Leonardo et CETMA révolutionnent les matériaux composites pour réduire coûts et impact environnemental

Ce blog est basé sur mon entretien avec Stefano Corvaglia, ingénieur matériaux, chef de recherche & développement et gestionnaire PI de la division Aerostructures de Leonardo (sites de production Grottaglie, Pomigliano, Foggia, Nola, sud Italie) et Dr. Silvio Pappadà, ingénieur recherche et chef de programmes avec Leonardo au CETMA (Brindisi, Italie).

Leonardo (Rome, Italie) est l'un des acteurs majeurs mondiaux de l'Aérospatiale, Défense et Sécurité avec 13,8 milliards d'euros de revenus et 40 000+ employés dans le monde. L'entreprise fournit des solutions complètes à l'échelle mondiale pour air, terre, mer, espace, cyber & sécurité et systèmes sans pilote. Avec environ 1,5 milliard € (11 % des revenus 2019) dédié à la R&D, Leonardo est classé 2e en Europe et 4e mondial en investissements recherche dans le secteur Aérospatiale et Défense.

À travers sa division Aerostructures, Leonardo fournit la fabrication et l'assemblage de grands composants structurels, incluant fuselages et empennages, en composites et matériaux traditionnels pour les principaux programmes d'avions civils mondiaux.

En matériaux composites, la division Aerostructures de Leonardo produit des « barils monoblocs » pour les sections centrales de fuselage 44 et 46 du Boeing 787 à son usine de Grottaglie ainsi que les stabilisateurs horizontaux à son usine de Foggia – totalisant environ 14 % de la structure 787. Autre production structures composites inclut, à l'usine de Foggia, fabrication et assemblage d'empennages pour ATR et Airbus A220 avions commerciaux. Foggia produit aussi pièces composites pour Boeing 767 et programmes militaires incluant Joint Strike Fighter F-35, Eurofighter Typhoon, C-27J transport militaire et Falco Xplorer, le dernier né de la famille Falco d'avions sans pilote produits par Leonardo.

Travailler avec CETMA

« Nous avons de nombreuses activités en cours avec CETMA, par exemple en composites thermoplastiques et moulage par transfert de résine (RTM) », dit Corvaglia. « Notre objectif est d'avoir des activités R&D prêtes pour production dans le plus court délai possible. Dans notre département (R&D et gestion PI), nous regardons aussi les technologies disruptives avec un TRL [technology readiness level – c.-à-d., TRL plus bas est plus naissant et plus loin de la production] plus bas, mais nous cherchons à être plus compétitifs et assister nos clients mondiaux. »

« Depuis le début de notre travail ensemble », ajoute Pappadà, « nous avons toujours cherché à garder coût et impact environnemental bas. Nous avons trouvé que les composites thermoplastiques (TPC) offrent une réduction des deux versus thermodurcissables. »

Corvaglia note que, « ensemble avec l'équipe de Silvio, nous avons développé ces technologies et construit des prototypes de cellules automatisées pour les évaluer en production. »

Moulage par compression continu (CCM)

« Le CCM est un bon exemple de notre travail ensemble », dit Pappadà. « Leonardo a identifié certains composants faits en composites thermodurcissables et ensemble nous avons exploré la technologie pour les fournir en TPC, regardant où il y a de grands nombres de pièces dans l'avion, comme structures d'épissage et montants avec géométrie simple. »

« Nous avions besoin d'une nouvelle technologie de production caractérisée par faible coût et haut débit », continue-t-il. Il souligne qu'autrefois, les composants TPC unitaires étaient fabriqués avec beaucoup de déchets. « Donc, nous produisons des formes nettes basées sur moulage par compression non-isotherme mais avec innovations (brevets en cours) pour réduire les rebuts. Nous avons conçu une cellule entièrement automatisée pour cela, qu'une entreprise italienne a construite pour nous. »

Cette cellule est capable de produire les composants que Leonardo a conçus, dit Pappadà, « à un rythme d'un composant toutes les 5 minutes, 24 heures/24. » Cependant, son équipe a dû ensuite résoudre la production du préformé. « Au début, nous avions besoin d'un processus de stratification plat, car c'était le goulot d'étranglement à ce moment », explique-t-il. « Donc notre processus commence avec une plaque (stratifié plat), chauffe celle-ci dans un four infrarouge (IR) puis dans une presse pour moulage. Les stratifiés plats sont habituellement produits avec de grandes presses et nécessitent 4-5 heures de temps de cycle. Nous avons décidé d'étudier une nouvelle méthode capable de produire des stratifiés plats plus rapidement. Ainsi, nous avons développé une ligne CCM à haute productivité au CETMA avec le soutien d'ingénieurs Leonardo. Nous avons réduit le temps de cycle pour une pièce 1 mètre sur 1 mètre à 15 minutes. Important, c'est un processus continu, donc nous pouvons produire des longueurs illimitées. »

