Outillage hybride grand format par fabrication additive : moules légers, rapides, rentables pour grandes pièces

Depuis plus de trois décennies, l'aviation commerciale a de plus en plus adopté les matériaux composites. En fait, plus de la moitié des composants structurels critiques sur plusieurs modèles d'avions commerciaux majeurs sont aujourd'hui des composites. À mesure que l'utilisation de ces matériaux a grandi en volume et en taille de pièces, il est devenu de plus en plus difficile de construire des outillages — particulièrement des outillages abordables — pour prototyper et fabriquer ces pièces plus rapidement. Par exemple, les ailes de l'A350 XWB d'Airbus SE (Leiden, Pays-Bas) font chacune 32 mètres de long sur 6 mètres de large et représentent certaines des plus grandes structures composites aéronautiques jamais produites.

« Il y a maintenant de telles technologies de fabrication révolutionnaires sur le marché que nous pouvons attendre de grands pas dans l'évolution de l'outillage, nous aidant à relever les défis auxquels nous faisons face dans le développement de composants aéronautiques composites », note M. Pilar Muñoz Lopez, ingénieure fabrication composite à l'usine d'Airbus à Illescas, Espagne. « Il est crucial pour nous d'étudier ces technologies, capacités et limitations pour être prêts pour l'avenir. »

Étant donné que l'outillage représente une proportion significative des coûts totaux de programme pour les pièces aérostructures, et compte tenu de l'augmentation de la taille de ces pièces, de nouvelles options d'outillage avec des coûts et délais inférieurs sont nécessaires. Une étude intéressante sur l'outillage hybride, grand format, fabriqué par fabrication additive (LFAM) pour pièces aérostructures de prototype et faible volume a été récemment achevée par Airbus, Northrop Grumman Aeronautics Systems – Aerospace Structures Business Unit (Clearfield, Utah, États-Unis) et l'Université de Dayton Research Institute (UDRI, Dayton, Ohio, États-Unis) avec des résultats encourageants.

Maîtriser les problèmes d'expansion thermique

Une majorité de structures aérostructures en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) sont produites à partir de préimprégnés matrice époxy. Pour mouler de telles pièces, l'outillage doit survivre aux températures de durcissement four/autoclave jusqu'à 180 °C/356 °F. Aussi, donné le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE ou CTE) très faible du PRFC, il est critique de faire correspondre — aussi étroitement que possible — les CLTE de l'outillage et du matériau de moulage à température ambiante et élevée. Cela assure que les moules maintiennent leurs dimensions pour que les pièces résultantes répondent aussi aux exigences dimensionnelles. Pour éviter la distorsion ou les contraintes dans les structures finales, il est aussi important d'éviter d'utiliser un matériau d'outillage qui refroidit plus vite que le matériau de la pièce. En conséquence, les outils les plus courants pour mouler de grandes aérostructures PRFC sont faits soit de PRFC lui-même, soit d'Invar, un alliage ferreux de nickel et fer connu pour son faible CLTE. Les deux sont coûteux et peuvent avoir des délais significatifs. De plus, l'Invar est difficile et long à usiner et lourd à expédier. Bien que les outils en acier ou aluminium puissent réduire les coûts, leurs valeurs CLTE relativement plus élevées limitent l'usage dans de nombreuses applications — particulièrement pour le moulage de pièces grandes ou longues.

De nombreuses études publiques et privées ont évalué des outils fabriqués additivement en matériaux thermoplastiques et ont conclu qu'ils offrent potentiellement des avantages incluant des coûts et délais inférieurs pour produire des composites stratifiés thermodurcissables. Malheureusement, l'outillage LFAM à base de polymère a des problèmes comme la porosité de l'outil, qui peut mener à une perte de vide significative aux températures/pressions de durcissement. Résoudre cela nécessite des retouches de remplissage d'outil et des revêtements de surface. Un défi encore plus grand est des valeurs CLTE hautement anisotropes, dues à l'alignement des charges du filament pendant l'extrusion/l'impression, ce qui peut mener à des différences d'expansion/contraction 5 à 10 fois plus grandes sur l'axe Z que sur les axes X et Y d'impression. Cela rend difficile d'obtenir des pièces dimensionnellement précises de façon répétée et reproductible — surtout quand les pièces sont grandes, ont un rapport d'aspect élevé et/ou comportent des surfaces complexes.

