, incluant tests spécifiques développés par Daher pour caractéristiques de nervures.

Pour les cinq nervures, Daher a finalement décidé d'utiliser des rubans unidirectionnels (UD) fibres de carbone / polyaryléthercétone bas-fusion (PAEK) fournis par Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californie, États-Unis) utilisant une résine fabriquée par Victrex (Cleveleys, Lancashire, Royaume-Uni). Pour fabriquer les nervures, des préformes plates sont faites par AFP suivies de consolidation au four – dans certains cas, les matériaux sont pré-consolidés avant estampage. Selon besoin, des pattes ou autres composants sont fixés mécaniquement sur les pièces estampées.

Chaque nervure a été conçue selon sa position le long de l'aile, spécifications de taille et exigences de charge (une tonne à 50 tonnes), ainsi chacune est unique à plusieurs égards. La plus grande nervure mesure 2 mètres de long x 1 mètre de large. Quoi qu'il en soit, chacune commence avec une âme plate, qui est estampée en forme de « L » pour créer une patte le long du bas de la pièce où elle se connecte à la peau d'aile. Pour une stabilité additionnelle, plusieurs des nervures comprenaient deux composants en « L » fixés mécaniquement dos à dos pour former une forme en « T » avec pattes bidirectionnelles.

Caractéristiques spécialisées incluaient un support (fabriqué en composites thermodurcissables) pour connexion avec le rail de volet attaché à la nervure, et une série de trous ou chutes de plis dans certaines nervures pour réduire le poids de la pièce.

« Tout le temps où nous conceptions, nous devions gérer la complexité versus le coût », dit Bailly. « C'était toujours dans notre esprit, faire quelque chose de simple mais rentable. » La simplicité était clé d'un point de vue cadence de production aussi, note Condé. « Si c'est trop complexe, cela ne sera pas compétitif du point de vue client, aux taux très élevés qu'ils veulent avoir. »

Un défi qui a introduit de la complexité dans le design était l'épaisseur relative de chacune des nervures – jusqu'à 12 mm pour la plus grande. Les tissus épais ont tendance à se froisser ou former incorrectement quand estampés, et les pièces épaisses peuvent être difficiles à usiner en forme finie.

Pour l'usinage, Daher a utilisé un mélange de découpe jet d'eau et usinage mécanique selon besoins de la pièce, both pour atténuer les problèmes d'épaisseur et gérer la température. En plus, sur la nervure de 12 mm d'épaisseur, l'équipe a conçu une fenêtre de chute de plis au milieu du composant pour réduire le poids global. En plus de résoudre ces problèmes potentiels, Condé note que la fenêtre de chute de plis a aussi permis à Daher d' « essayer différents types de caractéristiques de fabrication sur les pièces, pour augmenter notre compréhension du comportement des pièces. »

Le procédé d'estampage s'est avéré un défi encore plus grand. « Nous avons dû imaginer une nouvelle façon d'estamper pour atténuer le risque de froissage », dit Bailly. Daher a finalement développé une méthode propriétaire pour résoudre le problème.

Prochaines étapes

Au-delà de WOT, Daher évalue des méthodes de fabrication alternatives pour produire des nervures thermoplastiques, tout en planifiant le développement d'une ligne de production complète pour fabrication à haut débit dans le futur.

Par exemple, alors que les démonstrateurs WOT utilisent des fixations, Bailly note qu'à travers son acquisition 2019 du spécialiste composites thermoplastiques et soudage par induction KVE Composites (La Haye, Pays-Bas), Daher possède la capacité pour composants soudés dans le futur. « Nous travaillons sur un autre projet séparé pour atteindre un niveau TRL plus élevé sur le soudage de pièces UD épaisses [pour utilisation sur avion monocouloir de prochaine génération] », dit-il.

Daher travaille aussi sur le développement d'une ligne de production complète pour produire des nervures thermoplastiques dans le futur. « Nous améliorons vraiment le concept et réduisons le nombre de machines nécessaires pour toutes les tâches et réduisons les coûts de procédé », dit Bailly, avec pour objectif d'atteindre les cibles de production aéronautique à haut volume.