Piloter l'innovation en composites thermoplastiques avec le RTM pour Clean Sky 2 en Espagne

Le Centro Tecnológico de Catalunya EURECAT (Centre Technologique de Catalogne EURECAT, Barcelone, Espagne) est une organisation privée de R&D à but non lucratif avec 11 installations, 650 employés et 50 millions d'euros de revenus annuels. « C'est le deuxième plus grand centre de R&D en Espagne », explique Angel Lagraña Hernandez, directeur de programme pour le marché aéronautique et spatial chez EURECAT. Il explique qu'une partie des revenus d'EURECAT vient du gouvernement catalan et du reste, la moitié doit venir d'entreprises privées — principalement des petites et moyennes entreprises (PME) — tandis que l'autre moitié peut être publique, comme le programme Clean Sky 2 financé par l'Union européenne. « Nous avons maintenant 18 projets Clean Sky », note Lagraña, « qui nous ont été attribués purement sur la base de soumissions compétitives en réponse à des appels à propositions. »

Exemples de la façon dont les composites figurent dans les nombreux objectifs et démonstrateurs technologiques planifiés de Clean Sky 2 :

• Le démonstrateur de fuselage multifonctionnel de prochaine génération — tirant parti des thermoplastiques pour des cieux plus propres
• Économie circulaire : Fuselage composite pour avion régional prend forme
• Tirer parti de l'expertise de la course automobile pour FastCan de Clean Sky

« EURECAT est hautement transversal, travaillant dans l'automobile, le ferroviaire et d'autres industries en plus de son travail dans l'aérospatial », dit Lagraña. « Il a aussi beaucoup d'activités en IT telles que l'analytique de données et la blockchain, etc. Composites 4.0 est l'un de ses axes stratégiques. » Dans les composites, il note qu'EURECAT travaille principalement dans les technologies hors autoclave (OOA). « Nous nous concentrons sur les thermoplastiques et le moulage par compression liquide, y compris la surveillance de processus en temps réel, y compris la surveillance de la température de transition vitreuse (Tg) de la résine pendant le traitement. » (Continuez à lire la section sur COFRARE, à la fin de ce blog, pour en savoir plus sur cette surveillance de Tg.)

Les projets composites les plus récents d'EURECAT dans Clean Sky 2 incluent :

• KEELBEMAN pour démontrer une poutre de quille en composite thermoplastique (Ce projet a reçu un financement de l'Undertaking Conjoint Clean Sky 2 dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon de l'Union européenne sous GAP n° 785435 KEELBEMAN) ;
• WINFRAME 4.0 pour construire des cadres de fenêtre en composite thermoplastique (TPC) pour le démonstrateur Green Regional Aircraft (GRA) dans Clean Sky (2008-2017) et étendu au Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform) dans Clean Sky 2 (2014-2024) ;
  (Ce projet a reçu un financement de l'Undertaking Conjoint Clean Sky 2 dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon de l'Union européenne sous GAP n° 821323 WINFRAME 4.0.)
• COFRARE 2020 pour des cadres de fuselage thermodurcissables faits par moulage par transfert de résine (RTM) avec attaches de cisaillement TPC.
  (Ce projet a reçu un financement de l'Undertaking Conjoint Clean Sky 2 dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon de l'Union européenne sous GAP n° 821261 COFRARE 2020.)

Poutre de quille en composite thermoplastique

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20. Durée du projet : mars 2018 à décembre 2019

L'objectif du projet KEELBEMAN est de développer une structure de poutre de quille orientée fabrication pour un avion de type A320 qui permet des cadences de production d'avions élevées mais à un coût abordable via les composites thermoplastiques. En plus d'EURECAT comme coordinateur de projet, les partenaires incluent :

