Validation du soudage LM PAEK pour le démonstrateur de fuselage multifonctionnel

Ce type de recherche aéronautique a commencé avec le Programme Cadre (PC) de la Commission Européenne pour le financement de la R&D, s'étendant de PC2 (1987-1991) à PC7 (2007-2013). Ces programmes ont contribué substantiellement à la maturation d'une grande variété de technologies au niveau de maturité technologique (TRL) 6 et à leur mise en œuvre dans des avions tels que l'Airbus A350.

Une des différences dans Clean Sky 2 est son organisation autour de grands démonstrateurs. Le MFFD est l'un des trois sections de fuselage à grande échelle produites au sein de la Plateforme de Démonstrateur d'Avion Innovant pour Avions de Grande Capacité (LPA IADP) (voir texte bleu en haut du carré bleu dans l'infographie ci-dessus). Au sein du LPA IAPD, il y a trois plateformes. Le MFFD se trouve dans la Plateforme 2 « Intégration Physique Innovante Cabine-Système-Structure », qui comporte deux autres grands démonstrateurs.

Pour comprendre ce que cela signifie, je reviens à quelque chose que des ingénieurs d'Airbus Airframe Research & Technology (R&T) de Getafe, Espagne, m'ont dit alors que je recherchais les composites multifonctionnels en 2015. Ils ont dit, en substance : « Nous ne voulons plus la duplication et le gaspillage de faire un cylindre structurel extérieur et un cylindre intérieur ; nous voulons intégrer la structure de la cellule avec les systèmes de cabine. » J'ai eu du mal à visualiser ce que cela signifiait — jusqu'à ce que je voie une esquisse du MFFD.

SOURCE | Clean Sky 2 (CS2) diffusion et « Thermoplastic composite demonstrators — EU roadmap for future airframes ».

« Modularité, intégration et création de plateformes communes sont clés », dit Ralf Herrmann, Airframe R&T Typical Fuselage chez Airbus Operations GmbH (Brême, Allemagne) et chef du programme MFFD. Je cite ici depuis la page MFFD sur le site Clean Sky 2 :

Herrmann : « Nous savons depuis longtemps que les avantages de la réduction de poids et de la baisse des coûts récurrents dans la production d'avions — lors de l'utilisation de composites thermoplastiques — ne peuvent être atteints que par l'intégration de plusieurs disciplines. Cela signifie que se concentrer sur la structure seule ne peut pas atteindre le plein bénéfice de la technologie des composites. »

La polyvalence des thermoplastiques doit être appliquée en combinaison avec une approche de conception, selon l'officier de projet Clean Sky 2 Paolo Trinchieri : « Il est nécessaire d'éliminer la séparation artificielle des fonctions au stade de la pré-conception de l'avion et de planifier un taux de production élevé de fabrication, d'assemblage et d'installation d'avions dès le début. »

Herrmann était auparavant chef de projet pour le projet FP7 MAAXIMUS (More Affordable Aircraft structure through eXtended, Integrated, & Mature nUmerical Sizing). Courant d'avril 2008 à septembre 2016, MAAXIMUS comprenait 60 partenaires et visait à démontrer le développement rapide et la validation du premier coup — en faisant mûrir simultanément les activateurs virtuels et physiques — d'un fuselage composite hautement optimisé pour atteindre 50 % de réduction du temps d'assemblage de grandes sections de fuselage, 10 % de réduction des coûts récurrents, 10 % de poids structurel en moins et un cycle de développement 20 % plus court. Les objectifs du MFFD peuvent être vus comme une extension :

• Permettre des taux de production de 70-100 avions/mois
• Réduire le poids du fuselage de 1 000 kg
• Réduire les coûts récurrents de 20 %.

Un activateur clé est le soudage sans poussière (pas de trous, pas de fixations) via des composants en composites thermoplastiques soudés. Herrmann explique que l'approche séquentielle actuelle de la fabrication d'avions — où la structure du fuselage doit être assez complète avant que les systèmes plus les caractéristiques de cabine et de cargo puissent être installés — est chronophage et « sensible aux échecs ». Au lieu de cela, MFFD poursuit des éléments structurels pré-équipés, hautement intégrés et des modules de systèmes qui peuvent être installés assez tôt, bien avant l'assemblage final.

