Le projet STUNNING réalise une peau de fuselage thermoplastique de 8,5 mètres, faisant progresser la conception d'avions durables

Dans le cadre de l'initiative Clean Sky 2 de l'UE, l'industrie aérospatiale cherche une trajectoire de vol vers la durabilité, particulièrement à travers la transition de l'aluminium vers les composites renforcés en fibres de carbone pour améliorer les structures d'avions et réduire considérablement les émissions. Le démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD) de Clean Sky 2 est un tel programme qui a commencé en 2017, composé de dizaines de projets individuels et de packages de travail (pour plus sur ceux-ci, voir « Prouver le soudage LM PAEK pour le démonstrateur de fuselage multifonctionnel »). En particulier, le projet STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), qui doit développer la section inférieure du fuselage du MFFD, a récemment produit une peau de fuselage de 8,5 mètres de long faite de thermoplastiques via le dépôt automatisé de fibres (AFP) (voir vidéo ci-dessous).

STUNNING est dirigé par GKN Fokker (Papendrecht, Pays-Bas) avec des partenaires clés Diehl Aviation (Laupheim, Allemagne), Centre aérospatial des Pays-Bas (NLR, Amsterdam, Pays-Bas) et Université de technologie de Delft (TU Delft, Delft, Pays-Bas). Le projet vise à mûrir davantage les processus d'assemblage automatisés, la fabrication et les technologies de soudage thermoplastiques, le développement intégré de conception et fabrication et les architectures de systèmes électriques avancés.

« Probablement la moitié de l'industrie aérospatiale en Europe est impliquée dans le projet MFFD, car nous creusons vraiment la recherche de diverses techniques de fabrication toutes avec la durabilité à l'esprit », décrit Joachim de Kruijk, ingénieur R&D composites senior au NLR. « En recherchant les diverses options de fabrication et matériaux, nous croyons que la meilleure façon d'atteindre cet objectif d'une structure de fuselage plus durable est d'utiliser la nouvelle génération de matériaux thermoplastiques. Nous voyons qu'un tel matériau peut permettre un changement d'approche de fabrication et de techniques de conception qui peuvent résulter en des avions beaucoup plus légers, ce qui signifie moins de consommation de carburant et des émissions plus faibles de CO₂ et NO_x, tout en maintenant la résistance et la sécurité que nous attendons des avions en aluminium traditionnels. »

Un certain nombre d'avions modernes, tels que l'Airbus A350 XWB et le Boeing 787 Dreamliner, utilisent déjà des matériaux composites thermodurcissables dans la construction de pièces et supports et même de la peau du fuselage, note Clean Sky. Dans le projet STUNNING, cependant, les experts de GKN Fokker et NLR étaient chargés de la conception pour la fabrication permettant des taux de production élevés de grandes pièces structurelles pour avions.

« L'une des vraies améliorations offertes par l'utilisation de thermoplastiques est que pendant le processus de fabrication et d'assemblage, contrairement aux thermodurcissables, ce matériau peut être chauffé et réchauffé plusieurs fois pour assurer l'uniformité et le collage », explique De Kruijk. « Dans STUNNING, l'un de nos objectifs était de montrer comment les différents processus pourraient être combinés pour construire à la fois des composants structurels et non structurels pour une intégration complète. Pour ce faire, nous nous sommes fixés pour objectif de construire la moitié inférieure d'un fuselage pour gagner des informations non seulement sur la fabricabilité de la peau de l'avion, mais aussi les sous-structures comme les raidisseurs sous la peau, et d'autres pièces structurelles comme les poutres de plancher, ainsi que des parties de la cabine, les systèmes et même les portes de fret. »

Avec ces objectifs ambitieux à l'esprit, les collaborateurs se sont mis à tester leurs diverses techniques de fabrication pour construire les nombreuses pièces et structures à intégrer dans un fuselage. Pour le NLR, cela signifiait tester ses connaissances et capacités de production avec la plus grande pièce de toutes, le dessous de la structure du fuselage. Avec l'aide de sa machine AFP interne de pointe, le NLR a rapporté avoir atteint sa cible, construisant la moitié inférieure de la peau de fuselage - une seule pièce, mesurant 8,5 mètres de long sur 4 mètres de diamètre - qui serait la plus grande pièce thermoplastique unique jamais réalisée.