• Airbus (Toulouse, France) comme gestionnaire de sujet
• CETMA (Centre Européen de Recherche pour les Technologies de Design et Matériaux, Brindisi, Italie)
• Le Groupe CT Engineering (CT Ingenieros, Madrid, Espagne), une entreprise avec de nombreux bureaux mondiaux qui a un contrat pluriannuel avec Airbus pour le développement d'avions tel que la recherche sur le fuselage, les ailes et l'arrière via son bureau de Hambourg, Allemagne ; recherche sur l'arrière (Espagne) ; recherche sur le fuselage et structures liées à la propulsion (Toulouse, France) et développement d'ailes (Bristol, Royaume-Uni)
• Sofitec (Séville, Espagne), un spécialiste de la fabrication et l'assemblage d'aérostructures avec expertise et capacité de production en composites.

Le Groupe CT Engineering a fourni la modélisation complète de la géométrie de la poutre de quille via son bureau de Toulouse, tandis que Sofitec a développé les essais non destructifs (END) d'inspection. « C'est très difficile avec une telle structure en boîte fermée », souligne Lagraña.

La poutre de quille A320 assemblée, faite en métal par Irkut Corporation (Moscou, Russie). Irkut a contracté avec Airbus en 2004 pour fournir des composants incluant la baie de train d'atterrissage avant, la poutre de quille et le rail de volet, qui sont installés, en moyenne, dans un A320 sur trois. SOURCE | Irkut

Développement des structures de poutre de quille

« Aujourd'hui, la plupart des poutres de quille d'avions sont faites en métal sauf pour l'Airbus A350, qui est en composite fibre de carbone monolithique », dit Lagraña. « Cela nécessite un grand nombre de rivets et une quantité significative de temps pour l'assemblage. » Il explique que la poutre de quille est une structure critique dans le fuselage, « Il y a eu des cas où la poutre de quille s'est brisée pendant l'atterrissage, causant la fissure et la rupture de tout le fuselage. »

Selon un article de 2011 de Steve Wilhelm, la poutre de quille de l'A350 est à 70 % composite, 54 pieds (16,5 mètres) de long, assemblée avec 10 000 fixations, pèse 1,2 tonne et forme la colonne vertébrale de l'avion. Wilhelm note que l'avion concurrent Boeing 787 « ne dépend pas d'une structure de quille aussi robuste, car plus de la résistance de la coque vient de barils composites qui sont fixés bout à bout. » L'article cite ensuite Michel Merluzeau, associé directeur de G2 Solutions LLC conseil aérospatial (Kirkland, Wash., États-Unis), qui décrit le design Airbus comme « plus conventionnel » et « moins risqué » mais souligne que la poutre de quille est « essentielle à l'intégrité structurelle de cet avion. »

Airbus a en fait été pionnier d'une poutre de quille composite pour l'A340 en 2001. Mais comme décrit ci-dessus, le grand nombre de rivets requis va à l'encontre des économies de poids possibles en utilisant les composites. Ainsi, une cible clé dans le projet KEELBEMAN est de minimiser les fixations en utilisant des composants en composite thermoplastique qui sont soudés ensemble.

Poutre de quille TPC

« Le développement d'une poutre de quille en composite thermoplastique utilisant le soudage pour l'assemblage fait partie du développement de l'avion de demain par Airbus, qui inclut des programmes tels que Wing of Tomorrow et Fuselage of Tomorrow », dit Lagraña. « Dans KEELBEMAN, nous avons produit une section de démonstration de 250 millimètres sur 500 millimètres sur 1 mètre de long d'une poutre de quille avec longerons et démontré la faisabilité du soudage de cette structure avec autant d'automatisation que possible. »

Lagraña note que les plaques de paroi et longerons du démonstrateur ont été faits en utilisant du ruban unidirectionnel (UD) carbone/polyetherketoneketone (PEKK) dans un procédé de moulage par compression continue (CCM) développé par CETMA (voir « Moulage par compression aérospatial » et « PEEK vs PEKK vs PAEK et moulage par compression continue »). « Il y a aussi des nervures pour raidisseurs transversaux qui ont été faites en utilisant le moulage par compression non-isotherme traditionnel par EURECAT », ajoute Lagraña.