Changement vers joints longitudinaux et LM PAEK

Les activités du projet MFFD ont commencé en 2017. Chaque année, il y a au moins un appel à propositions (CFP) dans lequel les chefs de projet décrivent les sujets qui nécessitent un développement supplémentaire. Comme on peut le voir dans l'image ci-dessous, la conception à joint biaisé montrée dans CFP08 (avril 2018) avait changé pour un joint longitudinal d'ici CFP09 (septembre 2018).

« Le joint biaisé présentait des problèmes d'accessibilité et de fixation des structures de plancher que nous avons réalisé seraient difficiles à surmonter dans le délai imparti », explique Herrmann. « Alors, nous avons décidé de revenir à la conception conventionnelle pour réduire le risque. Notre intérêt principal est de montrer comment intégrer tous les systèmes et éléments de cabine qui peuvent être installés avant l'Assemblage des Composants Principaux (MCA). Ce sera aussi la première fois que ce matériau composite thermoplastique est appliqué dans des structures primaires de fuselage à grande échelle pour avions de grande capacité. »

Le design du MFFD a changé d'un design à joint biaisé à un joint longitudinal plus conventionnel en 2018. SOURCE | CFP08 p.87 (gauche) et CFP09 p. 133 (droite).

Un autre changement était dans le matériau de matrice composite thermoplastique (TPC). Les sujets MFFD dans CFP08 et CFP09 font référence à carbone/PEKK (polyéthercétonecétone), mais d'ici CFP10 (mars 2019), le matériau de base était décrit comme fibre de carbone et PAEK (polyaryléthercétone). PAEK est la famille globale de polymères dans laquelle résident PEEK, PEKK et LM PAEK.

Comme décrit dans mon blog sur PEEK vs. PEKK vs. PAEK, le fournisseur de matériau Cetex, maintenant Toray Advanced Composites, produit les trois polymères sous forme de ruban renforcé de fibres de carbone et affirme que les propriétés sont fondamentalement les mêmes. Cependant, le ruban Cetex TC1225 CF/LM PAEK fond à 305 °C tandis que le ruban TC1320 CF/PEKK fond à 340 °C. Et, selon le CTO mondial de Toray Advanced Composites Scott Unger, « LM PAEK a un bien meilleur écoulement... et peut aussi être traité à des vitesses plus élevées que PEKK et PEEK. » TC1225 coûte aussi moins cher.

Demi-fuselage inférieur MFFD : projet STUNNING

STUNNING est le nom du projet pour le développement et la fabrication de la moitié inférieure entièrement équipée du MFFD. Le projet vise à faire mûrir davantage :

• Processus d'assemblage automatisés
• Technologies de fabrication et d'assemblage thermoplastiques
• Technologies de développement de conception et de fabrication intégrées
• Développement d'architectures de systèmes électriques avancés.

Bas Veldman, gestionnaire de programme chez GKN Fokker (Hoogeveen, Pays-Bas) et chef de projet pour STUNNING, explique que le MFFD fera 8 mètres de long et 4 mètres de large avec un rayon de 2 à 2,5 mètres, ce qui est à l'échelle réelle pour un avion monocouloir de la famille A320. « C'est similaire à l'A321, qui n'est pas exactement circulaire mais grossièrement en forme d'œuf (un peu plus haut que large) », ajoute-t-il.

La section de fuselage inférieur à 180° comprendra la coque de fuselage inférieur avec longerons et cadres soudés, la structure de plancher de cabine et de cargo, et les éléments principaux d'intérieur et de systèmes pertinents. « Nous livrerons de grands modules pré-équipés pour un assemblage plug-and-play très rapide », dit Veldman.

GKN Fokker est le partenaire principal dans STUNNING et a quatre divisions participantes, incluant Aerostructures (Papendrecht, Pays-Bas), Fokker ELMO (Hoogerheide, Pays-Bas), GKN Fokker Engineering Roumanie (Bucarest) et GKN Fokker Technologies (Papendrecht, Pays-Bas). GKN Fokker ELMO est un fournisseur de faisceaux de câblage aéronautique et de technologie de systèmes électriques. « Il est responsable de l'architecture des systèmes dans STUNNING et se concentrera sur l'optimisation du système électrique », explique Veldman, « et collabore avec le consortium MISSION de CFP08 sur le développement d'un système de bus d'alimentation innovant. »

« Diehl Aviation (Laupheim, Allemagne) est responsable de la structure intérieure, y compris les sous-systèmes et le plancher, les panneaux latéraux et comment ils sont joints, les interfaces de monuments et les multiports système intelligents », continue Veldman. « NLR (Centre Aérospatial Néerlandais, Amsterdam) est responsable de la fabrication de la peau et des longerons de fuselage, et TU Delft assiste à l'assemblage, basé sur son expertise en soudage ultrasonique. » (Voir « Soudage de composites thermoplastiques » pour plus sur le soudage ultrasonique.)

