Démocratiser la production composite avec rubans thermoplastiques multicouches, AFP et infusion de résine

Novotech (Naples, Italie) a commencé comme une spin-off de l'Université de Naples « Federico II » dans le sud de l'Italie, fondée par le professeur Leonardo Lecce en 1992. « Nous avons soutenu des entreprises d'aviation générale et fourni des services de R&D à travers l'Italie », dit Lecce qui est maintenant PDG de Novotech. « Nous avons fourni des analyses structurelles pour des pièces d'avion et aidé aussi au développement d'avions. »

Située près de l'usine Leonardo qui fabrique les sections de fuselage composites pour le Boeing 787, Novotech a commencé à se concentrer sur les composites en 2014. Elle a acheté une cellule de placement automatisé de fibres (AFP) de Coriolis Composites (Quévén, France) et a développé le traitement hors autoclave (OOA), y compris l'infusion de résine et la fabrication de composites thermoplastiques, avec une expertise spéciale dans la consolidation in-situ utilisant l'AFP.

Novotech a participé à de nombreux projets de recherche industriels, y compris :

• MESEMA (Systèmes Magnétoélastiques pour Avions Encore Plus Électriques)
• SARISTU (Structures Aéronautiques Intelligentes et Smart)
• ASAM (Simulation Avancée de Mécanismes d'Avions)
• LAMITECH (Méthodes d'Essai Innovantes pour Stratification Automatique de Matériaux Composites Hybrides)
• PROALATECH (Caractérisation Structurelle et Solutions de Réparation d'Empennages CFRP Innovants)
• FACE (Environnement de Cabine Avion Amical)
• AIRGREEN 2 - CLEAN SKY 2 (Développement de concepts d'ailes innovants et méthodologies pour avions régionaux de nouvelle génération)
• SISTER CHECK (Enquête et intégration de système innovant pour Inspection Non-Destructive AFP)
• TRINITI - CLEAN SKY 2 (Réservoirs Azote Haute Pression Multi-Matériaux Thermoplastiques pour Avions)
• NHYTE - H2020 (Nouvelles Structures Aéronautiques Hybrides Thermoplastiques Composites fabriquées par OOA)

« Nous avons aussi une relation spéciale avec Cytec au UK, développant de nouveaux matériaux et procédés composites » dit Lecce. Notez que Cytec a été acquis par Solvay et l'emplacement référencé est Solvay Composite Materials à Heanor, Royaume-Uni — un site avec une longue histoire d'innovation, y compris le processus de formage à double diaphragme récemment testé via le programme RAPM. « Notre dernière telle activité était le développement d'un processus thermoplastique OOA qui utilise une nouvelle presse innovante qui combine PEEK (polyétheréthercétone) et PEI (polyétherimide) en un nouveau matériau composite. » Ce nouveau matériau, équipement et processus a maintenant été démontré dans un longeron d'avion en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC), fait en utilisant AFP consolidation in-situ et soudage via le projet NHYTE.

NHYTE

Financé par le programme Horizon 2020 de la Commission Européenne, NHYTE est un projet de recherche conduit de mai 2017 à octobre 2020. « NHYTE est à propos de l'utilisation de collage amorphe pour permettre des conditions de température et de processus durables pour les composites thermoplastiques », explique le Dr. Marco Barile, coordinateur du projet NHYTE et CTO de Novotech. Ce collage amorphe (voir diagramme ci-dessous) est un concept breveté par un autre partenaire NHYTE, la division aérostructures de Leonardo (Rome, Italie) qui a de multiples installations de production dans le sud de l'Italie.

« Avec le matériau développé dans NHYTE, nous pouvons surmonter les limitations actuelles des matériaux avec l'AFP consolidation in-situ (ISC) des composites thermoplastiques (TPC). Au lieu de traiter à des températures juste sous 400 degrés C pour les polymères PEEK semi-cristallins, nous pouvons chauffer juste au-dessus de la température de transition vitreuse de 215 degrés pour la couche PEI amorphe. La fusion et le refroidissement du PEI sont aussi plus rapides, n'ayant pas à être si contrôlés versus PEEK. » Barile note que ce concept peut utiliser d'autres thermoplastiques amorphes. Le PEI a été choisi parce qu'il se lie bien au PEEK, un matériau bien éprouvé dans de multiples démonstrateurs aérostructures AFP.