« Tous ceux intéressés par l'outillage additif se heurtent aux mêmes problèmes de porosité et d'expansion thermique non contrôlée avec peu de moyens efficaces pour les adresser », explique Scott Huelskamp, chef d'équipe UDRI, développement de procédés de fabrication avancés, Division Matériaux Structuraux. « Il y a beaucoup de gens qui veulent utiliser des outils AM, mais ils attendent que quelqu'un résolve ces problèmes. »

Donné le potentiel de l'AM pour réduire coûts et délais d'outillage, l'industrie a concentré un effort considérable sur l'adressage des problèmes d'expansion en explorant de nouveaux matériaux imprimables, modifications matérielles d'imprimantes et approches de modélisation innovantes. Par exemple, certains groupes ont développé une « valeur de compensation » pour concevoir des outils AM pour adresser les différentiels CLTE. Cependant, Huelskamp note que déterminer quelle valeur de compensation utiliser est difficile et sujet à erreur. Aussi, de telles approches ont été inefficaces pour les outils à cavité femelle, et les outils avec des caractéristiques de piégeage sur leur longueur créant des conditions de blocage matrice capables d'endommager les pièces pendant le cyclage thermique dans l'outil.

« Il n'y a pas de facteur de compensation qui va fixer ce genre de problème », ajoute-t-il. « À ce jour, aucune étude d'outillage AM n'a pleinement adressé le besoin de valeurs CTE faibles et isotropes à température élevée. Sans ce trait, les tailles et géométries d'outils seront toujours limitées, et les outils plus grands souffriront d'erreurs dimensionnelles plus élevées aux températures de durcissement. »

Dans un effort pour essayer de nouvelles approches pour résoudre les défis de l'outillage LFAM, un projet de 18 mois a été entrepris par plusieurs entreprises membres sous l'égide de l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, États-Unis) et soutenu par le Département de l'Énergie des États-Unis et JobsOhio (Columbus, Ohio). L'équipe était dirigée par UDRI et incluait Airbus et Northrop Grumman. Ces organisations avaient précédemment collaboré sur d'autres recherches, tant dans qu'en dehors d'IACMI, et étaient ainsi familières avec les capacités de chacun.

Approche « force brute »

UDRI avait déjà une expérience considérable sur les études d'outillage AM et est un membre actif d'America Makes (Youngstown, Ohio, États-Unis), le consortium AM américain. De plus, l'institut avait fait de la recherche pour l'US Air Force impliquant des structures AM avec renforts métalliques, et a travaillé avec Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, États-Unis), producteur d'imprimantes Big Area Additive Manufacturing (BAAM), sur de l'outillage AM pur.

« Nous avions aussi travaillé avec des compounders personnalisés sur de nouveaux filaments pour imprimantes 3D, mais rien de ce que nous faisions ne semblait faire beaucoup de progrès, et nous n'étions pas au courant de quelqu'un d'autre ayant plus de succès que nous », se rappelle Huelskamp. « C'est là que nous avons eu l'idée d'aborder le problème différemment. Si nous ne pouvions pas changer la façon dont les matériaux AM se comportaient ou prédire ce comportement directement, alors peut-être pouvions-nous les forcer à se comporter comme nous le voulions indirectement. » Prenant ce que Huelskamp appelle une approche « force brute », UDRI a proposé une étude hybride LFAM qui produirait de l'outillage aérostructure en appliquant des peaux de face en PRFC conventionnelles à des noyaux AM thermoplastiques-composites.

Les objectifs du projet étaient simples : trouver une méthode moins coûteuse et plus rapide pour faire de grands outils pour aérostructures. L'équipe cherchait une option qui réduisait les coûts de 50 % et produisait au moins 10 pièces de prototype ou production de faible volume acceptables pour tests ultérieurs.

L'équipe a décidé d'utiliser une structure sandwich pour produire de l'outillage unilatéral pour une section d'un longeron d'aile générique en utilisant des données d'outillage d'Airbus. Autre que de produire l'outillage pour mouler seulement une section du longeron en C à échelle réelle — en raison de limitations d'espace à l'installation UDRI — aucun changement majeur de design n'a été fait.