Programme de test de soudage MECATESTERS

« STUNNING a lancé sept sujets CFP et cinq ont commencé le travail, incluant MAYA, MISSION, EMOTION, TCTool et MECATESTERS », dit Veldman. Ce dernier est un grand programme de test de soudage avec KVE Composites (La Haye, Pays-Bas) et Rescoll (Pessac, France) qui a commencé en avril 2019 avec une durée de 30 mois. Veldning explique que bien que KVE ait une longue histoire avec le soudage par induction de composites thermoplastiques à renfort tissu et ruban UD, les pièces soudées par induction volant sur les avions à ce jour ont utilisé du tissu. « Dans STUNNING, nous établissons les meilleures pratiques avec renforts UD et matériaux LM PAEK, et comparons aussi le soudage par induction au soudage par conduction sous des conditions de charge et environnementales typiques en service. » Bien que le soudage par résistance et le soudage ultrasonique soient inclus dans d'autres lots de travail MFFD et CFPs (voir « Joindre les deux moitiés » ci-dessous), le soudage par induction et le soudage par conduction sont les deux seules techniques dans MECATESTERS.

Labordus chez KVE explique que pour les trois lots de travail MECATESTERS (WP 1, 2 et 3), KVE fabriquera tous les stratifiés de test en utilisant du ruban UD carbone/LM PAEK TC1225 durci en autoclave (voir « Premier stratifié Toray LM-PAEK pour le projet Clean Sky MECATESTERS »). KVE préparera aussi des échantillons soudés par induction pour les tests, tandis que GKN Fokker produira des échantillons soudés par conduction et Rescoll effectuera tous les tests physiques. « Le nom Rescoll vient de recherche et collage, qui est le français pour collage », dit Labordus. « Ils sont connus pour leur recherche sur tous les types de collage et offrent un laboratoire de test bien équipé pour polymères et composites, incluant tests mécaniques, environnementaux, inflammabilité et tous les tests possibles pour qualifier dans l'aérospatial, l'automobile, le ferroviaire et d'autres industries. »

Paramètres de processus et tests

« Nous commençons en fait avec WP 2 pour établir les paramètres de processus, tels que les limites supérieures et inférieures pour la température et la pression de soudage par induction », dit Labordus. « Par exemple, nous avons une pression nominale que nous utilisons normalement, mais nous irons à des pressions plus basses jusqu'à ce que nous commencions à voir des défauts comme des vides, et puis nous évaluerons ces propriétés de soudage pour établir la limite de pression inférieure. » Les tests évalueront aussi la vitesse de soudage, qui affecte le taux de refroidissement du soudage et la cristallinité, et potentiellement les propriétés mécaniques. Les mêmes paramètres seront étudiés chez Fokker pour le soudage par conduction.

Pour l'évaluation, le programme MECATESTERS effectuera de multiples tests, incluant :

• Test de cisaillement simple selon ASTM D5868-01
• Test d'arrachement et de cisaillement sur éprouvettes en L
• GIC et GIIC selon ISO 15024 et ISO 15114, respectivement
  (ce test de ténacité sera en fait complété dans WP 1)

Éprouvette de cisaillement simple à partir de stratifié ruban UD prête pour soudage par induction (gauche) et dispositif de test pour tests combinés de cisaillement et d'arrachement d'éprouvette en L soudée utilisant l'outil développé par Rescoll (droite). SOURCE | KVE Composites, Rescoll.

