Compression RTM : faire progresser la production des aérostructures composites du futur

Les composites ont conquis une place permanente dans les cellules d'avions de ligne commerciaux car ils permettent des structures légères à haute résistance offrant des coûts de maintenance inférieurs à ceux du métal. Les projections actuelles pour la prochaine génération d'avions gros-porteurs et monocouloirs montrent une croissance continue des cellules en composites, mais seulement si les matériaux et procédés peuvent répondre à des objectifs ambitieux de faible coût et de cadences de production élevées. Bien que le préimprégné époxy durci en autoclave ait régné en maître dans les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) pour cellules d'avions à ce jour, les développeurs de la prochaine génération d'avions poursuivent agressivement les technologies hors autoclave (OOA) avec automatisation intégrée et inspection en ligne comme facteurs clés pour la future production Industrie 4.0.

Le fournisseur d'équipements et d'automatisation Techni-Modul Engineering (Coudes, France) et sa filiale américaine Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, États-Unis) se sont associés aux entités britanniques et françaises du fournisseur de matériaux avancés Hexcel (Stamford, Conn., États-Unis) pour démontrer la production automatisée OOA de longerons et raidisseurs en PRFC. Les pièces sont réalisées par préformage automatisé des renforts en fibres de carbone sèches Hexcel et un procédé de moulage par transfert de résine par compression (C-RTM) qui offre une infiltration rapide de la résine époxy liquide Hexcel HexFlow RTM6 pour produire des pièces avec 60 % de volume de fibres et moins de 1 % de vides en un cycle de 2,5 à 3,0 heures, extensible pour produire plusieurs pièces pour une production à haut débit.

Développement des renforts secs

« Nous voyons le moulage de composites par résine liquide (LCM) comme une réponse au triple défi de réduire les coûts, d'être prêt pour la cadence et de fournir des performances de structure primaire », explique Rémy Pagnac, ingénieur support technique d'Hexcel pour le moulage par résine liquide. Hexcel a développé ses matériaux en fibres de carbone unidirectionnelles (UD) HiTape et en tissus multiaxiaux non ondulés (NCF) HiMax pour répondre aux besoins de performance des structures primaires lors de l'utilisation de procédés LCM. HiMax permet de poser rapidement de grandes structures planes telles que les panneaux d'aile, tandis que HiTape permet des stratifiés sur mesure pour de grandes structures complexes avec un minimum de déchets. « Nous pouvons atteindre des propriétés égales aux derniers préimprégnés UD », ajoute Pagnac.

Hexcel a travaillé à réduire l'encombrement et à améliorer le drapabilité du HiMax NCF, notamment avec un fil de couture fin de 20 dTex. Les matériaux HiMax sont produits sur l'ancien site Formax à Leicester, Royaume-Uni, qu'Hexcel a acquis en 2016. Les multiaxiaux légers à fibres étalées produits sur ce site avaient déjà une longue histoire de solutions pour des applications exigeantes telles que les voiliers de course, les supercars et les monoplaces de Formule 1. Aujourd'hui, les matériaux NCF ont été utilisés dans un projet de démonstrateur d'aile réalisé par Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cadix, Espagne) et Danobat (Elgoibar, Espagne) en utilisant la technologie Automated Dry Material Placement (ADMP) de ce dernier — un type de placement automatisé de fibres (AFP) pour NCF — et dans le projet ZAero sponsorisé par Airbus pour des structures PRFC sans défaut telles que des panneaux d'aile raidisseurs par longerons.