Un outil femelle a été conçu pour assurer que la géométrie critique de la pièce était formée en utilisant des surfaces d'outillage dur. Cet outil de longeron avait un angle rentrant léger qui créait un dépouille négative et une condition de blocage matrice, étant un outil monobloc. Cela a conduit les chercheurs à modifier le design en un outil divisé scellé par joint/cordon. Pour atténuer le risque, l'équipe a commencé avec un sous-outil de 0,6 mètre/2,0 pieds pour prouver le concept. Une fois le processus de développement d'outillage et les pièces prototypes produites sur cet outil testées et trouvées fonctionnelles, l'équipe a construit un outil plus grand de 3,3 mètres/11 pieds de long pour mouler une plus grande section du longeron pour tests de prototype.

Puisque l'outillage PRFC a une valeur CLTE si faible, est plus léger que l'Invar et l'outil était pour pièces prototype/faible volume, l'équipe a décidé d'utiliser des peaux de face PRFC pour contraindre le noyau AM. Les peaux étaient faites avec le préimprégné d'outillage Hextool M81 époxy de Hexcel (Corp., Stamford, Connecticut, États-Unis).

Le format matériau était un tapis de fibres de carbone hachées de 2 000 grammes par mètre carré / 59 onces par yard carré imprégné avec l'époxy durci 8552 de Hexcel. Ce matériau est souvent utilisé pour l'outillage composite grâce à ses propriétés quasi isotropes, qui permettent l'usinage post-moulage sans mouvement d'outil qui pourrait autrement être causé par la relaxation des contraintes résiduelles.

Donné que le noyau serait imprimé sur une imprimante Cincinnati Inc. BAAM 1000 chez Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, États-Unis), et donné que UDRI et Cincinnati avaient une expérience significative avec le thermoplastique haute température polyétherimide (PEI), ils ont sélectionné du PEI renforcé 20% fibres de carbone courtes (Thermocomp EX004EXAR1 Ultem) de SABIC (Riyad, Arabie Saoudite) pour imprimer un noyau près du net-shape. (La présence de fibres de carbone stabilise le polymère pendant l'impression et l'empêche de s'affaisser ; dans la structure finie, les fibres réduisent le CLTE dans la direction d'impression.) Pour réduire les coûts, le noyau fonctionnait comme maître d'outillage et les peaux de face étaient stratifiées directement sur le noyau sans adhésif, mais avec une modification de la surface du noyau couverte par la propriété intellectuelle (PI) développée pendant le projet. Cette approche fut efficace, sans délaminage même après plusieurs cycles thermiques.

Fabrication condensée

Dans la fabrication conventionnelle d'outillage aérostructure PRFC, un maître à bas coût est d'abord créé. Cela implique généralement de coller ensemble des blocs de panneau d'outillage dans un four ou autoclave, puis d'usiner la structure monolithique à la géométrie de pièce désirée. Le matériau d'outillage est ensuite stratifié, mis sous vide et durci sur le maître en autoclave. Après démoulage et nettoyage, une structure de renfort est collée à l'outil et la surface d'outillage est à nouveau usinée pour assurer une bonne tolérance géométrique et finition de surface.

Avec l'outillage hybride AM, l'équipe a développé un processus de fabrication condensé pour réduire les délais et coûts. D'abord, un noyau près du net-shape (maître d'outillage) a été imprimé en 3D (en fibres de carbone courtes/PEI). Ensuite, le préimprégné d'outillage PRFC a été directement stratifié sur les deux côtés du noyau (avec déboulage à chaud entre les plis un, quatre et sept selon les recommandations du fournisseur). La structure entière a ensuite été mise sous vide et durcie en autoclave.

Processus de fabrication condensé pour sous-outil C-spar.

Une bonne adhésion a été obtenue entre le noyau PEI et les peaux époxy pendant le durcissement du stratifié, donc l'adhésif n'était pas requis. Non seulement les peaux PRFC sont non poreuses et plus durables que le noyau AM, elles contraignent aussi physiquement le mouvement du noyau pendant les excursions de température grâce à leurs valeurs CLTE beaucoup plus basses. Une seule opération de durcissement et une seule opération d'usinage — toutes deux dépenses majeures pendant la production d'outillage traditionnelle — étaient nécessaires pour atteindre les dimensions finales et la finition de surface. Aussi, aucun renfort n'était requis, grâce à la structure sandwich et la forme de l'outil, qui incluait des retours de bride au sommet du moule pour la rigidité latérale et un joint boulonné au centre du moule pour la rigidité verticale — éliminant une opération de collage.

Défis initiaux

Les chercheurs ont fait face à plusieurs défis gérables avec le nouveau processus.