Ce n'était pas un petit exploit, dit Clean Sky. Bien que les matériaux composites comme les thermodurcissables aient été de plus en plus utilisés dans la construction d'avions, les grandes pièces thermoplastiques sont relativement nouvelles dans le domaine, ce qui signifie aussi qu'elles peuvent être un peu plus coûteuses, en comparaison. Mais selon De Kruijk, c'est juste à valeur faciale, car les avantages l'emportent largement sur le prix.

« Parce qu'il est plus nouveau et en raison de ses propriétés, les thermoplastiques sont un peu plus chers que les thermodurcissables. Mais il y a un certain nombre de facteurs différenciants qui font que l'utilisation du nouveau matériau en vaut la peine. Par exemple, les thermoplastiques sont un peu plus légers que les thermodurcissables car c'est un matériau de matrice plus tenace et a une meilleure résistance aux dommages d'impact, ce qui est important », explique De Kruijk. « Au-delà de cela, cependant, il y a la manière dont le matériau peut être utilisé en fabrication. Pour connecter diverses pièces ou morceaux de thermoplastiques, vous avez simplement besoin de chauffer le matériau pour le souder ensemble. Cela signifie que nous nous débarrassons des centaines de milliers de fixations tenant les avions conventionnels ensemble, ce qui mènera sans aucun doute à des économies de poids plus dramatiques. »

Un autre sujet dont le NLR a été chargé de rechercher est comment inspecter, maintenir et réparer des avions construits en thermoplastiques. À ce jour, l'utilisation de grandes pièces composites dans les avions est quelque peu limitée, ce qui signifie qu'il y a beaucoup moins de données et de pratique en inspection, maintenance et réparabilité.

« Actuellement, nous travaillons sur le développement de technologie pour un certain nombre de techniques d'inspection non destructive [NDI] à utiliser pour inspecter les avions, telles que la thermographie et la shéarographie, mais cette technologie est encore en maturation. Actuellement, nous employons l'inspection ultrasonique pour vérifier les défauts et problèmes, mais cela peut être un processus chronophage », suggère De Kruijk. « Cependant, l'inspection et la maintenance actuelles des avions conventionnels sont aussi lentes. En raison de la nature des thermoplastiques, avec la capacité d'être réchauffés et soudés ensemble, nous voyons que la maintenance peut être faite beaucoup plus vite que sur les avions traditionnels. Imaginez juste combien de temps peut être économisé en n'ayant pas à vérifier manuellement chaque rivet unique à travers toute la structure, individuellement. »

En raison de la taille de la peau finale, deux segments ont été produits. Avec l'achèvement de la pose du second segment de 90 degrés de la peau de fuselage inférieure, l'étape suivante est de consolider et de joindre les deux segments de 90 degrés de la peau de fuselage inférieure en un segment de fuselage de 180 degrés. Pour ce faire, cependant, nécessite selon les rapports un autoclave très grand capable d'accueillir et de chauffer les pièces surdimensionnées pour les joindre. Comme il n'y a pas un tel autoclave aux Pays-Bas, les deux moitiés se dirigent vers l'Allemagne pour l'intégration. Le processus devait avoir lieu à la fin de juin.

« En supposant que nous puissions avancer avec la connexion de ces deux pièces du fuselage en juin, nous nous attendons à ce que nous puissions avoir la peau consolidée de retour au NLR d'ici l'été pour commencer le processus NDI détaillé pour tester et vérifier son succès et établir complètement la qualité de la peau de fuselage inférieure complète », illustre De Kruijk. « Après cela, nous l'expédierons à nos partenaires de GKN Fokker, où les diverses pièces développées dans le projet STUNNING pourront être entièrement assemblées et intégrées. »

Pour un résumé complet sur le projet MFFD, voir « Avancer sur le démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD) ». Pour plus sur le soudage par induction, voir ce webinaire présenté par GKN Fokker.

Ce projet a reçu un financement de l'Entreprise commune Clean Sky 2 (JU) sous l'accord de subvention No 945583. La JU reçoit le soutien du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne et des membres de Clean Sky 2 JU autres que l'Union.