Avec HiMax et HiTape, Hexcel intègre des couches de voile de filament thermoplastique fin et à faible grammage qui agissent comme liant, éliminant le besoin de liants en poudre historiquement utilisés dans les matériaux secs pour le préformage et le moulage par résine liquide. Pour HiMax, ce voile est intercalé entre les plis NCF ; pour HiTape, le voile est appliqué sur les deux faces du ruban unidirectionnel en fibres de carbone. « Avec cela, vous n'avez pas besoin d'utiliser de liant en poudre pour maintenir les couches UD en place », explique Pagnac. « HiTape est calibré et n'est pas un ruban fendu, donc il n'y a pas de peluches et moins de variation de largeur pour un traitement AFP amélioré. Le voile thermoplastique apporte également de la ténacité au stratifié final, et nous avons démontré que nous pouvons atteindre des taux de dépôt de matériau élevés avec la prochaine génération de machines AFP. » Dans un article SAMPE de mai 2015, Hexcel décrit un préformé à courbure simple fabriqué à l'aide de HiTape de 0,25 pouce de large appliqué avec une machine AFP Coriolis Composites (Quévén, France) équipée d'un laser à une vitesse de pose de 1 mètre/seconde. Il a également travaillé avec l'équipement AFP d'Electroimpact (Mukilteo, Wash., États-Unis) pour démontrer des taux de dépôt allant jusqu'à 150 kilogrammes/heure pour une structure aérospatiale de longeron de taille réelle.

Fig. 1 Compression RTM
Dans le C-RTM, le préformé sec est placé dans un moule RTM, mais le moule n'est que partiellement fermé, laissant un espace entre le préformé sec et la surface supérieure du moule. Le vide est ensuite appliqué, la résine est injectée et la presse referme l'espace dans le moule, poussant la résine liquide vers le bas dans le préformé dans la direction z sur toute la pièce. Source | Hexcel

Adaptation du C-RTM pour l'aérospatial

Le C-RTM a été introduit pour la première fois avec le RTM haute pression (HP-RTM) pour les composites automobiles. Comme pour le RTM conventionnel, le C-RTM implique de placer un préformé en fibres sèches dans un moule métallique assorti, d'injecter de la résine liquide dans le préformé, puis d'appliquer chaleur et pression à l'aide d'une presse actionnée. Cependant, dans le C-RTM, le moule n'est que partiellement fermé, laissant un espace entre le préformé sec et la surface supérieure du moule (Fig. 1). Le vide est ensuite appliqué, une dose précise de résine mélangée est injectée et la presse referme l'espace dans le moule, forçant la résine liquide vers le bas dans le préformé dans la direction z sur toute la pièce. « C'est beaucoup plus rapide que d'injecter la résine dans le plan à travers la pièce », explique Thomas Chevallet, ingénieur procédés chez Techni-Modul Engineering.

Techni-Modul Engineering a vu une opportunité d'adapter le C-RTM pour l'aérospatial lors de son rôle de partenaire dans le projet Clean Sky 2 « Optimized Composite Structures » (OPTICOMS). Organisé dans le Work Package B-1.2 (« More affordable composite structures »), OPTICOMS vise à réduire les coûts de production des petits avions (ex: avions régionaux) via des structures intégrées et une fabrication automatisée, explorant à la fois les méthodes préimprégnées et résine liquide. OPTICOMS a conçu un démonstrateur d'aile composite comprenant un panneau supérieur d'aile avec trois longerons, produit comme une structure intégrée en un seul tir. L'aile à échelle réelle (Fig. 2) fait partie d'un démonstrateur technologique innovant (ITD) AIRFRAME pour évaluer et faire mûrir les technologies vers le niveau de maturité technologique (TRL) 6 pour les avions de prochaine génération en production à partir de 2025. Israel Aerospace Industries (Lod, Israël) a été sélectionné comme coordinateur d'OPTICOMS en juillet 2016. Le consortium inclut également le constructeur de petits avions Piaggio Aerospace (Savona, Italie), Techni-Modul Engineering et les fournisseurs d'équipements AFP Coriolis Composites et Danobat.

