Faire progresser le démonstrateur fuselage multifonctionnel : pionnier de l'innovation aéronautique durable

La réduction des émissions carburant et consommation d'énergie, et la capacité de produire des avions monocouloirs commerciaux à des cadences d'au moins 60 par mois, pilotent le développement technologique du partenariat européen Clean Sky 2 pour la prochaine génération d'avions prenant les airs en 2035 et au-delà. Les composites légers et des procédés de fabrication plus rapides, plus écologiques rendent ces objectifs réalité, surtout pour le projet Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD).

Le livrable principal de ce projet, qui est mené par Airbus (Hambourg, Allemagne) avec des partenaires de l'académie et de l'industrie aéronautique, est un démonstrateur de fuselage monocouloir commercial de 8 mètres de long, en composite thermoplastique, à produire d'ici 2022. Le MFFD est l'un des trois tronçons de fuselage à échelle réelle produits dans la plateforme Innovative Aircraft Demonstrator Platform (IADP) Large Passenger Aircraft (LPA) de Clean Sky 2.

Commencé en 2014, les objectifs du projet MFFD incluent :

• Permettre des cadences de production de 60-100 avions par mois
• Réduire le poids du fuselage de 1 000 kilogrammes
• Réduire les coûts récurrents de 20 %.

Pour atteindre ces objectifs, des dizaines de projets individuels et packages de travail sont en cours, avec deux structures principales produites : une coque de fuselage supérieure et une coque de fuselage inférieure, qui seront soudées ensemble pour former le démonstrateur final. En fait, l'assemblage sans poussière (sans fixations ni trous) via soudage est un composant majeur du programme. Les deux moitiés sont fabriquées à partir du préimprégné thermoplastique carbone/PAEK Toray Cetex TC1225 bas point de fusion de Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californie, États-Unis). Selon le Dr.-Ing. Lars Larsen, responsable des technologies d'assemblage et de jointure au Centre Aérospatial Allemand (DLR ; Augsbourg, Allemagne), les deux moitiés testeront l'utilisation de différentes techniques de fabrication.

La section inférieure du fuselage du MFFD est produite via le projet STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), qui a lui-même de nombreux projets dessous (comme MECATESTERS, focalisé sur le soudage par induction). La section inférieure comprendra la coque de fuselage inférieure avec longerons et cadres soudés, la structure de plancher cabine et cargo et les éléments intérieurs et systèmes pertinents.

STUNNING est mené par GKN Fokker (Papendrecht, Pays-Bas) avec partenaires clés Diehl Aviation (Laupheim, Allemagne), Centre Aérospatial Néerlandais (NLR ; Amsterdam, Pays-Bas) et Université de Technologie de Delft (TU Delft ; Delft, Pays-Bas). Le projet vise à mûrir davantage les processus d'assemblage automatisés, la fabrication et technologies de soudage thermoplastiques, le design et développement de fabrication intégrés et les architectures de systèmes électriques avancés.

« Notre impact industriel est double : le niveau d'automatisation que nous appliquons à l'assemblage du démonstrateur, et le développement de façons durables de produire des pièces », dit le Dr. Bas Veldman, responsable de programme chez GKN Fokker.

Selon un article publié par Veldman en février 2020, l'assemblage modulaire du fuselage inférieur est clé pour atteindre l'objectif de temps de production rapides. Pour fabriquer la peau principale du fuselage, de grands préformes en préimprégné carbone/thermoplastique sont posés par une machine de dépôt de ruban automatisée (ATL) chauffée par ultrasons ou laser mais pas consolidée in-situ. Les détails sont posés par une machine de placement automatisé de fibres (AFP). Des robots placent ensuite les préformes dans un moule de consolidation femelle, et après mise sous vide, la peau est consolidée en autoclave. Selon Veldman, des procédés hors autoclave sont aussi à l'étude. Les longerons et cadres seront soudés à la peau.

« À l'origine, le plan était d'avoir toutes les pièces fabriquées cette année », dit Veldman, mais en raison des retards liés au coronavirus, « C'est maintenant en transition vers l'année prochaine aussi. Mais nous avons pas mal de pièces qui ont maintenant été complétées », incluant beaucoup de petites pièces pressées comme clips, entretoises et supports qui seront utilisés pour fixer les sièges d'avion et autres composants. Insistant sur la fabrication durable, Veldman ajoute que certains clips sont fabriqués à partir de chutes réutilisées d'autres parties du démonstrateur, via un projet Clean Sky 2 appelé ECO-CLIP.

Début 2020, le consortium produisant la coque supérieure de 8 mètres inclut Airbus, Premium Aerotec (Augsbourg, Allemagne), qui est le lead design industriel et structurel ; DLR, en charge du dépôt de peau et développement technologie soudage ; et Aernnova (Vitoria-Gasteiz, Espagne), qui produit les longerons.

Pour que l'industrie aérospatiale transitionne vers des matériaux thermoplastiques plus chers, Larsen dit : « Nous devons montrer que nous pouvons économiser des coûts pendant la production. » Le consortium de la moitié supérieure développe une nouvelle technologie avancée de placement de fibres (AFP) avec, notamment, consolidation in-situ pour le dépôt de peau carbone/PAEK, ainsi que l'industrialisation du soudage par ultrasons continu et soudage par résistance pour l'intégration des longerons, cadres et autres composants, améliorant la sécurité et réduisant le coût. DLR construit d'abord une coque de test pré-démonstrateur de 1 mètre de long pour valider les technologies avant que le démonstrateur à échelle réelle ne soit construit, et prévoit d'avoir la peau pour la coque pré-démonstrateur fabriquée fin 2020. L'intégration des longerons est programmée pour début 2021.

Les versions à échelle réelle des deux moitiés sont attendues complétées d'ici fin 2021. Une fois complétées, elles seront soudées dans le démonstrateur final à l'Institut Fraunhofer pour la Technologie de Fabrication et Matériaux Avancés IFAM (Stade, Allemagne).