Le soudage par induction comme facteur clé

Lagraña note que CETMA a joué un rôle clé non seulement dans la production des pièces pour KEELBEMAN, mais aussi dans l'assemblage du démonstrateur en utilisant sa machine et technologie de soudage par induction brevetée. Ce soudage a été développé à l'origine dans le projet ECO FAIRS du premier programme Clean Sky (2011-2014), avec le moulage par compression isotherme et non-isotherme des structures TPC montrés ci-dessus. Dans ECO FAIRS, CETMA a utilisé toutes ces technologies pour produire un démonstrateur prototype basé sur le panneau supérieur existant (panneau de peau raidie par longerons) de la queue d'hélicoptère Agusta Westland ainsi qu'un démonstrateur de fairing de sponson courbé. Bien que ceux-ci aient été faits en utilisant CETEX (fourni par TenCate, maintenant Toray Advanced Composites) T300 3K 5HS tissu carbone avec film PPS (polyphénylène sulfure) double face, CETMA a aussi prouvé le soudage par induction avec composites PEEK et PEI.

CETMA a sélectionné le soudage par induction (IW) comme le plus prometteur des techniques de soudage de composites thermoplastiques et a travaillé avec le spécialiste en ingénierie soudage et électronique SINERGO srl (Valdobbiadene, Trévise, Italie) pour développer une nouvelle machine de soudage par induction. La machine SICE 1 WIDE à portique offerte par SINERGO (voir image ci-dessous) est capable de soudage continu de pièces de qualité aérospatiale jusqu'à 1 mètre sur 1 mètre. Elle inclut un système de contrôle robuste pour assurer des distributions de température optimisées dans les matériaux soudés. La machine est équipée d'un cylindre refroidi pour appliquer la pression de consolidation et d'un système de refroidissement par air pour éliminer la chaleur là où c'est requis, comme dans les bords, où le flux des courants de Foucault induits est contraint, résultant en densité de courant élevée et surchauffe. Il est aussi possible d'installer la tête de soudage par induction CETMA sur un bras robotique à 6 axes pour le soudage de formes géométriquement complexes.

CETMA a aussi développé la capacité d'optimiser son processus de soudage par induction en utilisant des outils de simulation, effectuant une analyse numérique en utilisant le logiciel de modélisation par éléments finis (FEM) COMSOL Multiphysics (COMSOL Inc., Burlington, Mass, États-Unis). Il a vérifié ces modèles à travers un grand nombre de tests physiques. CETMA a confirmé ses paramètres de processus optimisés par des tests de cisaillement simple sur éprouvettes soudées, dans lesquelles les valeurs de résistance au cisaillement étaient très proches du maximum rapporté dans la littérature. Notamment, celles-ci étaient aussi bien plus élevées que les valeurs maximales en utilisant des adhésifs structurels, dit CETMA.

CETMA a prouvé sa capacité de soudage pour une grande variété de matériaux, y compris fibres de carbone tissées et UD, ainsi que PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 et même soudage à CF/époxy en utilisant une couche hybride PVB (polyvinyl butyral) thermoplastique pour la transition du substrat thermodurcissable à la face thermoplastique pour le soudage. (Une grande partie des détails de cette section provenaient de la présentation des compétences CETMA et du rapport final CORDIS pour ECO FAIRS.) CETMA a déposé un brevet européen en 2014 et les inventeurs Silvio Pappada et Andrea Salomi ont reçu le brevet EP2801472A1 en 2016. CETMA a publié de nombreux articles et présentations sur cette technologie, notamment :