Fig. 2 Longeron Clean Sky 2 OPTICOMS
Techni-Modul est partenaire du projet Clean Sky 2 « Optimized Composite Structures » (OPTICOMS), qui a conçu un démonstrateur d'aile composite comprenant un panneau inférieur d'aile, plusieurs longerons et un panneau supérieur d'aile avec trois longerons. Ce dernier est produit comme une structure intégrée en un seul tir. Le démonstrateur sera évalué pour les avions de prochaine génération en production à partir de 2025. Source | Clean Sky 2

« Le C-RTM était bien connu dans l'industrie », explique Chevallet, « mais avec le HP-RTM, une grande presse est encore nécessaire. Notre développement a consisté à adapter le C-RTM pour une injection rapide en utilisant des pressions plus faibles, permettant une production moins coûteuse de pièces aérospatiales avec des exigences très strictes en termes de volume de fibres élevé, d'alignement des fibres et de faibles vides. Le temps d'injection pour le longeron d'aile de 0,7 mètre de long sur 0,2 mètre de large du projet OPTICOMS a été réduit de 40 à cinq minutes. Dans un programme de test séparé pour un longeron en I de 900 millimètres de long et 150 millimètres de haut, le temps d'injection a été raccourci d'une heure à moins de cinq minutes. »

« Cette réduction du temps d'injection offerte par le C-RTM serait encore plus grande pour de grandes pièces telles que des panneaux d'aile complets ou des pales de rotor d'hélicoptère », ajoute Chevallet. Il note que le C-RTM permet également l'injection de résines à haute viscosité ainsi que des systèmes d'injection à basse pression et des presses de plus faible tonnage, ce qui réduit les coûts. « La pression du moule pendant le C-RTM n'est que de 6 bar, bien inférieure à celle utilisée en HP-RTM », explique Chevallet. « Le procédé atteint des composites de qualité aérospatiale tout en fonctionnant bien pour des pièces grandes et minces et des pièces plus petites aux formes complexes. »

Préformage automatisé

Bien que l'injection de résine plus rapide et moins coûteuse et le moulage OOA soient des éléments clés de cette approche pour une production d'aérocomposites plus abordable, la chaîne de processus nécessite encore plusieurs étapes pour la découpe et la pose des matériaux et le préformage. « Pour nous, OPTICOMS concernait aussi l'automatisation », dit Chevallet. Techni-Modul Engineering a fourni non seulement un système d'injection C-RTM pour le projet OPTICOMS, mais aussi un robot pick-and-place et une machine de formage à chaud par drapage (HDF), tous intégrés dans une cellule de production entièrement automatisée.

Peu après le début d'OPTICOMS en 2016, la filiale CAC de Techni-Modul Engineering a remporté le prix ACE Equipment and Tooling Innovation Award dans la catégorie fabrication pour sa cellule de préformage 3D automatisée au CAMX 2016 (26-29 sept., Anaheim, Californie, États-Unis). Capable de produire des préformes 3D à partir de fibres sèches ou de préimprégné, la cellule utilisait des pinces à aspiration sous vide pour prélever, placer et plier les plis découpés sur un moule de préformage chauffé. Techni-Modul Engineering et CAC ont développé un logiciel pour préparer les plis découpés de matériaux 2D pour les mettre en forme en surfaces complexes et développables. Cette cellule a été davantage développée dans OPTICOMS et le projet de test de longeron en I.

Étape 1

Au sein de la cellule automatisée de Techni-Modul Engineering, un robot pick-and-place retire les plis d'une découpeuse automatisée et les applique sur un outil de préformage chauffé.

Étape 2

Les outils de préformage reposent sur une table de compactage avec une membrane de vide réutilisable à charnière (bleue, à gauche) utilisée pour effectuer un débulkage chauffé tous les 5-8 plis pendant la pose.

Étape 3

Chaque cycle de préformage de longeron produit un préformé en C (deux composent l'âme du longeron en I) et un préformé de semelle plat. Deux ensembles requis pour chaque longeron en I sont présentés ici.

Étape 4

Les quatre préformes de longeron en I sont placées dans le moule RTM, le vide est appliqué et l'injection de résine est terminée en 5 minutes.

Étape 5

Après un durcissement de 90 minutes, le longeron est démoulé et les bavures de résine sont ébarbées pour un cycle complet de pièce de 4,5 heures.

Étape 6 – Préformage du longeron

Un robot place les plis découpés sur l'outil de préformage chauffé. Tous les 5-8 plis, un débulkage chauffé est effectué pour compacter le préformé.

