Fabrication de la moitié supérieure du démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD) : insights de fabrication avancée

Ce blog fait suite à une présentation donnée par le Centre Aérospatial Allemand (DLR, Stuttgart et Augsbourg) au symposium de l'Université Technique de Munich l'automne dernier et au résumé de CW publié pendant la même période, « Progresser sur le Démonstrateur de Fuselage Multifonctionnel (MFFD) ». Le projet a également été décrit dans une présentation donnée par Lars Larsen à 9h35 le Jour 3 de ITHEC 2020 : « Avancement piloté par les données de processus du soudage ultrasonique continu robotisé pour l'Assemblage Sans Poussière des Futures Structures de Fuselage ».

Comme l'explique Larsen, « Le défi majeur est de montrer que les coûts de production peuvent être significativement réduits en utilisant l'automatisation. » Pour la moitié supérieure du MFFD, cela inclut la consolidation in-situ via dépose de bande/ placement de fibres automatisée (ATL/AFP) pour éviter l'autoclave et le soudage sans poussière pour l'assemblage. « Cela devrait permettre de changer la séquence des lignes d'assemblage de composants et final à l'avenir », dit Larsen, « permettant l'intégration des systèmes avant l'assemblage. » C'est parce que contrairement à l'usinage pour les trous de fixation, le soudage ne produit pas de copeaux ou débris qui pourraient endommager des systèmes pré-installés tels que la distribution d'énergie électrique distribuée, les aménagements intérieurs, etc.

Ce blog est basé sur mon interview avec Sebastian Nowotny, chef de la conception de composants et technologies de fabrication à l'Institut de Structures et Design du DLR (BT, Stuttgart) et Frederic Fischer, responsable technique pour la production de composites thermoplastiques au Centre de Technologie de Production Allégée du DLR (ZLP, Augsbourg). Fischer est également le chef de projet pour la moitié supérieure du MFFD au DLR.

NOTE : Dans l'image ci-dessus, les longerons formés par glissement fait référence à un processus développé dans Clean Sky 2 par Applus+ Laboratories (Barcelone, Espagne), voir mon blog 2017 sur le glide-forming, et les clips pressés à chaud fait référence auestampage, voir :

• Accélérer les composites thermoplastiques dans l'aérospatial
• Les composites thermoplastiques « clipsent » le temps, la main-d'œuvre sur les petites pièces cruciales
• À l'intérieur d'un foyer de composites thermoplastiques

Combiner structure, cabine et systèmes

J'ai demandé à Nowotny l'histoire de la moitié supérieure du MFFD. « Quand Clean Sky 2 a commencé, le premier appel à propositions a été lancé », répond-il. « Je pense que nous avons commencé en 2015, et nous avons gagné l'appel d'offres pour le projet appelé ICASUS, qui était un projet co-partenaire pour le programme gros porteur (LPA). L'accent principal était sur la conception d'un fuselage multifonctionnel. À ce moment-là, ce n'était pas du composite thermoplastique. L'objectif principal était de combiner le fuselage, la cabine, les systèmes et la structure en un seul processus de conception. Donc fondamentalement, le travail qui a été fait là est ce qui est devenu maintenant le démonstrateur de fuselage multifonctionnel (MFFD) et est le support technologique pour notre travail dans le projet de demi-coque supérieure. »

ICASUS

Le projet ICASUS vise à développer des solutions multifonctionnelles et hautement intégrées pour le fuselage intégré de nouvelle génération, structure, cabine et systèmes. Aujourd'hui, le processus de fabrication et d'assemblage pour les avions monocouloir est piloté par des étapes séquentielles coûteuses et chronophages. En particulier, l'assemblage de composants majeurs (MCA) et la ligne d'assemblage final (FAL) sont des goulots d'étranglement empêchant des processus plus rapides et accélérés. Pour cette raison, ICASUS développera un nouveau concept pour la fabrication et l'assemblage des futurs avions monocouloir ciblant :

• Production à haut rythme de 60 avions/mois ;
• Réduction des coûts récurrents du fuselage de 1 million d'euros comparé à la référence A321 ACF (« Advanced Cabin Flex ») ;
• Réduction de poids du fuselage de 1 tonne métrique par rapport à l'A321 ACF.

L'approche sera de combiner les disciplines à l'origine autarciques de cabine/cargo, systèmes et structure pour aboutir à la combinaison et l'intégration les plus prometteuses des fonctions et exigences respectives. Cela doit être réalisé en utilisant des matériaux avancés et en appliquant des principes de conception innovants en combinaison avec l'architecture de système la plus avancée en combinaison avec la cabine de nouvelle génération.

Le principal moteur est de réduire significativement la consommation de carburant en appliquant des systèmes à faible poids et une architecture/intégration de systèmes. Cela nécessite une procédure d'optimisation globale multidisciplinaire, ainsi que le développement et l'application d'une approche holistique Industrie 4.0. La conception pour la fabrication automatisée, l'automatisation, la sensorisation, l'analyse de données et l'échange sécurisé de données doit être utilisée. Les objectifs majeurs de la fabrication du MFFD incluent la vérification de la production rentable et à haut volume de structures composites multifonctionnelles et la contribution aux concepts de certification pour les joints CFRP thermoplastiques (ex: soudage).