« La méthode de test d'arrachement vient d'une norme interne que GKN Fokker a développée », explique l'ingénieur Rescoll Thomas Salat. « Le test d'arrachement des profils soudés est perpendiculaire à la peau pour le chargement en pelage », note Labordus, « et parallèle à la peau pour la charge de cisaillement. Le pelage et le cisaillement sont les deux extrêmes, mais nous testerons aussi de nouvelles combinaisons de ceux-ci qui reflètent des conditions de charge pratiques en service. » Ce test sera complété pour deux épaisseurs de stratifié distinctes dérivées du design de fuselage MFFD — 2,2 et 2,8 millimètres — à température ambiante (TA), température froide (-55 °C) et température élevée (80 °C) en chargement statique.

Tests d'arrachement sur éprouvettes en L chez KVE Composites (en haut à gauche). Dans MECATESTERS, ce type de test utilisera une pince et une configuration de test développées par Rescoll pour éliminer la déflexion de la peau (en haut à droite). Les éprouvettes de test seront découpées à partir de panneaux soudés (en bas). SOURCE | Rescoll, KVE Composites.

Préparation de surface, vieillissement et fatigue

WP 1 commencera avec les tests de ténacité. « Pour les tests de fissuration (GIC et GIIC), nous initierons une fissure dans le composite et mesurerons comment cette fissure se comporte quand elle est chargée », explique Salat. « L'un est un test statique qui augmente la charge jusqu'à la rupture. Nous ferons aussi un test dynamique où nous répéterons la charge statique un million de fois, ce qui prend une à deux semaines à compléter. Nous verrons si la soudure composite peut résister à cette fatigue. Ce mode II est un nouveau type de test cyclique. Nous développons une méthode prise d'un article technique publié par l'Université d'Europe et finalisons les paramètres maintenant. »

Aussi dans WP 1, les paramètres de soudage établis dans WP 2 seront utilisés pour examiner les effets de la préparation de surface ainsi que le vieillissement et la fatigue. « Nous regarderons les contaminants de surface et comment ceux-ci peuvent affecter la soudure », dit Labordus. « Nous enquêterons aussi sur trois types différents d'agents de démoulage couramment utilisés dans le traitement par pressage et autoclave ; types spécifiques de préparation de surface incluant ponçage, abrasifs et traitement plasma ; et aussi l'utilisation d'un film de résine supplémentaire à la surface à souder. En plus, nous étudierons l'influence de l'orientation des fibres, par exemple plus/moins 45 degrés à l'interface de soudure. »

Rescoll utilisera aussi une chambre de conditionnement à 70 °C et 90 % d'humidité pour simuler le vieillissement en service, dit Salat. « Nous ferons ensuite les tests standards pour voir si cela affecte la performance de la soudure. » Labordus ajoute qu'un nombre limité d'échantillons seront portés à 100 °C et 120 °C, « pour valider l'affirmation que les composites thermoplastiques n'ont pas de chute brutale au-dessus de 80 °C. »

En plus du test dynamique de fissuration/GIIC, des tests de fatigue seront effectués en modes cisaillement simple et arrachement. « Nous commencerons à 80 pour cent de la charge de rupture statique et irons à 50 ou 75 pour cent de cela en fatigue pour un million de cycles », dit Labordus. « Nous ferons d'autres tests aussi mais sommes encore en discussion sur ceux-ci », ajoute Salat.

Soudage sur supports en composé à fibres courtes

Bien que les détails de WP 3 soient encore en cours de finalisation, il vise à enquêter sur les soudures de supports moulés par compression faits de matériau à fibres courtes sur la peau de stratifié UD. « Nous ferons à nouveau le benchmark des paramètres de processus et caractériserons les propriétés mécaniques de la soudure », dit Labordus, « mais nous travaillons encore à définir la géométrie pour les tests. »

Longerons et clips soudés sur un fuselage thermoplastique. SOURCE: Clean Sky 2 11e Appel à Propositions JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-35, « Innovative disbond arrest features for long thermoplastic welded joints », Figure 2, p. 94.

Clips et supports soudés

Comme décrit dans le sujet CFP10 JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-31, tous les clips de cadre et supports de système pour le demi-fuselage inférieur MFFD seront fabriqués via moulage par injection de composés à fibres courtes faits en réutilisant les déchets d'usine de la production de GKN Fokker de stratifiés TPC à fibres continues. CF/PAEK est le matériau de base et le soudage est la méthode de jonction de base, bien que la méthode de soudage spécifique ne soit pas prescrite.