Ce nouveau matériau développé dans NHYTE a été produit dans une presse continue conçue par NOVOTECH. Orma Macchine (Bergame, Italie) a fourni le corps de presse et COMEC Innovative (Chieti, Italie) a fourni les modules de bobinage et débobinage. « Cette presse peut faire un rouleau continu de matériau que nous fendons ensuite en ruban fendu pour utilisation dans une machine AFP », dit Barile. Trois matériaux différents entrent dans la presse depuis la gauche, comme vu dans l'image ci-dessus. « Nous avons du PEI en haut et en bas et puis du PEEK au milieu », explique Barile.

En tant que polymère semi-cristallin, le PEEK fournit les propriétés mécaniques hautes nécessaires pour les structures primaires, tandis que les couches PEI amorphes fournissent une fusion rapide et simple pour le collage. « Nous contrôlons la pression et le refroidissement du matériau le long des plaques de presse, en partant d'environ 400 degrés C au début de la presse à moins de 200 degrés C à la fin de la presse. Le résultat est un matériau qui est une combinaison des trois couches d'entrée. »

Ce nouveau type de ruban thermoplastique est déjà consolidé pendant la fabrication, donc pendant l'AFP, il n'a besoin d'être chauffé que pour fondre et compacter les couches PEI pour le collage amorphe. Le résultat est un stratifié comprenant du PEEK entièrement consolidé vers ruban PEI et couches PEI vers PEI, comme montré dans le brevet Leonardo. Ce processus AFP présente moins d'obstacles versus l'AFP ISC actuelle utilisant des rubans PEEK et PEKK (polyétheréthercétone). Comme expliqué dans la Partie 2 de mon article 2018 sur la consolidation in-situ, l'AFP ISC actuelle nécessite de chauffer le ruban et le substrat à la température de fusion, placer le ruban sur le substrat et puis consolider avec un rouleau pour que le processus de refroidissement soit précisément contrôlé, permettant aux polymères semi-cristallins d'atteindre une cristallinité suffisamment haute (30-40%) et de faibles vides (<3-5%) pour les propriétés structurelles.

Les critiques de l'AFP ISC affirment qu'elle est trop lente — un taux de dépose de 60-100 mm/s versus 600-700 mm/s pour la méthode « deux étapes » comprenant une dépose AFP rapide suivie d'une étape secondaire au four ou autoclave pour consolider/recuire complètement le stress thermique dans le stratifié. « Avec notre matériau, vous pouvez atteindre des taux de dépose AFP qui ne sont pas aussi lents que la consolidation in-situ typique et le chauffage requis pendant l'AFP peut aussi être maintenu en dessous de 300 degrés C », dit Barile. « Vous pouvez combler l'écart de performance avec les matériaux standards que nous avons maintenant. » Ici, Barile compare l'AFP ISC des composites thermoplastiques aux composites thermodurcissables utilisés dans les avions Boeing 787 et Airbus A350. « Avec de grands composants comme les sections de fuselage, le problème est l'abordabilité en utilisant la polymérisation en autoclave. Les thermoplastiques permettent un processus de production plus abordable, mais vous avez des températures élevées et des taux AFP lents avec les matériaux de grade aérospatial actuellement disponibles sur le marché. Notre approche aide à résoudre ces problèmes. Nous pouvons atteindre environ 30 pour cent de cristallinité dans le ruban via la presse continue. Ainsi, vous avez cette cristallinité dans la pièce et ne travaillez qu'avec la couche amorphe pendant l'AFP. Bien que ce soit encore un matériau expérimental, qui peut être amélioré, l'objectif du projet NHYTE est d'avoir un processus de fabrication en une étape que vous pouvez utiliser dans des applications aérospatiales structurelles. »

