DigiProp stimule l'innovation durable pour Dowty Propellers et leurs clients

Dowty Propellers (Gloucester, Royaume-Uni), leader mondial des systèmes d'hélices composites et filiale de GE Aviation (Cincinnati, Ohio, États-Unis), a annoncé l'achèvement réussi de son plus grand programme de recherche et développement d'hélices : DigiProp. Dowty a dirigé le programme de 4 ans et 20 millions de livres « Digital Propulsion », cherchant à innover chaque aspect de la conception, de la fabrication et des tests de ses systèmes d'hélices.

L'évolution des méthodes de test pour mieux représenter l'environnement opérationnel a été un domaine clé du programme DigiProp. Photo credit: Dowty Propellers

DigiProp a été financé par le gouvernement britannique, en collaboration avec trois des centres Catapult de fabrication à haute valeur ajoutée du Royaume-Uni : le Centre de recherche avancée en fabrication (AMRC, Sheffield) de l'Université de Sheffield, le Centre de technologie de fabrication (MTC, Coventry) et le Centre national des composites (NCC, Bristol). Les avancées réalisées incluent la mise à l'échelle industrielle du tressage triaxial pour structures à géométrie complexe, le développement d'un processus de thermoformage de mousse automatisé comme alternative au moulage ou à l'usinage et l'utilisation réussie du tronçonnage ultrasonique robotique pour préformes en fibres de carbone. D'autres développements incluent :

• Le tressage triaxial a été développé à l'échelle industrielle, exploitant les propriétés directionnelles des composites avancés pour offrir performance et résistance, tout en maximisant les avantages des propriétés légères pour permettre une réduction globale du poids des pales.
• Les composites thermoplastiques ont été développés, permettant le recyclage, la réduction des déchets et la réutilisation de l'outillage, ce qui soutient l'objectif de neutralité carbone.
• L'introduction d'un jumeau numérique lors du développement de la nouvelle usine de Dowty Propellers a non seulement optimisé l'empreinte de l'usine mais a aussi identifié les goulots d'étranglement des processus pour réduire le temps de fabrication et la consommation d'énergie, améliorer le rendement à la première passe et accélérer la mise sur le marché pour les clients.
• Grâce à des modèles de données complexes, des améliorations de performance aérodynamique et acoustique sont maintenant disponibles pour les clients de Dowty Propellers et la création d'un fil numérique a posé les bases pour l'utilisation des mégadonnées.

 

AMRC sur le thermoformage de mousse, le tressage et le tronçonnage ultrasonique

« Grâce au programme DigiProp, le Centre composite de l'AMRC a pu repousser les limites de ce qui est possible avec la fabrication de composites », dit le Dr Matt Smith, responsable technique pour la simulation de composites à l'AMRC. « Avec le thermoformage de mousse, ce niveau de complexité n'est pas quelque chose que nous avons fait auparavant au sein de l'AMRC. Dowty Propellers était vraiment intéressé et impressionné par les résultats et voulait continuer ce travail au-delà de la fin de DigiProp. »

Cellule robotique KSL de l'AMRC avec accessoire couteau ultrasonique. KukaSim a été utilisé pour déterminer la position idéale de l'outil pour le trajet de coupe optimal. Photo Credit: Dowty Propellers, AMRC

« Nous avons aussi réussi à développer notre capacité de tressage triaxial », dit Smith, « en surmontant les défis de la mise à l'échelle de la fabrication. Nous avons commencé par des essais à petite échelle à l'Université de Manchester avec des structures tubulaires simples et progressé vers une géométrie de profil aérodynamique réelle avec le tressage capable de se conformer à la forme complexe spécifiée par Dowty Propellers. »

L'équipe du Centre composite de l'AMRC a aussi prouvé la faisabilité du pointage de piles de matériaux avant formage. Cela est suivi par le tronçonnage à la taille à l'aide d'un couteau ultrasonique monté sur un bras robot. « Le tronçonnage ultrasonique a été vraiment réussi », dit Smith. « Les avantages de cette technologie sont que les piles de matériaux sont stabilisées de manière efficace et que le processus de coupe ultrasonique peut gérer des exigences de coupe multiaxiales. »

« Le modèle de systèmes d'hélices paramétrique que nous avons développé nous permet d'utiliser bien plus de variables qu'un esprit humain ne pourrait jamais calculer, nous permettant de livrer des milliers d'années de calcul manuel en quelques semaines », explique Jonathan Chestney, responsable ingénierie chez Dowty Propellers. « Cela donne à nos clients une réponse de conception plus rapide et un niveau d'optimisation de conception plus élevé que jamais. »

L'AMRC recherche maintenant de futurs projets en thermoformage de mousse et tronçonnage ultrasonique.