Selon le texte CFP10, le demi-fuselage inférieur MFFD aura 13 cadres et environ 36 longerons, nécessitant environ 500 clips de cadre (notez que ce sont des structures primaires nécessitant des tests structurels et ce total inclut les clips utilisés pour les tests) et environ 270 supports de système (qui sont des structures secondaires) répartis selon les types montrés ci-dessous : 20 supports de système (1), 120 supports de système (2), 50 supports de système (3) et 80 supports de système (4).

Exemples de pièces à livrer dans le sujet Clean Sky 2 JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-31, Figure 2. SOURCE | Clean Sky 2 CFP10, p. 146.

Aussi dans CFP10 est le sujet du demi-fuselage supérieur MFFD JTI-CS2-2019-CfP10-LPA-02-30, « Développement de systèmes de soudage innovants pour joints structurels de Composites à matrice Thermoplastique » dirigé par Aernnova Composites Illescas (Illescas, Espagne). Prévu pour commencer après le 1er trimestre 2020, son champ d'application est de développer un système de soudage pour obtenir un lien structurel entre des pièces de renfort (goussets, coins, raccords) et des cadres structurels pour obtenir une Structure d'Entourage de Porte (DSS) hautement intégrée. J'espère donner plus de détails sur le demi-fuselage supérieur MFFD dans un futur blog. Pour l'instant, il suffit de comprendre pourquoi le lot de travail 3 de MECATESTERS est important et combien sera accompli une fois MECATESTERS, STUNNING et le MFFD terminés.

Joindre les deux moitiés

Une fois terminé, le demi-fuselage inférieur du MFFD ira à l'Institut Fraunhofer pour la Technologie de Fabrication et Matériaux Avancés IFAM (Stade, Allemagne) pour être joint avec le demi-fuselage supérieur, explique Veldman. « Nous sommes engagés à livrer notre moitié du fuselage d'ici la fin de 2021 », ajoute-t-il.

Comme noté ci-dessus, Ralf Herrmann chez Airbus est le chef de projet MMFD ; ainsi, Airbus intègre le travail de Fraunhofer IFAM et du consortium CFP07 MultiFAL (Système d'automatisation multifonctionnel pour Ligne d'Assemblage Fuselage) — qui est en charge de joindre les deux moitiés de fuselage, travaillant ensemble avec les équipes STUNNING et demi-fuselage supérieur — pour développer des solutions pour la myriade de défis.

Certains de ces défis sont révélés dans deux sujets du 11e Appel à Propositions (novembre 2019), tous deux dirigés par Airbus pour commencer après le 4e trimestre 2020 et intitulés « Outillage, Équipements et Auxiliaires pour la fermeture d'un Joint Longitudinal de Baril : »

• JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33, « : Intégration de la bande de bout et Continuité de Protection Contre la Foudre »
• JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34, « : Joint à recouvrement et Intégration de Couplage de Cadre »

Écrit par Piet-Christof Woelcken, gestionnaire de sujet chez Airbus Brême et chef de lot de travail MFFD, les principaux défis dans ces sujets incluent :

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• Joint à bande de bout (Fig. 3 ci-dessous) :
  • Le côté gauche du démonstrateur (dans la direction de vol) inclut l'Entourage de Porte Passager. La variation d'épaisseur de peau dans cette zone nécessite une intégration de bande de bout à étages, joignant les peaux supérieure et inférieure.
  • Donnée la complexité du joint, le soudage par conduction utilisant une plaque chauffante sous pression est la technologie de jonction préférée.

• Continuité électrique de la protection contre la foudre (Fig. 4 ci-dessous) :
  • La continuité électrique de la protection contre la foudre métallique (LSP) doit être réalisée à travers les deux joints longitudinaux à l'extérieur du fuselage.
  • On s'attend à ce que la tête d'outillage fournie pour l'intégration de la bande de bout puisse être utilisée à cette fin.

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• Joint à recouvrement (Fig. 2 ci-dessous) :
  • Le joint à recouvrement de 8 mètres de long sur le côté droit du démonstrateur (dans la direction de vol) connecte les peaux de fuselage supérieure et inférieure. Dans une direction longitudinale, l'épaisseur de peau en dessous de 3 mm est constante dans la zone de soudage. Dans la direction circonférentielle, les peaux présentent une géométrie à étages pour une performance structurelle améliorée.
  • Le soudage ultrasonique est la jonction préférée afin d'atteindre un taux de production élevé.