Optimisation ruban et AFP

« Les premiers matériaux de ruban multicouches ont été faits ici chez Novotech », dit Barile. Ces rubans utilisaient le film fendu Ultem 1000 non chargé de Sabic (Riyad, Arabie Saoudite) pour le PEI et le ruban PEEK renforcé fibre de carbone APC-2/AS4 de Solvay. L'épaisseur totale était ≈0,26 millimètres, comprenant des couches PEI qui étaient soit 1 ou 2 mils (.001 ou .002 pouce) d'épaisseur. Dans la première phase du projet, de multiples éprouvettes des deux variations ont été testées pour la résistance au cisaillement interlaminaire (ILSS) afin de valider le processus de fabrication de matériau thermoplastique hybride. De petits échantillons ont aussi été testés par le partenaire NHYTE Applus Laboratories (Barcelone, Espagne) pour une gamme complète de propriétés mécaniques y compris résistance et module à la traction et compression, compression à trou ouvert (OHC), tension à trou rempli, compression après impact (CAI), dommage d'impact à peine visible (BVID) et propriétés après conditionnement fluide.

« Nous n'avions pas la même expérience que les fournisseurs de rubans composites thermoplastiques, donc la qualité du matériau peut être améliorée. Par exemple, le volume de fibre varie de bas à haut à travers l'épaisseur, ce qui affecte les propriétés du ruban et du stratifié, y compris l'ILSS. Mais NHYTE visait à démontrer le concept, ce que nous avons fait. »

Comme on peut le voir dans les images ci-dessus, l'optimisation du processus AFP pour le nouveau matériau a requis un travail expérimental significatif. « Nous avons aussi utilisé une approche de plan d'expériences (DOE) pour optimiser les paramètres AFP et un outil a été développé par le partenaire NHYTE Université de Bretagne Sud (UBS, Lorient, France) pour améliorer la charge de chauffage laser via simulation numérique prédictive. » note Barile.

« Vous modélisez les conductivités thermiques au point de nip », dit Barile. « Nous vérifions ensuite expérimentalement ce qui a été prédit dans la simulation numérique. C'est nécessaire pour déterminer le meilleur compromis entre vitesse de dépose, écoulement de fusion des polymères et vieillissement [cuisson] de la lame composite. C'est un équilibre de plusieurs variables pendant le processus de consolidation in-situ. Nous regardons la diminution de température du ruban entrant sur le ruban déjà placé sur l'outil. Si vous pouvez gérer ce changement de température, vous pouvez réduire le stress résiduel dans le stratifié. Donc, nous avons travaillé pour évaluer la variation de température pendant la dépose. Vous devez personnaliser le chauffage selon la forme du chemin et l'orientation de la lame. »

Démonstrateurs longeron et fuselage

L'étape suivante était de produire des démonstrateurs de longeron, d'abord comme échantillons à petite échelle faits avec une presse stationnaire et puis comme démonstrateurs d'un processus de formage de longeron continu pour vérifier ce qui serait requis pour la production de pièces industrielles. Ces longerons ont ensuite été attachés à un panneau de démonstrateur de peau de fuselage AFP en utilisant le soudage par induction développé par l'organisation de R&D CETMA (Brindisi, Italie).

Le nouveau matériau multicouche offrait-il des avantages pour le soudage par induction ? « Il a essentiellement traité de la même façon », dit Barile. « Cependant, ce n'était pas facile pour CETMA de définir les paramètres de processus de soudage parce que notre nouveau matériau a une quantité plus faible de fibre de carbone versus les rubans standards. » Les démonstrateurs de longeron et le panneau de démonstrateur de fuselage final ont ensuite été testés par Applus. Les partenaires du projet NHYTE Université de Bath (Bath, Royaume-Uni) et Leonardo Aircraft ont aussi utilisé l'END pour évaluer la qualité des panneaux et longerons.

« Nous avons fait beaucoup d'éprouvettes et de petites pièces, ainsi que le grand démonstrateur », note Barile. « Les résultats de tests d'Applus sont très bons considérant le coût inférieur du processus de fabrication versus ce qui est standard maintenant. Nous sommes 20-25% plus bas en propriétés de résistance et rigidité versus les matériaux de ruban thermoplastique standards actuellement disponibles, mais nous avons identifié des améliorations avec le processus qui devraient aider à améliorer cela. »

NHYTE s'est terminé le 30 octobre 2020. « Notre idée est de procéder avec un nouveau projet pour inclure toutes les améliorations que nous avons en tête », dit Barile. « Nous avons prouvé comment faire le matériau et comment traiter en utilisant AFP consolidation in-situ, formage continu et soudage par induction. Maintenant nous devons optimiser davantage pour l'industrialisation. » Novotech cherche à procéder avec le même consortium enrichi de nouveaux partenaires.

