Nervures Wing of Tomorrow : monobloc, thermoplastique, consolidation OOA pour avions nouvelle génération

Programme Wing of Tomorrow (WOT) d'Airbus, lancé 2015, a passé 6 ans à explorer technologies matériaux, fabrication, assemblage plus compétitives coût et haut débit pour ailes monocouloir avions commerciaux (voir couverture précédente CW programme WOT).

Selon Arnt Offringa, directeur GKN Aerospace Global Technology Center Pays-Bas (Hoogeveen), GKN Aerospace (Bristol, Royaume-Uni) très actif WOT, incluant développement démonstrateur longeron aile par moulage par transfert résine (RTM) et 4 nervures aile aluminium. Autre démonstrateur technologie récemment livré par GKN : développement nervure aile composite thermoplastique compétitive coût, et système presse modulaire innovant pour fabrication monobloc, hors autoclave (OOA).

Saut vers thermoplastiques

2018, GKN a entamé discussions internes matériaux/technologies fabrication pour 5 démonstrateurs nervures WOT. GKN a comparé options matériaux, composites thermodurcissables et thermoplastiques. Aluminium, matériau traditionnel nervures avions commerciaux, choisi pour 4 grandes nervures intérieures, mais pour petite nervure extérieure, entreprise a décidé explorer option composite.

« Nervure composite sur aile composite bénéfique plusieurs raisons », dit Offringa. « Premièrement, composites avec composites = pas différence dilatation thermique entre matériaux, comme avec nervure métal sur aile composite ou vice versa. Deuxièmement, pas problèmes corrosion. Composites = poids réduit. Dernier point : inspection plus facile. »

Offringa explique : nervures métal typiques requièrent inspection visuelle humaine une fois aile finale assemblée. Mais vu emplacement nervures intérieur aile, grandes trappes elliptiques à découper peau aile inférieure pour humains entrent inspecter. « Si nervure composite, moins fatigue nervures et moins fissures fatigue potentielles à inspecter. Inspection bien plus simple/moins intensive, plus besoin trappes peau aile. Peau aile continue. »

Réduction poids, résistance corrosion, inspection moins invasive = gains possibles thermodurcissable OU thermoplastique. « Étude interne poids, coûts, industrialisation, après comparaison technologies, choix thermoplastiques car plus potentiel et meilleur business case coût », dit Offringa.

Vu proximité relative Airbus Filton (UK) centre technologie aile où démonstrateur WOT testé, branche GKN Bristol (UK) = hub principal travaux WOT. Mais expertise GKN Pays-Bas thermoplastiques depuis jours Fokker Technologies, deux équipes GKN ont joint forces démonstrateur nervure. « Design UK, développement fabrication Pays-Bas, belle coopération équipes GKN », dit Offringa.

Sue Partridge, responsable WOT Airbus : « Collaboration partenaires aspect important Programme Wing of Tomorrow. En combinant ressources, on peut progresser solutions exploitant capacités nos deux organisations pour meilleur résultat. »

Pour nervures WOT livrées Airbus, GKN a utilisé rubans carbone/polyéthercétonecétone (PEKK-FC) Solvay (Bruxelles, Belgique), basés formulation Novaspire PEKK-FC (FC) cristallisation rapide. Offringa note que matériau carbone/PAEK bas température fusion Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californie) aussi évalué option futures structures nervures.

Design nervure aile nouvelle génération

>20 nervures aile monocouloir typique. Nervure démonstrateur composite thermoplastique = 14^e aile démonstrateur ; autres démontreront matériaux/Procédé alternatifs.

Nervures composites thermoplastiques souvent fabriquées estampage pour petits avions, dit Offringa. Mais GKN a écarté estampage traditionnel pour nervure WOT car ailes avions commerciaux, même monocouloirs comme démonstrateur WOT, subissent charges compression/tension très élevées.

« Si estampage nervure thermoplastique sens traditionnel, faudrait nervure très épaisse, âme épaisse pour la rendre plus forte pour résister forces agissant dessus », dit Offringa, pas préférable vu exigences réduction poids. En plus, estampage ne pourrait pas créer composant semelle inférieure double face nervure où pièce connecte peau aile inférieure ; composant additionnel à fabriquer et boulonner reste nervure. GKN avait besoin procédé fabrication permettant plus flexibilité design équipe envisagée.