« Comment combinez-vous le fuselage, la cabine, les systèmes et la structure en un seul ? » « Vous auriez encore ces disciplines avec leurs exigences respectives, mais je pense que l'objectif principal est l'approche de collaborer déjà à un stade précoce », explique Nowotny. « Il y a eu des règles strictes pour le processus de conception de fuselage d'avion qui ont créé des restrictions et empêché une conception d'avion pleinement optimisée. L'idée initiale de combiner structure, cabine et systèmes était d'avoir un processus de conception qui rassemble ces trois aspects et essaie ensuite de trouver l'optimum global, pas juste un d'abord pour la cabine, puis un pour la structure, puis un pour les systèmes. Mais, bien sûr, il y a beaucoup de règles et ce n'est pas un processus facile car cela implique aussi la certification. »

« C'est un processus en cours, dans le sens où une plateforme numérique a été établie et tous les partenaires européens fournissent des entrées dans cette conception numérique unique », dit Fischer. « Faire progresser cette conception intégrée pour le MFFD est ce qui se passe depuis les dernières années. Notre équipe livrera la moitié supérieure avec des provisions pour l'attache de cabine et de systèmes. La vision est de révolutionner l'assemblage final en livrant des composants majeurs entièrement équipés. »

Bien que DLR faisait déjà partie du projet de conception pour le MFFD, il n'a pas reçu le feu vert final pour le projet de fabrication avant 2019. Le consortium pour construire la moitié supérieure comprend Airbus en tant que chef de projet global MFFD, Premium Aerotec (Augsbourg, Allemagne) en tant que chef de conception industriel et structurel et fournisseur des cadres, Aernnova (Vitoria-Gasteiz, Espagne) pour produire les longerons et DLR comme chef pour la dépose de peau et le développement de technologie de soudage. Pour l'année écoulée, dit Fischer, « nous avons affiné la conception de la moitié supérieure pour s'assurer qu'elle peut être fabriquée avec les technologies sélectionnées. »

Consolidation in-situ

Alors que la moitié inférieure du MFFD est produite en utilisant ATL et AFP suivis d'une consolidation en autoclave, la moitié supérieure utilisera la consolidation in-situ pendant ATL/AFP. Pourquoi ? « Pour avoir un maximum de résultats du projet de recherche, nous avons choisi de défier la ligne de base », dit Fischer, « et de profiter de l'opportunité d'utiliser une technologie en complément de la moitié inférieure. » Nowotny ajoute : « Nous avons montré que c'est une méthode de fabrication très prometteuse qui se concentre sur une production allégée réduisant les étapes de fabrication. Mais je pense qu'il est clair qu'il n'y a pas de méthode de fabrication unique qui sert tous les objectifs. Vous devez encore décider, au cas par cas, quel est le procédé de fabrication optimal pour chaque pièce. »

Deux types de soudage

Un autre choix fait pour la moitié supérieure était l'utilisation de deux technologies de soudage différentes. « Nous utilisons le soudage ultrasonique continu robotisé pour les longerons, parce que, de notre avis, c'est la technologie la mieux adaptée pour les joints vraiment longs, et surtout pour la configuration des longerons », explique Fischer. Le soudage par résistance a été choisi pour l'intégration des cadres de fuselage. « Ces choix sont le résultat d'analyses intensives que nous avons eues au début du projet, ensemble avec Premium Aerotec. Nous avons regardé les différents scénarios de soudage, ce qui devait être joint et où. »

Le soudage ultrasonique continu développé par DLR utilise un robot industriel standard. L'effecteur final de soudage comprend un rouleau de pré-contrainte, un sonotrode de 25 millimètres de diamètre et une unité de compactage suivante. L'effecteur final est équipé de multiples capteurs, ce qui permet une surveillance de processus en ligne. En utilisant le robot comme manipulateur, comme montré dans la vidéo ci-dessous, une variété de géométries peuvent être soudées, comme un bulkhead arrière courbé ou des longerons oméga sur une peau.

« Donc, nous avons deux processus avec une grande distinction », note Fischer. « L'un est un processus continu et l'autre est un processus discontinu. Pour les joints de 8 mètres de long des longerons en Z, nous avons choisi le soudage ultrasonique continu. Et pour le cas d'utilisation hautement complexe — en termes d'accessibilité et de gestion des tolérances — pour souder les brides fixées des cadres à la peau, nous avons choisi le soudage par résistance. Nous allons équiper et pré-équiper l'élément de soudage par résistance à la géométrie du cadre et avoir un outil de soudage type pince qui se ferme pneumatiquement, contacte les éléments de soudage et déclenche ensuite le processus de soudage. »

Nowotny note que le soudage par résistance a la maturité la plus élevée et une résistance plus élevée, ce qui correspond bien à la charge plus élevée vue dans les joints entre les cadres et les échelons. Il souligne que ce processus soude le cadre à la peau et soude l'échelon à la fois au cadre et au longeron.