• « Simulations par éléments finis pour soutenir le développement de technologies hors autoclave », A&D, 11-12 oct 2012
• « Simulations par éléments finis pour soutenir le soudage par induction continu de composites PPS-Carbone », SEICO 13, 11-13 mars 2013 « Paris »
• « Développement d'une nouvelle machine de soudage par induction pour composites thermoplastiques dans le secteur aérospatial », Association Italienne d'Aéronautique et d'Astronautique XXII Conférence Napoli, 9-12 sept 2013
• « Soudage par induction dans le secteur aérospatial », TPRC, Consortium Européen des Composites Thermoplastiques, Réunion web, décembre 2013.
• « Essais à grande échelle sur composants thermoplastiques pour le secteur aérospatial », SEICO 14, 10-11 mars 2014 « Paris »
• « Nouvel équipement de soudage par induction pour le secteur aérospatial », JEC magazine, No. 87, mars 2014, pp. 89-91.

Statut KEELBEMAN et voie à suivre

Airbus a visité CETMA en décembre pour voir le soudage final de la section de démonstrateur de 1 mètre, et l'équipe KEELBEMAN a également tenu une revue finale du niveau de maturité technologique (TRL). « Nous obtenons de bons résultats et faisons mûrir la technologie du TRL 3 au TRL 4 », dit Lagraña. Les prochaines étapes pourraient inclure un développement supplémentaire jusqu'au TRL 6 et la production d'une poutre de quille à échelle réelle à installer dans l'un des démonstrateurs de Clean Sky 2, comme le fuselage central inférieur de taille réelle WP 2.3.2, mais cela n'a pas encore été décidé.

Projet WINFRAME 4.0 pour cadres de fenêtre TPC

Un autre programme de composite thermoplastique (TPC) pour EURECAT est WINFRAME 4.0, avec l'objectif de développer et fabriquer 24 cadres de fenêtre pour un démonstrateur au sol intégré de fuselage/cabine d'avion régional (voir l'explication des développements de Clean Sky 2 pour l'Avion Régional et le Démonstrateur Intégré Fuselage et Cabine Passagers à Échelle Réelle ci-dessous). Les partenaires de WINFRAME 4.0 incluent :

• La multinationale aérospatiale Leonardo (Rome, Italie) comme gestionnaire de sujet
• EURECAT
• Sofitec.

« La méthode que nous utilisons peut produire un cadre de fenêtre toutes les 10 minutes », dit Lagraña. Les étapes de production incluent : chauffer les blanks de stratifié TPC dans un four, transférer vers un moule, fermer le moule dans une presse, appliquer chaleur et pression pendant 10-20 minutes et démouler la/les pièce(s) finie(s). « Cette approche n'atteint pas seulement des cycles plus courts que le moulage liquide mais aussi un outillage beaucoup moins cher », ajoute-t-il. « Le procédé est bien connu dans l'industrie automobile, c'est le moulage par compression dans une configuration hautement automatisée qui augmente la qualité de la pièce, mais les matériaux aérospatiaux utilisés sont différents, dans ce cas un PPS renforcé de fibres de carbone et fibre de carbone de Toray Advanced Composites (anciennement TenCate). À la fin de ce projet, nous aurons atteint un TRL 6 pour ces technologies », dit Lagraña.

Projet COFRARE : cadres C RTM et attaches de cisaillement thermoplastiques

Le projet COFRARE 2020 est une extension du projet initial COFRARE 2.0 :

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16. « Développement de procédé pour fabrication de cadres composites avec haut taux de production et faible coût »​​​​​​​ Durée du projet : 2016 à 2018.

L'objectif du projet Clean Sky 2 COFRARE 2.0 était de développer un procédé de fabrication compétitif et réalisable pour des cadres en composite fibre de carbone à utiliser dans un fuselage basé sur panneaux composites pour avion régional. Les partenaires incluaient :

• Fournisseur de rang 1 aérospatial basé à Naples et entreprise d'ingénierie/industrialisation DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italie)
• EURECAT
• LGAI Technological Center S.A., une division des Laboratoires Applus+ à Barcelone, Espagne a fourni les tests.