Mais en quoi cela est-il nouveau comparé au CCM utilisé depuis plus d'une décennie par Xperion, maintenant XELIS (Markdorf, Allemagne) ? « Nous avons développé des modèles analytiques et numériques capables de prédire les défauts tels que vides », dit Pappadà. « Nous l'avons fait en coopération avec Leonardo et l'Université de Salento (Lecce, Italie) pour comprendre les paramètres et leur influence sur la qualité. Nous avons utilisé ces modèles pour développer ce nouveau CCM où nous pouvons avoir très haute épaisseur mais aussi haute qualité. Grâce à ces modèles, nous pouvons optimiser température et pression mais aussi comment les appliquer. Il y a beaucoup d'aspects technologiques qu'on peut développer pour avoir distribution uniforme de température et pression ; cependant, nous devions comprendre l'impact de ces sur la performance mécanique et la croissance de défauts dans structures composites. »

Pappadà continue, « Notre technologie est plus flexible. Aussi, le CCM a été développé il y a 20 ans, mais il n'y a pas d'info à ce sujet car les quelques entreprises qui l'utilisaient ne partageaient pas connaissances et savoir-faire. Donc nous avons dû partir de rien, juste avec nos connaissances composites et traitement. »

« Nous travaillons maintenant à travers programmes internes et avec nos clients pour trouver des pièces pour ces nouvelles technologies », dit Corvaglia. « Ces pièces peuvent être redessinées et requalifiées pour démarrer production. » Pourquoi ? « L'objectif est d'avoir un avion aussi léger que possible mais aussi compétitif en prix. Donc nous devons aussi optimiser l'épaisseur. Mais nous pourrions découvrir qu'une pièce peut aller encore plus légère ou identifier plusieurs pièces de forme similaire, ce qui pourrait permettre des économies de coûts significatives. »

Jusqu'à maintenant, il réitère, cette technologie était entre les mains de quelques-uns. « Mais nous avons développé des technologies alternatives pour rendre ces processus encore plus automatisés en ajoutant du formage sous presse plus avancé. On met un stratifié plat et sort une pièce, prête à partir. Nous sommes dans la phase de redessin pièces et développement CCM plat vs formé. »

« Nous avons maintenant au CETMA une ligne CCM très flexible », dit Pappadà, « où nous pouvons appliquer différentes pressions selon besoin pour formes complexes. La ligne que nous développerons ensemble avec Leonardo sera plus focalisée sur composants correspondant à ses besoins spécifiques. Nous pensons pouvoir avoir différentes lignes CCM pour panneaux plats et longerons en L vs formes plus complexes. Ainsi, nous pouvons garder coût équipement plus bas versus grandes presses utilisées actuellement pour produire pièces TPC géométries complexes. »

Soudage par induction pour consolidation in-situ

« Le soudage par induction est très intéressant pour composites car il est possible de régler et contrôler température très bien, chauffer très vite et contrôler très précisément », note Pappadà. « Avec Leonardo, nous avons développé le soudage par induction pour assembler composants TPC. Mais maintenant nous pensons à utiliser le soudage par induction pour consolidation in-situ (ISC) de rubans TPC. Pour cela, nous avons développé un nouveau ruban fibre de carbone qui peut être chauffé très vite par soudage par induction avec machine dédiée. Le ruban utilise les mêmes matériaux matrice que rubans commerciaux mais avec architecture différente qui améliore le chauffage électromagnétique. Nous optimisons la performance mécanique mais pensons aussi au processus, essayant de matcher différents besoins, par exemple comment traiter rentablement avec automatisation. »

Il souligne que l'ISC est très difficile à atteindre avec ruban TPC à bons taux de production. « Pour avoir cela pour production industrielle, il faut chauffer et refroidir plus vite et appliquer pression de façon très contrôlée. Donc nous avons décidé d'utiliser le soudage par induction pour chauffer une petite région seulement où nous consolidons le matériau mais laisser le reste du stratifié froid. » Le soudage par induction utilisé pour assemblage a un TRL plus haut, dit Pappadà.