Avant le débulkage, un film de démoulage bleu est appliqué.

Un tissu respirant est utilisé pour extraire l'air à travers le préformé.

Après le débulkage final, le préformé est refroidi sur l'outil et les découpes sont ébarbées (ci-dessous).

« Nous avons automatisé l'empilage manuel classique des plis en utilisant le pick-and-place robotique », dit Chevallet. « Le robot prélève les plis d'une découpeuse automatisée et les transfère sur l'outil de préformage chauffé qui repose sur une table de compactage [Étapes 1 et 6]. » Un plis de démoulage (film bleu à l'étape 6), un tissu respirant (matériau blanc à l'étape 6) et une membrane de vide réutilisable à charnière (bleu clair à gauche aux étapes 2 et 6) sont appliqués, suivis du vide et de la chaleur pour préformer et éliminer l'air de la pile textile (formage à chaud par drapage, HDF) tout en faisant fondre les voiles thermoplastiques fins pour créer un préformé compacté.

« Le nombre de plis que vous pouvez compacter en une fois dépend des matériaux et de la forme de la pièce », explique Chevallet. « Pour des pièces à faible courbure, comme un panneau d'aile, vous pourriez compacter tous les 50 plis. Le longeron OPTICOMS a cependant des angles à 90 degrés, et le longeron en I de test a des formes en T, donc vous devez faire attention à ne pas former de plis dans les plis pendant le préformage. » Il ajoute que de telles formes complexes peuvent nécessiter un compactage tous les 5-8 plis, mais peuvent toujours faire partie d'un processus industrialisé à haut volume : empiler les plis, compactage HDF de 2 minutes, rouvrir et empiler à nouveau, suivi de cycles de compactage répétés avec un refroidissement final du préformé sur l'outil avant transfert vers le moule RTM.

« Notre cellule automatisée peut placer à un rythme de 15 secondes par pli », note Chevallet. « La pose pour le longeron OPTICOMS, avec moins de 20 plis au total, a été terminée en 20 minutes. » La pose pour le longeron en I était plus longue — 45 minutes — en raison de sa forme complexe et de son empilement de stratifié, incluant des variations d'épaisseur de 1,2 à 6 millimètres. « C'est encore beaucoup plus rapide que les processus manuels et réduit le risque d'erreur, augmente la répétabilité et la qualité tout en降低 les coûts », ajoute-t-il.

Étape 7

L'outil RTM pour le longeron OPTICOMS comprend plusieurs parties.

Étape 8

Le préformé de longeron est placé dans l'outil RTM.

Étape 9

Le vide est appliqué, la résine est injectée et infiltre le préformé, suivi d'un durcissement de 90 minutes. Ici, la presse a été ouverte pour révéler la pièce durcie.

Étape 10

Après le démoulage, les bavures de résine seront retirées pour un cycle complet de pièce de 4 heures.

Contrôle intelligent

Une autre caractéristique clé de la cellule de préformage automatisée de Techni-Modul Engineering est son système de contrôle intégré. Appelé SMART CONTROL, sa colonne vertébrale est un système de caméra et un logiciel multi-usage qui compare les images prises pendant le traitement à la base de données CAO de la pièce, permettant la reconnaissance de la forme du préformé, le contrôle de l'orientation des fibres, le positionnement des plis et la détection de défauts et de débris d'objets étrangers (FOD). Le retour SMART CONTROL instruit le robot sur la manière de prélever et placer les plis dans la bonne séquence et le bon timing, mais alerte également l'opérateur de la cellule lorsqu'il détecte des erreurs. « Le système peut être configuré pour que l'opérateur retire alors manuellement le pli et redémarre le système pour le remplacer », explique Chevallet, « ou nous pouvons travailler avec le client pour créer une solution automatisée pour retirer les plis défectueux et corriger les erreurs. »