Notablement, Leonardo travaille aussi à améliorer l'AFP consolidation in-situ en utilisant le soudage par induction et du ruban TPC qui peut être chauffé et refroidi rapidement. En plus, des résultats encourageants sur les composites multicouches PEI/PEEK viennent d'être publiés par des chercheurs à l'Institut de Matériaux IMDEA (Madrid, Espagne) et FIDAMC (Madrid, Espagne), ce dernier étant un leader en AFP consolidation in-situ depuis de nombreuses années maintenant. Pour plus de papiers techniques, voir les publications de NHYTE.

Projet SWING

L'Aile Intelligente pour Nouvelle Aviation Générale (SWING) est un projet qui a commencé avec une approbation de Piaggio Aerospace (Villanova d'Albenga, Italie) et est co-financé par le Ministère Italien du Développement Économique (MISE). En plus de Novotech, le consortium de projet italien comprend la firme de développement technologique Protom (Naples) comme coordinateur, Laer Aeronautical Manufacturing (Airola), A. Abete Aerostructures (Nola) et le spécialiste de conception aérospatiale ItalSystem (Avellino). Un des objectifs de SWING est d'adapter les procédés composites automatisés hors autoclave (OOA) — y compris AFP et infusion de résine liquide (LRI) — pour une production rentable et durable de petits avions, en utilisant l'aile avant du P.180 Avanti de Piaggio comme plateforme de démonstration.

« L'idée est de produire l'aile avant du P.180 en juste deux parties principales : un panneau supérieur et un panneau inférieur, tous deux moulés avec longerons et longerons intégrés », dit Lecce.

« Pour nous, cela a commencé avec notre travail comme laboratoire qualifié pour Solvay au UK. Nous avons coopéré depuis 2015 sur de nouveaux matériaux et procédés pour AFP, LRI et composites thermoplastiques. Nous faisions des préformes sèches en utilisant le ruban de fibre sèche PRISM TX1100 de Solvay pour utilisation avec AFP. Ces préformes étaient ensuite infusées avec la résine époxy durcie PRISM EP 2400 de Solvay et polymérisées dans un four. Nous faisions ce travail dans le cadre du projet AIRGREEN 2 pour le programme Green Regional Aircraft Clean Sky 2, et puis continué vers l'avant dans le projet SWING. » Notez que PRISM TX1100 et PRISM EP 2400 ont été qualifiés par United Aircraft Corporation pour la production de la première aile infusée de résine pour un avion commercial — le jet monocouloir Irkut MS-21 fabriqué par AeroComposit.

Les panneaux supérieur et inférieur moulés seront joints en utilisant un adhésif structurel puis testés statiquement l'année prochaine. « En parallèle, nous caractérisons un autre composite basé sur le ruban sec TX1100 et un mélange de résine de Covestro (Leverkusen, Allemagne) qui peut être une alternative valide aux résines de grade aérospatial, en particulier pour les secteurs qui exigent des taux de production plus élevés » ajoute Barile. « Cette résine n'est pas aussi haute performance que ces systèmes, mais elle fonctionne bien avec l'infusion et répond aux exigences pour le caisson d'aile. Il doit y avoir quelque compromis si vous voulez réduire le coût. Nous espérons que ce développement contribuera à introduire la technologie AFP dans l'aviation générale. Cela pourrait aussi être utilisé dans le secteur automobile. »

TRINITI

Novotech travaille aussi dans le projet Clean Sky 2 TRINITI — Réservoirs d'azote haute pression multi-matériaux thermoplastiques pour avions — qui a commencé en 2019 et se terminera en 2021. L'entrée de Novotech dans ce projet a une fois de plus évolué du développement avec une entreprise aérospatiale italienne. « Nous travaillions à vérifier le potentiel de l'AFP en utilisant notre ruban multicouches dans la production de réservoirs de carburant cryogéniques pour véhicules de lancement versus les procédés de filament winding actuels utilisés », explique Barile. « Essentiellement, TRINITI développera un concept de matériau multicouches similaire à NHYTE et puis fera un réservoir en utilisant AFP consolidation in-situ. »

