Panneaux composites thermoplastiques recyclés passent essai en vol sur Bell V-280 Valor

GKN Aerospace (Redditch, Royaume-Uni) a rapporté en juin 2020 qu'avec l'essai en vol réussi du V-280 Valor de Bell Flight (Fort Worth, Texas, États-Unis), plusieurs de ses composants composites thermoplastiques (TPC) avaient pris les airs. Parmi ces composants figuraient deux portes d'accès de panneaux composites thermoplastiques à raidisseurs intégraux, moulés par compression, fabriqués à partir de déchets recyclés via le programme TPC-Cycle mené par le ThermoPlastic composites Application Center (TPAC, Enschede, Pays-Bas) et l'Université Saxion (Enschede, Pays-Bas) (lisez la couverture précédente de CW sur le programme TPC-Cycle de quatre ans).

Le nouveau panneau de porte recyclé a été conçu pour remplacer une pièce carbone/époxy fabriquée par stratification manuelle, avec pour objectifs de réduire le poids de la pièce ainsi que le coût et le temps de cycle de fabrication. Le nouveau composant a été conçu et testé par GKN Aerospace, et fabriqué par le TPAC, en collaboration avec le ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Enschede, Pays-Bas). Les portes de panneaux d'accès sont composées de polyphénylène sulfure (PPS) renforcé fibres de carbone de Toray Advanced Composites (Nijverdal, Pays-Bas), récupéré des déchets consolidés générés pendant la production des composants d'empennage en V TPC du rotorcraft, qui sont aussi conçus et fabriqués par GKN Aerospace.

Le processus exclusif de re-fabrication du TPAC implique trois étapes principales : broyage des déchets en flocons de longueur centimétrique, chauffage simultané et mélange à faible cisaillement, et moulage par compression de la pièce dans un moule isotherme.

Selon les partenaires du projet, le composant démonstrateur offre une économie de poids de 9 % comparé à la pièce originale, largement due à la processabilité du matériau thermoplastique, qui permet l'intégration de longerons pour raidissement géométrique. L'orientation des longerons a été choisie pour distribuer les contraintes plus uniformément sur le produit, résultant en réduction matière et économie de poids. L'optimisation matière a aussi été atteinte par l'utilisation de matériaux récupérés, réduisant les déchets globaux.

D'importantes économies de coûts de production ont été réalisées grâce à l'utilisation de matériaux récupérés, éliminant les coûts associés aux nouveaux matériaux. De plus, le processus original nécessitait stratification manuelle et autoclave ; le processus de moulage par compression hors autoclave (OOA) implique un moule isotherme, démoulage rapide et fabrication quasi net-shape pour maximiser l'efficacité coût et le temps de cycle global.

« Le projet actuel souligne le rôle de la recherche appliquée impliquant la chaîne de valeur totale dans la conduite d'innovations de la première idée à un produit industriellement viable et testé en temps record », dit Ferrie van Hattum, directrice scientifique du TPAC.

En plus de rencontrer les objectifs d'économie de poids et coût, l'application et le processus démontrent aussi une étape vers une fabrication plus durable. Les résultats préliminaires d'une analyse de cycle de vie (ACV) en cours réalisée par Saxion et TPAC montrent des réductions significatives de CO₂ lors de l'utilisation de ce matériau, du processus de fabrication – principalement grâce au poids inférieur de la pièce – l'utilisation de matériau recyclé et l'utilisation d'un moule isotherme dans un processus OOA. Selon les partenaires du projet, l'application de fibres récupérées a réduit la sortie CO₂ de la production de nouveaux matériaux et augmenté significativement le ratio buy-to-fly de la pièce. Les étapes de broyage, mélange et moulage par compression du processus réduisent aussi la consommation d'énergie en éliminant l'autoclave du processus de production de composites thermodurcissables précédent. Les composites thermoplastiques produisent aussi des quantités négligeables de COV nocifs pendant le traitement comparé aux composites thermodurcissables.

Le TPAC dit que le processus de fabrication utilisé pour cette application ressemble à une solution prometteuse pour d'autres produits aérospatiaux non structurels, et son temps de cycle court pourrait le rendre viable pour marchés finaux nécessitant un débit volume plus élevé. Des travaux sont en cours pour évaluer le processus de production pour la production en série, ainsi que les impacts coûts et environnementaux en profondeur, et les implications de contrôle qualité et inspection. Une étude de faisabilité est aussi en exécution pour voir si l'approche appliquée et la voie de recyclage peuvent s'appliquer à d'autres applications aérospatiales comme carénages non structurels, couvercles et supports systèmes.

Partenaires additionnels du projet TPC-Cycle incluent Nido Recyclingtechnologie (Nijverdal, Pays-Bas) ; Cato Composites (Rheden, Pays-Bas) ; Dutch Thermoplastic Components (Almere, Pays-Bas) et le ThermoPlastic Composites Research Center (TPRC) ; Regieorgaan SIA, partie de l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO, La Haye, Pays-Bas).