Pour la facilité de fabrication sur le BAAM, la direction de fabrication préférée pour le noyau était l'impression de la section transversale comme une construction verticale. Ce n'était pas un problème pour l'outil de 0,6 mètre ; cependant, pour l'outil plus grand, 3,3 mètres était plus haut que le BAAM 1000 ne pouvait imprimer verticalement. En raison des limitations d'espace d'impression sur l'axe Z de l'imprimante, les chercheurs ont opté pour diviser par deux les deux sous-outils sur leur longueur puis les diviser à nouveau en sections gauche et droite (pour adresser les problèmes de contre-dépouille du longeron et faciliter le démoulage).

Pour augmenter l'efficacité d'impression, les sections d'outil ont été imprimées dos-à-dos puis coupées en pièces droite et gauche. Pour atteindre la longueur de 3,3 mètres, les deux sections droites ont été collées ensemble suivies des deux sections gauches en utilisant l'adhésif époxy Loctite EA9394 de Henkel Corp. (Rocky Hill, Connecticut, États-Unis). L'équipe a laissé le noyau AM non usiné, estimant que c'était critique pour atteindre de faibles coûts d'outillage et courts délais, ainsi que pour créer un verrouillage mécanique entre le noyau AM et les peaux PRFC de chaque côté. Le dos de chaque moitié d'outil a été stratifié avec cinq plis de préimprégné tandis que le devant a été stratifié avec neuf plis pour fournir du matériau supplémentaire qui pourrait être enlevé pendant l'usinage post-durcissement.

Résultats préliminaires

En plus de contrôler le CLTE du noyau AM, le préimprégné a fourni une surface sans pores qui a maintenu l'intégrité du vide sans besoin de scellant/revêtement. Cette approche a été si réussie qu'elle a permis l'utilisation d'un design d'outil multi-pièces scellé avec un joint, ce que les chercheurs croient n'avoir pas été démontré auparavant dans l'outillage AM utilisé à hautes températures. De plus, la masse de l'outil a été significativement réduite ; le sous-outil était un tiers du poids calculé pour un design Invar comparable. Non seulement les outils PRFC plus légers sont plus faciles à manipuler et stocker sur racks, mais ils nécessitent aussi des cycles de chauffe/refroidissement d'autoclave plus courts. Sur un outil pour mouler le longeron en C à échelle réelle, cet avantage de poids pourrait faire la différence entre être sous ou dépasser les limites de poids de portique/grue dans certains espaces de fabrication.

Important, le coût de l'outil hybride de 0,6 mètre a été calculé pendant la fabrication, en utilisant des taux de main-d'œuvre standards de l'industrie, à 24 136 $ USD avec environ une répartition 50/50 entre coûts d'usinage et coûts d'impression/stratification. En contraste, un outil Invar identique était coté à 46 775 $ USD — une économie d'environ 50 %. Les coûts pour l'outil de 3,3 mètres ne sont pas complets mais devraient donner environ 30 % d'économies sur une base coût/longueur unitaire, car les coûts matériau/impression scalent linéairement, mais les coûts d'usinage bénéficient d'une économie d'échelle qui réduit son impact. L'approche hybride a produit des outils qui répondaient aux exigences de performance opérationnelle d'Airbus et Northrop Grumman et est considérée comme une alternative viable à l'Invar pour l'outillage prototype rapide ou faible utilisation. L'investigation de la durée de vie de l'outil n'était pas partie de cette étude, mais s'étendrait probablement considérablement au-delà des 12 cycles qui ont été démontrés.

Le programme a été étendu de 18 à 30 mois, mais il y a encore des domaines où plus d'étude est nécessaire, comme comprendre comment la géométrie finale du noyau tel qu'imprimé diffère de celle prédite dans les modèles CAO. L'équipe veut aussi améliorer la précision prédictive pour qu'assez de plis soient ajoutés dans les zones critiques pour assurer qu'il n'y a pas de percement pendant l'usinage. Malgré tout, l'équipe a considéré ce projet comme réussi avec une opportunité considérable pour le futur outillage LFAM.

« Northrop Grumman attend avec impatience de construire une pièce de démonstration de longeron de 3 mètres en utilisant l'outil hybride de 3,3 mètres de long construit par UDRI et notre propre processus de formage de raidisseurs automatisé (ASF) pour évaluer la durabilité et la stabilité dimensionnelle de l'outil », ajoute Vern Benson, fellow technique Northrop Grumman.