Nervure thermoplastique GKN 90 cm long, 24 cm haut : âme verticale et semelle bidirectionnelle 8 mm épaisseur étendue bas nervure. Pour exigences poids, âme seulement 7 mm épaisse. Pour prévenir flambage et augmenter rigidité, âme renforcée éléments raidissants 3 mm avec technologie butt-joint GKN, utilisant préformes raidisseurs plates et matériaux « remplissage » moulés injection pour créer joint fort continu (voir « Thermoplastic primary aerostructures take another step forward » pour usage cette technologie panneau fuselage Gulfstream rubans carbone/PEKK-FC Solvay).

« On savait que si on pouvait faire cette forme composites et la rendre robuste, on aurait design très léger avec réduction poids recherchée. Mais problème : comment faire forme si compliquée rentablement et hauts débits ? C'est là où on a mis effort créer ce nouveau produit », dit Offringa.

Fabrication monobloc, OOA

Procédé s'appuie technologie GKN utilisée précédemment projet TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure) et développement panneau fuselage Gulfstream utilisant technologie butt-joint. Pour nervure WOT, GKN a développé procédé consolidation OOA monobloc. « On a porté notre travail précédent niveau supérieur en sortant autoclave première fois », note Offringa.

D'abord, rubans thermoplastiques UD découpés largeurs correctes, laminateur utilisé préformer éléments plats en 2 préformes âme en L. Préformes âme, préforme plate semelle, préformes plus petites et éléments remplissage moulés injection constituant raidisseurs tous chargés dans outillage, placé dans presse co-consolidation modulaire similaire presse RTM. Presse ferme, système vessie crée pression directions horizontale et verticale, simulant pression autoclave. Système chauffage résistance intégré porte composite T° fusion brièvement avant refroidissement consolidation.

« On a mis la plupart effort développement réglage/optimisation outillage », dit Offringa. Système modulaire ; outillage interchangeable pour accommoder nervures dimensions différentes ou autres types pièces en gardant même système chauffage/refroidissement. Pas nécessaire ces nervures, mais presse GKN développée Centre Technologie peut accommoder pièces jusqu'à 6 m long, pouvant inclure autres panneaux/poutres.

Système contrôle procédé clé traitement thermoplastiques. Thermoplastiques fondent T° plus hautes que thermodurcissables, doivent être refroidis processus contrôlé/constant pour minimiser gauchissement et maximiser cristallinité. « Très important contrôler processus exact début à fin », dit Offringa. « Gestion thermique cycle chauffage très importante. » (voir encadré « Thermoplastic (TP) forming issues » article pour détails enjeux/importance contrôle procédé thermoplastiques).

Fonctionnalités outillage spéciales permettent raidisseurs minces intégrés se démouler facilement. Pièce démoulée near-net-shape, puis tronçonnée forme finie. Outillage dedans à dehors : processus complet ~45 min. Une presse = ~15 nervures aile quart travail 8h.

« Procédé fabrication simple au final », note Offringa. « On fait beaucoup choses à la fois : co-consolidation préformes formes différentes, création bas nervure semelle bidirectionnelle, et en même temps raidissement âme technologie butt-joint. Finalement, on prend tous éléments matériau, on les met dans outillage, on crée une pièce homogène en une étape traitement. »

Essais, livraison et suite

Essais. Sous-composants testés répondre exigences résistance traction/compression installations GKN Isle of Wight et Hoogeveen.

Fin 2019, sous-composants nervures testés installations GKN Isle of Wight et Hoogeveen, Offringa dit passed exigences charges traction/compression « large marge ». « C'est fort, c'est dur, c'est facile à fabriquer. Concept s'est avéré exactement comme espéré. » Comparé version aluminium, Offringa dit version composite thermoplastique offre économies poids significatives et compétitive coût.

Entreprise a livré 3 nervures Airbus, une assemblée/testée démonstrateur WOT. GKN continue optimiser procédés/matériaux nervures aérospatiales commerciales, pour Wing of Tomorrow et au-delà.