Les mêmes images optiques utilisées pour détecter les bords et contours des plis sont également utilisées pour contrôler l'orientation des fibres. Chevallet concède que si la pièce est très grande (ex: 2 mètres de long contre 200 par 200 millimètres), « vous aurez peut-être besoin d'une caméra prenant des photos [depuis une] position verticale plus haute pour détecter les bords des plis, puis se rapprocher de la pièce pour vérifier l'orientation des fibres. Vous calibre cette séquence pour chaque type de pièce. Pour détecter les plis et FOD, il y a une base de données de différents défauts et vous pouvez l'enrichir, donc l'algorithme d'apprentissage profond s'améliore avec le temps. L'idée est d'avoir un système adaptatif. »

Temps de cycle et production future

Les préformes pour le longeron OPTICOMS étaient faites avec HiMax, et le longeron en I utilisait HiTape. Le système de résine pour les deux était l'époxy liquide monocomposant (1K) HexFlow RTM6 d'Hexcel, qui a un cycle de durcissement de 90 à 120 minutes à 180 °C. Ce durcissement est l'étape la plus longue dans les temps de cycle des pièces pour le longeron OPTICOMS et le longeron en I de test, comme on peut le voir dans le Tableau 1.

Source | Techni-Modul Engineering

À ce jour, c'est le seul époxy qualifié pour le RTM de structures aérospatiales. Cependant, l'intérêt grandit pour la qualification de systèmes bicomposants mélangés à la tête d'injection, offrant une flexibilité accrue du cycle de durcissement et éliminant le besoin d'expédition et de stockage réfrigérés requis pour empêcher la réaction prématurée du RTM6 pré-mélangé.

Airbus Helicopters (Donauwörth, Allemagne) a travaillé avec Alpex Technologies (Mils, Autriche) dans le projet SPARTA pour démontrer un procédé HP-RTM utilisant une version bicomposante de HexFlow RTM6 pour atteindre des durcissements de 30 minutes à 180 °C pour un cadre de porte A350, qui est une structure primaire de forme complexe mesurant 2 mètres de haut, 200-250 millimètres de large et 8-10 millimètres d'épaisseur. Airbus a également démontré un longeron PRFC de 1,5 mètre sur 0,5 mètre réalisé par HP-RTM par sa filiale Composite Technology Center (CTC, Stade, Allemagne), atteignant des cycles de moulage de 20 minutes pour des pièces avec 60 % de volume de fibres et moins de 2 % de vides. Au cours de l'année écoulée, CTC a travaillé avec plusieurs fournisseurs de rang 1 pour faire passer des pièces en préimprégné pose main à HP-RTM pour l'A320. Cependant, les systèmes de résine 2K doivent être qualifiés pour la production d'aérostructures, et CTC s'inquiète de la capacité à garantir en continu la qualité du mélange des systèmes de résine 2K in situ. Alpex utilise des capteurs in-moule de Netzsch (Selb, Allemagne) et Kistler (Winterthur, Suisse) pour y parvenir, et d'autres solutions sont en développement.

Même sans systèmes 2K, des volumes de production plus élevés peuvent être possibles. Les cadres de porte du projet SPARTA ont été retirés après le durcissement initial de 30 minutes à 180 °C et post-durcis hors de la presse, sous vide pour éliminer les contraintes thermiques et garantir les propriétés mécaniques. Selon le responsable R&D d'Alpex, Bernhard Rittenschober, cela nécessite des jeux d'outils supplémentaires, mais seulement une seule presse et unité d'injection. Il explique que le coût supplémentaire des outils est compensé par des coûts de processus et de presse inférieurs et peut être amorti rapidement, même avec un faible volume de 500-1 000 pièces/an.

« La principale réalisation de ces démonstrateurs est la capacité de fabriquer des aérostructures primaires avec un temps d'injection de résine court par rapport aux procédés RTM aérospatiaux conventionnels, où il a été difficile et long d'infiltrer la résine dans de telles grandes pièces avec des renforts en fibres de carbone UD », déclare Pagnac. « Nous ne sommes qu'au début de ce que nous pouvons réaliser avec ce type de préformage automatisé intelligent et de traitement C-RTM », ajoute Chevallet. « Cela a le potentiel d'atteindre la production plus rentable et durable de structures de peau raidies intégrées envisagées pour les futurs avions. »