Fig. 2 (En haut à gauche) : Joint à recouvrement : Une approche à étages a été prise dans le design du joint à recouvrement. Notez que la coque inférieure se trouve du côté interne du fuselage. Fig. 3 (En bas à gauche): Intégration de bande de bout : Un certain nombre de bandes superposées nécessitent une intégration à travers le joint à étages. Notez que la bande de bout se trouve à l'extérieur du fuselage. Fig. 4 (Droite) : La continuité électrique du LSP métallique doit être réalisée à travers les joints longitudinaux à l'extérieur du fuselage PRFC. Le rouge indique le LSP pré-équipé, le bleu indique le LSP à appliquer dans le cadre de ce sujet. SOURCE | Clean Sky 2 11e Appel à Propositions JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33 et -34, « Intégration de bande de bout et Continuité de Protection Contre la Foudre », pp. 78 et 86.

JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34

• Intégration de couplage de cadre (Fig. 5) :
  • Joint à recouvrement : Les couplages de cadre sous le joint à recouvrement doivent lier structurellement les cadres de coque supérieure et inférieure.
  • Bande de bout : Les couplages de cadre sous la bande de bout doivent lier structurellement les cadres de coque supérieure et inférieure ainsi que se connecter à la peau.
  • Le soudage par résistance est la technologie préférée pour ce défi technique.

Intégration de couplage de cadre. Notez que les couplages de cadre diffèrent par côté dans le cadre de la démonstration technologique. SOURCE | Clean Sky 2 11e Appel à Propositions JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-34, « Outillage, Équipements et Auxiliaires pour la fermeture d'un Joint Longitudinal de Baril : Joint à recouvrement et Intégration de Couplage de Cadre », Fig. 5, p. 86.

Méthodes de soudage, têtes d'outillage et tolérances

Herrmann explique que le soudage par conduction sera démontré du côté gauche via le joint à bande de bout et le soudage ultrasonique du côté droit via le joint à recouvrement tandis que le soudage par résistance sera utilisé pour les couplages de cadre. « MFFD démontrera de nombreuses approches techniques, donc ce n'est pas la même chose que dans la fabrication d'un fuselage réel, mais est plutôt conçu comme un véhicule pour démontrer et faire mûrir les technologies », ajoute-t-il.

Développement de têtes d'outillage de soudage

L'objectif de ces deux sujets écrits par Woelcken est de développer les têtes d'outillage requises pour ces joints soudés. « Quand vous soudez deux pièces ensemble, vous devez appliquer chaleur et pression », explique-t-il. « Donc, cela est appliqué par la tête d'outillage pendant le soudage. Pour le processus de soudage par conduction de type Fokker, vous appliquez activement chaleur et pression d'un côté et une pression passive d'un support est exercée de l'autre. Le joint à bout est une pile de six rubans, et en joignant, nous placerons la pile et la chaufferons pendant le soudage. Cependant, parce que le matériau de ruban UD LM PAEK est relativement nouveau dans le soudage, nous devons comprendre les conditions de processus et comment nous pouvons compenser les tolérances. Donc, nous devons définir les matériaux et l'épaisseur, ainsi que la géométrie de la tête d'outillage. »

« Notez que l'utilisation de ce type de joint à bout est un processus standard pour ce que nous faisons sur d'autres joints dans nos avions », souligne Woelcken. « Pour le MFFD, nous voulons laisser le fuselage supérieur et inférieur inchangés de cette pratique standard afin de minimiser la quantité de matériau que nous devons adapter. »

Flexibilité dans les tolérances

Woelcken note que comme les surfaces de soudage les plus hautes sont essentiellement fondues en liquide puis pressées ensemble, « cela donne beaucoup de flexibilité pour accommoder les tolérances. » Notez, actuellement, avec les ailes et fuselages en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) thermodurcissable, ces problèmes de tolérance sont adressés en appliquant un adhésif de calage liquide. Bien que peu de gens veuillent en discuter publiquement, le problème général du calage dans les aérostructures composites a été largement reconnu et des initiatives pour le réduire et/ou l'éliminer ont été publiées, comme la méthode d'assemblage Flexmont pour les plans de dérive verticaux.

