Fraunhofer IPT automatise la production de pales de ventilateur en CFRP thermoplastique, augmentant l'efficacité

Les matériaux aéronautiques doivent être extrêmement résistants et aussi légers que possible. Réunissant ces deux qualités, les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont de plus en plus utilisés pour les pales de ventilateur des réacteurs d'avion (voir « Rolls-Royce lance la fabrication des plus grandes pales de ventilateur au monde »). Cependant, leur production est très longue et coûteuse car elles doivent durcir plusieurs heures en autoclave. Une équipe de recherche du Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT, Aix-la-Chapelle, Allemagne) cherche à automatiser davantage la fabrication de ces pales en PRFC.

Une chaîne de processus flexible : dépôt de ruban automatisé et thermoformage

La production de nombreux composants en PRFC est déjà partiellement automatisée. Des préimprégnés pré-imprégnés — généralement en résine époxy renforcée de fibres — sont déposés et orientés en couches minces pour créer un empilement sur mesure. Cet empilement est ensuite durci sous pression et chaleur dans un processus d'autoclave énergivore, coûteux et long. Le Fraunhofer IPT étudie les possibilités d'automatiser davantage la fabrication de pales en PRFC pour la rendre encore plus rentable.

Cependant, ces chercheurs ne misent pas sur des matériaux à base de résine époxy, mais sur des thermoplastiques renforcés de fibres de carbone. Ces matériaux sont utilisés dans les structures volantes depuis des décennies, offrent d'excellentes propriétés de construction légère combinées à un comportement aux chocs remarquable et peuvent être traités rapidement et de manière flexible de façon automatisée. Étant thermoplastiques, ils ne nécessitent pas de réticulation chimique pour durcir, mais seulement un chauffage pour fondre et une pression pour consolider lors d'un refroidissement contrôlé. Ils peuvent également être réchauffés et reformés.

Les composites thermoplastiques sont donc beaucoup plus adaptés aux processus de fabrication efficaces, explique le Dr.-Ing. Henning Janssen, responsable du département technologie des composites fibres et systèmes laser au Fraunhofer IPT. Au cours de plusieurs séries de tests, son équipe a réussi pour la première fois à combiner deux de ces procédés pour la production de pales de ventilateur : le dépôt de ruban entièrement automatisé et le formage.

Chaîne de processus flexible : dépôt de ruban automatisé et thermoformage

Grâce à un système de dépôt de ruban entièrement automatisé, développement propriétaire du Fraunhofer IPT commercialisé sous licence, des rubans thermoplastiques unidirectionnels (UD) renforcés sont superposés selon la direction de charge requise dans la structure. Ainsi se crée un panneau multicouche, hautement résistant et flexible, une « feuille organique » (organic sheet). Les chercheurs surveillent et documentent chaque étape du processus entièrement automatisé à l'aide de divers capteurs. Ils peuvent ainsi regarder dans la « boîte noire » de la production pendant le processus et créer un « jumeau numérique » (digital shadow) pour chaque feuille organique. Cette image virtuelle de la feuille organique réelle permet d'identifier les écarts de qualité à un stade précoce et de prendre des contre-mesures appropriées.

La feuille organique terminée est chauffée à l'étape de production suivante et mise en forme quasi net-shape par un processus de thermoformage. Dans les séries de tests précédentes, le processus a été initialement testé sur des feuilles organiques de 16 millimètres d'épaisseur, renforcées de tissu, en PA12 et fibres de carbone, et doit bientôt être transposé à des feuilles organiques en rubans de PEEK et fibres de carbone.

Séries de tests pour l'usinage de composants PRFC

Après le thermoformage, les bords de la feuille organique formée sont ébarbés et fraisés à la forme finale. Le fraisage de PRFC est très difficile en raison de la structure matérielle hétérogène. De plus, les fibres de carbone ont un effet hautement abrasif sur le tranchant de l'outil de fraisage, entraînant une forte usure de l'outil et une qualité d'usinage fluctuante.

Une possibilité pour prolonger la durée de vie de l'outil est l'utilisation d'outils de fraisage revêtus de diamant polycristallin (PCD). Lors de leurs tentatives d'usinage de pales en CFRP à plus petite échelle, les chercheurs ont constaté que la durée de vie des outils de fraisage revêtus de PCD est significativement plus longue que celle des outils non revêtus. De plus, une conception individuellement adaptée de la stratégie de fraisage a eu une influence positive sur la qualité d'usinage.

Mise en œuvre dans divers contextes d'application industriels

Les premiers résultats avec les matériaux CFRP thermoplastiques sont prometteurs : « Nous avons pu montrer que les processus de fabrication enchaînés — fabrication et finition des pales — fonctionnent », déclare Daniel Heinen, responsable de l'unité commerciale Turbomachines au Fraunhofer IPT. « Nous avons obtenu de très bonnes qualités de surface tant dans la direction radiale de la pale qu'entre le bord d'attaque et le bord de fuite. Maintenant, nous devons examiner et optimiser plus en détail les processus individuels. »

Des projets de recherche sont prévus pour les prochains mois afin d'optimiser davantage les nouveaux processus et de les examiner dans divers contextes d'application industriels. Les scientifiques d'Aix-la-Chapelle s'intéressent particulièrement à l'utilisation du thermoplastique haute performance PEEK comme matrice et à l'intégration de capteurs à l'intérieur de la feuille organique. Cela permettrait non seulement de surveiller les processus de fabrication, mais aussi l'état du composant lors de son utilisation ultérieure dans le moteur. L'application de la chaîne de processus à d'autres composants est également recherchée, par exemple aux statores et composants de nacelle ainsi qu'aux composants hors de l'industrie aéronautique. Le Fraunhofer IPT accueille les entreprises intéressées qui souhaitent participer aux projets.