« L'avantage de l'AFP par rapport au FW », continue-t-il, « est que vous pouvez décider où vous voulez placer le matériau. Vous n'êtes pas contraint par le filament continuellement enroulé autour de la pièce. Considérez un réservoir où vous avez beaucoup de matériau aux embouts parce que vous ne pouvez pas couper le matériau pendant le filament winding. En coupant et redémarrant fibres/rubans où vous voulez avec l'AFP, le matériel est utilisé seulement là où il est nécessaire. Ainsi, vous pouvez gérer les espaces entre les rubans, ce qui est important pour prévenir la perméation de gaz. Pour faire cela avec le filament winding, vous devez augmenter le matériau appliqué, même parce qu'avec l'AFP vous utilisez du ruban fendu, pas du towpreg. Et puis avec la consolidation in-situ, il n'y a pas besoin d'autoclave. Nous avons démontré que l'AFP pourrait être une alternative faisable et très abordable. »

« Actuellement, CETMA effectue des tests de perméation de gaz pour évaluer la performance des matériaux multicouches versus les spécifications », dit Barile. Les exigences ont été fournies par le gestionnaire de sujet, Diehl Aviation (Gilching et Dresde, Allemagne) pour un réservoir d'azote haute pression de stockage long utilisé dans les systèmes de suppression d'incendie d'avions. Ces réservoirs doivent résister à des températures de -55°C à 85°C au sol, -40°C à 70°C pendant l'opération en vol et des pressions jusqu'à 1 000 bar.

« L'objectif est de réduire le poids et les étapes de fabrication », note-t-il. « Cependant, le coût de fabrication en utilisant cette méthode doit être défini. Le poids est économisé en ne plaçant pas de matériel inutile, mais le filament winding est un processus plus rapide comparé à l'AFP. » Un autre facteur est que ce type de réservoir a typiquement un liner métal ou plastique qui est sur-enroulé avec du PRFC. Barile dit que TRINITI essaie un réservoir sans liner (Type V). « Nous éviterons la perméation de gaz en utilisant un stratifié AFP à faibles vides. Nous testons à CETMA maintenant avec différentes combinaisons de matériaux et préparons la présélection. Nous construirons alors un réservoir prototype, mais le design du réservoir dépend du matériau présélectionné et du processus final. Donc, c'est vers quoi nous travaillons maintenant. L'activité de test sera réalisée par CTL Composites (Galway, Irlande). »

SEAGULL

Le projet challengeant SEAGULL a commencé il y a trois ans. « Notre objectif est de développer une nouvelle génération de petit hydravion qui incorpore une nouvelle technologie de fabrication composite, une propulsion hybride électrique et une aile pliable automatisée, que nous avons développée et brevetée », explique Lecce. « L'intention était un avion à décollage et atterrissage courts (STOL) qui est compétitif avec les avions à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) mais offre plus d'abordabilité. Nous croyons que cela pourrait être un avion personnel opérable depuis n'importe quelle surface et est une possibilité importante pour l'aéronautique et la mobilité futures. »

L'équipe SEAGULL a testé un système de propulsion hybride, construit un premier prototype en eau et commencé les essais en eau en octobre. « Après que ces tests sont complétés, nous construirons alors un prototype volant dans quelques mois supplémentaires », dit Lecce. « C'est une équipe très expérimentée, comprenant des entreprises significatives avec plus de 50 ans d'expérience dans l'aviation générale. »

Le prototype volant SEAGULL présentera un fuselage, empennage et aile composites. « Encore, nous pousserons l'application de la fabrication automatisée en utilisant AFP et infusion de résine », dit Barile. « Un des principaux problèmes avec les composites utilisant ces processus est le coût des matériaux. En effet, ce que nous essayons de faire est de trouver aussi une combinaison de matériau et processus qui est plus démocratique en termes de coût. »