« Nous avons montré l'intégration de clip sur pièces génériques au JEC 2017 », dit Fischer. Nowotny ajoute, « Et nous avions en fait le projet HISYS avec le département high-lift d'Airbus Brême en 2005-2008 pour le soudage par résistance avec PEEK (polyétheréthercétone) thermoplastique. Nous avons amené tout le processus pour souder les nervures dans la peau jusqu'au TRL 5. Donc, les bases du processus sont assez bien comprises, et nous pouvons maintenant nous concentrer principalement sur l'adaptation, l'automatisation et la robustesse du processus. »

« L'un des facteurs clés pour différentes technologies de soudage — même si elles existent depuis longtemps — est de montrer qu'elles sont prêtes pour l'application commerciale dans l'industrie », souligne Fischer, « y compris l'automatisation, la programmation et l'assurance qualité nécessaires. L'un des problèmes clés que nous examinons est comment savoir que le soudage est bon. Nous voulons nous assurer d'avoir les données de processus pour montrer que nous savons que le soudage performera à long terme et que nous ne demandons pas un contrôle END ultérieur avec ultrasons, ou une autre inspection globale dans l'assemblage terminé. Donc, l'un de nos principaux objectifs dans ce projet est le développement d'une assurance qualité industrielle. »

Pivot vers LM PAEK

Comme expliqué dans mon blog, « Prouver le soudage LM PAEK pour le Démonstrateur de Fuselage Multifonctionnel », bien que le MFFD ait commencé avec fibre de carbone/PEKK (polyéthercétonecétone), au 10e appel à propositions (CFP10) en mars 2019, le matériau de base avait été changé pour fibre de carbone/PAEK (polyaryléthercétone). PAEK est la famille globale de polymères dans laquelle résident PEEK, PEKK et LM PAEK. Quelle expérience l'équipe de la moitié supérieure a-t-elle avec LM PAEK ? « Nous l'avons utilisé pour un certain nombre d'essais de fabrication déjà », dit Fischer. « La performance du matériau est assez prometteuse pour le soudage ultrasonique et par résistance. Cependant, le matériau est en développement et un processus d'échange commun en termes de leçons apprises et de développement de lignes directrices de traitement a été mis en place entre tous les partenaires européens et le fournisseur de matériaux. »

« Cependant », ajoute Nowotny, « je pense que c'est une bonne chose que nous ayons ces choix de matériaux maintenant, parce qu'il y a de nombreuses années, il n'y avait que Cytec APC-2, et rien d'autre. Surtout en Europe, parfois vous pouviez obtenir le matériau et parfois vous obteniez « non, désolé ». Maintenant, nous avons plusieurs fournisseurs de matériaux qui travaillent activement sur les matériaux, et aussi pour les différents processus. Par exemple, Victrex, comme nous l'avons vu présenté au symposium TU Munich 2020, examine maintenant l'optimisation pour la fabrication additive. Il y a aussi du travail en cours sur l'optimisation pour l'AFP consolidation in-situ, et certains pour la consolidation secondaire utilisant un autoclave ainsi que divers procédés de fabrication hors autoclave (OOA). Donc, il se passe beaucoup plus de choses maintenant, et cela augmente les chances d'obtenir un bon matériau pour chaque processus. »

Calendrier et prochaines étapes

« Nous avons essentiellement fini le processus de conception et fabrication pour un démonstrateur intermédiaire — diamètre A320 avec deux baies de cadre et 950 millimètres de largeur — et nous construirons cette demi-coque plus petite au début de l'année prochaine (2021) », dit Fischer. « En dehors de cela, nous avons commencé l'approvisionnement de l'outillage pour la demi-coque supérieure à pleine échelle, et nous montons en puissance nos technologies pour nous assurer que nous pourrons produire la demi-coque supérieure à taille réelle dans les temps en 2022. »

Qu'est-ce que cela implique ? Un problème est les tolérances d'assemblage. « Les joints longitudinaux le long des côtés gauche et droit des deux demi-coques supérieure et inférieure du fuselage ont été conçus depuis un certain temps », explique Fischer. « De ceux-ci, nous avons certaines exigences, et nous devons nous assurer que nos tolérances de production répondent à ces exigences. »

« L'histoire de base de ce que nous essayons de faire avec la demi-coque supérieure est de démontrer les voies les plus efficaces pour la production de composites thermoplastiques et de tracer une voie qui peut rivaliser avec l'aluminium pour les futurs avions », dit Fischer. Il note que DLR a déjà montré cela dans son travail avec Premium Aerotec pour développer un bulkhead arrière sous pression soudé thermoplastique, montré en 2018 et 2019 (voir aussi « Nouveaux horizons dans le soudage des composites thermoplastiques »). Le soudage et la production allégée sont des facteurs clés pour les thermoplastiques. Et maintenant nous devons sortir ces technologies du labo et les amener dans l'industrie. Et pour que les industries croient qu'elles peuvent vraiment utiliser ces technologies de soudage, nous devons montrer qu'elles peuvent être automatisées, prévisibles et contrôlées pour la fiabilité dans des tâches de production réelles. Et c'est ce que nous faisons. »