 

NCC sur le carbone/TP mélangé et le moulage par vessie

Dans le cadre de DigiProp, l'équipe du NCC a examiné le flux de travail de fabrication des pales, explorant différentes technologies et processus pour pouvoir entrer les exigences de la pale et un ensemble de contraintes géométriques afin de créer autant de flexibilité que possible dans la conception de nouvelles structures de pales.

Le NCC a alors conçu et fabriqué des prototypes à grande échelle d'une pale d'hélice turbopropulseur d'avion ainsi qu'un nouveau processus de fabrication combinant le moulage par vessie avec le tressage triaxial de renforts thermoplastiques et fibres de carbone mélangés. Pour le système à vessie, un moule en cire revêtu de silicone est utilisé comme mandrin pour le surtressage.

Diverses compositions de matériaux ont dû être testées car la pale devait être durable et exempte de défauts de surface. La préforme en fibres sèches devait aussi conserver sa forme et ne pas s'affaisser, se déformer ou bouger lors du drapage autour du mandrin. Cela pour assurer le positionnement et l'alignement corrects des fibres pour répondre à l'intention de conception et aux exigences de performance de la pale.

Le processus de fabrication de la pale thermoplastique a nécessité le développement d'un mandrin rigide pour le tressage qui pouvait être facilement retiré du moule mais avec une vessie en silicone gonflable restante après le préformage. Cette dernière permettrait l'application de pression interne pour la consolidation pendant le durcissement. Le moule en cire revêtu de silicone a fourni une solution, mais l'épaisseur du silicone a dû être optimisée pour prévenir la défaillance de la vessie et la consolidation incomplète de la pale composite.

En utilisant des thermoplastiques, le NCC a réduit le cycle de durcissement à environ cinq minutes contre quatre heures pour les résines époxy thermodurcissables typiques. En une itération, le NCC a retiré le noyau en mousse de la construction de la pale, observant une réduction de poids et une amélioration à la fois de la durée de vie en fatigue et de la résistance aux chocs. Six pales d'hélice prototypes ont été développées au total, améliorant et améliorant les techniques de conception et de fabrication à chaque fois.

Le NCC a rapporté que travailler sur le programme DigiProp était une opportunité unique de développer des technologies de fabrication numérique pour des conceptions de pales avec des applications plus larges pour d'autres structures 3D creuses. Les exemples incluent des composants composites économiquement recyclables pour des véhicules aériens électriques plus petits. Ce travail a conduit à un autre projet, le Novel Composite E-Bike, dans lequel le NCC s'est associé au fabricant de VTT de Bristol Starling Cycles et à Composite Braiding, un leader de la technologie de tressage de composites thermoplastiques.

 

Technologie future déployée maintenant

« C'est le plus grand projet de recherche que nous ayons jamais entrepris chez Dowty et il n'aurait pas pu être mieux chronométré », dit Henry Johnston, Président de Dowty Propellers. « Nous avons maintenant une suite avancée de nouvelles technologies, nous laissant bien positionnés pour l'accélération de plateforme durable qui se produit post-Covid. »

« Ce projet a livré des innovations en performance de propulsion et en coût grâce à la conception et la productivité qui a aidé à transformer la R&D pour les hélices », dit Mark Scully, Chef de la technologie pour les systèmes avancés et la propulsion à l'Institut de technologie aérospatiale. « Avec l'aide des partenaires Catapult de fabrication à haute valeur, l'innovation de fabrication a été déployée dans la nouvelle installation de pointe de Dowty à Gloucester. »

Le changement radical de capacité de fabrication réalisé par le consortium ouvre de nouvelles opportunités pour développer la base de fabrication d'hélices aérospatiales du Royaume-Uni en exploitant la technologie composite avec la numérisation industrielle pour réduire les coûts de production et augmenter la performance des futurs systèmes de propulsion dans le secteur de l'aviation européen de 200 milliards d'euros.

Dowty Propellers commence maintenant à utiliser les technologies réalisées dans DigiProp pour des applications aéronautiques évolutives et pour cibler les plateformes de prochaine génération. Les clients potentiels bénéficient de la capacité de l'entreprise à soutenir des études de compromis avec un délai d'exécution court sur l'analyse de performance.

Dowty précise que DigiProp n'aurait pas été possible sans le soutien et le financement du programme ATI, un investissement conjoint du gouvernement britannique et de l'industrie pour maintenir et développer la position concurrentielle du pays dans la conception et la fabrication aérospatiale civile. Le programme ATI, délivré par un partenariat entre l'Institut de technologie aérospatiale (ATI), le Département des affaires, de l'énergie et de la stratégie industrielle (BEIS) et Innovate UK, aborde les défis technologiques, de capacité et de chaîne d'approvisionnement.