L'utilisation du chauffage par induction pour consolidation in-situ semble très disruptive – quelque chose qu'aucun OEM ou fournisseur de rang 1 ne fait ouvertement à ce stade. « Oui, c'est possiblement une technologie disruptive », dit Corvaglia. « Nous avons breveté la machine et les matériaux. Nous visons quelque chose de comparable aux composites thermodurcissables. Beaucoup ont essayé AFP (placement fibres automatisé) avec TPC mais doivent faire étape secondaire consolidation. C'est une grande limitation en géométrie, coût, temps cycle et taille pièces. Nous pourrions bien changer la façon de produire pièces aéronautiques. »

SQRTM

En plus des thermoplastiques, Leonardo continue d'examiner technologies RTM. « C'est un autre domaine où nous avons travaillé avec CETMA et breveté nouveaux développements basés sur une technologie plus ancienne, en l'occurrence SQRTM. Same Qualified Resin Transfer Molding (SQRTM) a été initialement développé par Radius Engineering (Salt Lake City, Utah, États-Unis). « Avoir une méthode hors autoclave (OOA) qui nous permet d'utiliser du matériau déjà qualifié est important », dit Corvaglia. « Cela nous permet aussi d'utiliser des préimprégnés qui ont propriétés et qualité bien connues. Nous avons conçu, démontré et breveté un cadre de fenêtre d'avion avec cette technologie. »

« Ceci aussi est technologie plus ancienne, mais si vous cherchez sur le web, vous ne trouvez pas d'info sur cette technique », note Pappadà. « Ce qui est important, c'est qu'encore, nous utilisons des modèles analytiques pour prédire et optimiser les paramètres du processus. Avec cette technologie, nous pouvons avoir bonne distribution résine – sans zones sèches ou accumulation résine – et teneur en vides quasi nulle. Nous pouvons produire haute performance structurelle car nous contrôlons teneur fibres, et cette technologie peut produire formes complexes. Nous utilisons les mêmes matériaux qualifiés pour polymérisation autoclave, mais en méthode OOA, mais vous pourriez aussi décider d'utiliser résines polymérisation rapide pour réduire temps cycle à minutes. »

« Même avec préimprégné actuel, nous avons réduit le temps de polymérisation », note Corvaglia. « Par exemple, comparé à un cycle autoclave normal de 8-10 heures, nous pouvons atteindre 3-4 heures avec SQRTM pour une pièce comme cadre fenêtre. Chaleur et pression appliquées directement à la pièce, et masse à chauffer est moins. Aussi, chauffer résine liquide versus air en autoclave est plus rapide et qualité pièce est exceptionnelle, avantage surtout pour formes complexes. Il n'y a pas de retouche, vides quasi nuls et excellente qualité surface car l'outil la contrôle, pas un sac vide. »

Avenir visionnaire, basé technologie

Leonardo produit l'innovation dans un ensemble large et divers de technologies. En raison de l'évolution rapide de la technologie, il voit l'investissement en R&D haut risque (TRL bas) comme crucial pour développer les nouvelles technologies requises pour futurs produits, qui vont au-delà du développement incrémental (court terme) qu'il soutient déjà dans produits actuels. Une telle combinaison de stratégies court et long terme sont combinées dans le Plan directeur R&D 2030 de Leonardo, une vision unifiée pour une entreprise durable et compétitive.

Dans le cadre de ce plan, il lance les Leonardo Labs, un réseau international de laboratoires R&D d'entreprise dédiés à la recherche avancée et innovation technologique. Pour 2020, l'entreprise poursuivra l'ouverture des six premiers Leonardo Laboratories dans les zones de Milan, Turin, Gênes, Rome, Naples et Tarente et recrute 68 chercheurs (Leonardo Research Fellows) avec compétences dans domaines suivants : 36 postes Intelligence Artificielle et systèmes intelligents autonomes, 15 analyse big data, 6 calcul haute performance, 4 électrification plateformes aéronautiques, 5 matériaux et structures, 2 technologies quantiques. Les Leonardo Labs joueront rôle de postes avancés innovation et générateurs des futures technologies de Leonardo.

Notamment, les technologies que Leonardo commercialise dans l'aéronautique peuvent aussi avoir applications dans ses divisions terre et mer. Restez à l'écoute pour plus de mises à jour sur Leonardo et son impact potentiel sur les composites.