« Nous nous attendons à gagner des avantages dans l'adressage des tolérances en utilisant des composites thermoplastiques », dit Woelcken, « particulièrement en exploitant nos concepts de conception et en tirant parti de notre expérience avec le PRFC thermodurcissable et le soudage métallique. La clé sera la surveillance in situ pendant le chauffage et l'application de la pression. » Il souligne que la chaleur est le paramètre numéro un. « Je suis surpris de la tolérance des processus de soudage de composites thermoplastiques à la pression. Le principal défi là-bas est le confinement de cette pression et comment elle décroît. Actuellement, nous surveillons le dos du joint soudé. »

Automatisation de l'assemblage

Dans le 7e Appel à Propositions, le sujet JTI-CS2-2017-CfP07-LPA-02-22, « Développement d'un système d'usine automatisé à grande échelle pour joints longitudinaux et circonférentiels de fuselage » est dirigé par Fraunhofer IFAM au sein du consortium MultiFAL. L'extrait ci-dessous jette un peu de lumière sur comment les têtes d'outillage de soudage discutées ci-dessus, maintenant en développement, pourraient être mises en œuvre :

« Pour réaliser le processus d'assemblage d'un fuselage thermoplastique, les tolérances deviennent un sujet majeur. Le positionnement et l'orientation des coques de fuselage, ainsi que les déformations résultantes causées par le processus de soudage, doivent rester dans les tolérances. Des précisions comparables peuvent être orientées vers le processus d'état de l'art de joint longitudinal. Ici, l'erreur de position dans chaque direction devrait être dans 0,5 mm (dans certaines exceptions jusqu'à 1 mm). ... on peut supposer qu'une précharge sur la surface de joint des deux côtés d'environ 1000N (indépendant de la technologie de soudage) pour une couture de soudage de 20 mm de large est requise par le système d'automatisation. »

Fraunhofer IFAM — qui était aussi le partenaire de CTC Stade dans le développement du processus d'assemblage VTP Flexmont — décrit son point de départ : un système d'usine d'assemblage interne qui peut manipuler des pièces de 2 à 8 mètres de long et jusqu'à 6 mètres de haut, incluant une coque à 180° d'un avion monocouloir. Le système est activé par une disposition flexible de 10 hexapodes coopérants (voir « Outillage Reconfigurable : Révolutionner la fabrication de composites »), 24 unités linéaires et éléments de rack modulaires. Des pinces à vide avec capteurs de force et couple 6 axes ajustent la pose et la forme de la pièce, selon les besoins, pour gérer les tolérances pendant l'assemblage. La guidance et la surveillance de ces ajustements rapides et itératifs sont réalisées par des dispositifs de mesure optiques.

Selon le texte CFP07, Fraunhofer IFAM modifiera ce système d'usine d'assemblage pour tenir un fuselage complet à 360°, avec un travail prévu pour commencer au 2e trimestre 2018 et se terminer en 36 mois.

Le consortium STUNNING travaille avec SAM|XL pour développer l'automatisation pour l'assemblage du demi-fuselage inférieur MFFD. SOURCE | samxl.com

Au sein de STUNNING, des activités sont prévues avec le centre de recherche collaboratif SAM|XL (Smart Advanced Manufacturing XL, Delft, Pays-Bas) pour démontrer des techniques de soudage automatisées pour l'assemblage du demi-fuselage inférieur. Spécialisé dans l'automatisation pour la fabrication de grandes structures composites légères, SAM|XL réunit le groupe Génie Aérospatial de TU Delft et l'Institut de Robotique. GKN-Fokker est un participant majeur. L'une des méthodes étudiées est le soudage ultrasonique par points séquentiel, qui a été prouvé dans le projet Clean Sky 1 Eco Design et TAPAS 2 comme rapide et efficace pour connecter des supports ou clips à fibres courtes aux structures de fuselage.

Dans son article de 2016, intitulé « Smart ultrasonic welding of thermoplastic composites », Villegas déclare qu'il est possible de monter en échelle le processus de soudage ultrasonique via le soudage séquentiel — c'est-à-dire, laisser une ligne continue de points de soudage adjacents servir le même but qu'un cordon de soudage continu. Le soudage par points séquentiel à l'échelle laboratoire a été utilisé dans le panneau de structure aérienne TPC du démonstrateur Clean Sky EcoDesign, utilisant des directeurs d'énergie plats pour souder une charnière CF/PEEK et des clips CF/PEKK à des C-frames CF/PEEK (Fig. 6). Des comparaisons expérimentales avec des joints fixés mécaniquement en cisaillement double et tests d'arrachement ont montré des promesses. Le processus est exploré plus loin dans les articles de 2018 {et 2019} par le membre de l'équipe TU Delft de Villegas, Tian Zhao {et dans l'article de Villegas de 2019}.
— « Welding thermoplastic composites », G. Gardiner, 2018.

Le travail du consortium STUNNING avec TU Delft et SAM|XL adapte cette technologie pour souder de multiples supports de système et semi-structuraux, éléments de raidissement et longerons à la coque de fuselage inférieur MFFD.

Découpage du travail et calendrier pour l'assemblage MFFD. SOURCE | Clean Sky 2 11e Appel à Propositions JTI-CS2-2020-CfP11-LPA-02-33, « Outillage, Équipements et Auxiliaires pour la fermeture d'un Joint Longitudinal de Baril : Intégration de bande de bout et Continuité de Protection Contre la Foudre », pp. 79 et 82.

Phase jumeau numérique, 2020 et au-delà

Selon le site Clean Sky, le programme MFFD a atteint une étape importante en novembre 2019 avec le passage réussi de sa Revue de Conception Critique (CDR). Dans la chronologie ci-dessus, le design MFFD entre dans une « Phase Jumeau Numérique » en 2020-2021. Qu'est-ce que cela signifie ? « Bien que nous ayons bouclé la majorité de la phase de conception, nous allons un peu plus loin en travaillant avec une approche spécifique de gestion du cycle de vie », explique Herrmann. « Nous modélisons les imperfections et non-conformités des résultats END et les paramètres de processus pendant la fabrication de composants. Nous voulons combiner ces données Industrie 4.0 avec la gestion du cycle de vie pour continuer à adapter la conception selon ce que nous fabriquons réellement. Nous voulons voir jusqu'où nous pouvons pousser cela et ce que nous pouvons accomplir d'ici la fin de Clean Sky 2. »

Pour 2020, l'agenda principal est la fabrication. « Nous espérons présenter diverses pièces alors qu'elles s'assemblent cette année », dit Veldman. Quel sera le plus grand défi pour le programme STUNNING ? « L'assemblage », répond-il. « Pas tant au sein de STUNNING, mais notre demi-fuselage inférieur a des interfaces avec la structure d'entourage de porte, de multiples composants livrés par Airbus et tout le demi-fuselage supérieur. Faire livrer tout au bon moment et tout assembler nécessitera un certain nombre de développements encore. »

Cela nous amène à peut-être la plus grande question : Les composites thermoplastiques seront-ils utilisés sur le prochain avion entrant en production en 2030-35 ? « Certainement, nous voulons essayer d'utiliser les technologies sur lesquelles nous travaillons », dit Herrmann, « mais je ne peux pas dire si ou quand les composites thermoplastiques seront sur les futurs avions. La partie la plus importante pour nous est qu'ils sont un activateur pour le soudage sans poussière concernant l'augmentation de la production à plus de 70 avions par mois. Nous devons montrer que c'est faisable, pas seulement avec les métalliques mais aussi avec les composites thermoplastiques. »

« D'ici la fin de ce projet, nous aurons une compréhension plus complète du soudage de composites thermoplastiques et obtiendrons l'approbation pour son utilisation dans de grandes structures primaires d'avions », dit Salat. « Si nous pouvons utiliser cela pour les futurs avions, nous pouvons atteindre des économies de poids significatives et une durabilité améliorée. » Mais peut-être tout aussi important est la capacité de Clean Sky à rapprocher les parties prenantes de la recherche et de l'innovation aéronautique européennes. « Nous avons des réunions trimestrielles où je m'assois avec tout le comité de pilotage LPA », dit Veldman. « Je parle à toute l'industrie aérospatiale européenne, et cela aide certainement à ouvrir des opportunités pour l'avenir, pas seulement pour les entreprises qui peuvent nous fournir, mais pour une large gamme de collaborations. »