L'objectif du projet COFRARE 2020 de prochaine génération est de fabriquer des cadres composites et attaches de cisaillement à échelle réelle à utiliser dans le démonstrateur au sol intégré fuselage/cabine de Clean Sky 2. Ce démonstrateur est organisé dans le Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform) de Clean Sky 2 et détaillé dans la Section 5.2.2 du document Joint Technical Programme de mars 2015 :

« Les avions régionaux sont un élément clé de Clean Sky à travers un ITD (Démonstrateur Technologique Intégré) dédié - Green Regional Aircraft (GRA), fournissant des blocs de construction essentiels vers un système de transport aérien qui respecte l'environnement, assure une mobilité sûre et fluide, et construit un leadership industriel en Europe. Dans Clean Sky 2, ... Les objectifs de démonstration du Regional Aircraft IADP sont beaucoup plus complexes, complets et exigeants que ceux du projet GRA Clean Sky actuel, qui a été forcé de travailler dans des contraintes de budget et de temps. ... »

Le Joint Technical Programme de 2015 décrit le développement de l'Avion Régional pour inclure deux bancs d'essai volants et cinq grands démonstrateurs au sol intégrés. Ce dernier inclut le Démonstrateur Intégré Fuselage et Cabine Passagers à Échelle Réelle : « Le fuselage sera une démonstration à échelle réelle de technologies pour matériaux composites, structures et fabrication visant à [atteindre] la réduction de poids et de coûts et à minimiser l'impact environnemental par l'éco-conception et l'optimisation de la consommation d'énergie tout au long du cycle de vie (vers un impact zéro). »

Les partenaires du projet COFRARE 2020 incluent :

• Leonardo comme gestionnaire de sujet
• EURECAT
• DEMA
• Fabrication de composants et assemblages aéronautiques A. Abete (Nola/Marigliano, Italie).

« Dans COFRARE 2020, nous fabriquons des cadres de fuselage en utilisant le RTM (moulage par transfert de résine), qui seront intégrés dans le démonstrateur de fuselage », explique Lagraña. « Nous utilisons la technologie Ziplus de Shikibo (Osaka, Japon) qui produit des préformes bien adaptées pour l'injection de résine. » Shikibo Ltd. fait partie de Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, États-Unis), et offre une variété de technologies de préformage textile.

Un aspect intéressant de ce programme est l'utilisation de capteurs de Synthesites (Uccle, Belgique) pour la surveillance en temps réel de l'arrivée de résine, température, pression, Tg et durcissement. « Les capteurs sont situés dans des zones spécifiques de la pièce composite et de l'outil RTM pour optimiser la stratégie d'injection de résine », note Lagraña. L'injection est réalisée en utilisant un système hautement automatisé fourni par ISOJET (Corba, France), qui fait aussi partie de Composite Alliance Corp. Les capteurs Synthesites sont des capteurs diélectriques, mais contrairement à la plupart des analyses diélectriques (DEA), qui sont basées sur le courant alternatif (AC), Synthesites utilise le courant continu (DC). « Nos capteurs fonctionnent bien avec des matériaux à haute résistivité comme les résines et parce que nous appliquons une tension unique, nous n'avons pas à analyser de multiples fréquences, pourtant nous atteignons une haute précision, même à la fin du durcissement », explique le directeur de Synthesites, Dr. Nikos Pantelelis.

« Nous avons rencontré Synthesites à une conférence SAMPE en 2011 », se souvient Lagraña. « Ils parlaient de capteurs pour raccourcir le cycle de durcissement. Nous explorons comment automatiser les préformes pour les cadres de fuselage et même utiliser un traitement plus rapide avec HP-RTM (RTM haute pression), mais vous êtes encore à 3-4 heures de temps de processus. Cependant, avec Synthesites, nous avons réduit le cycle de durcissement de 50 pour cent en surveillant Tg. Nous testons maintenant les propriétés. Ces capteurs peuvent fonctionner à haute pression mais dans notre traitement RTM, nous utilisons seulement 8 bar de pression. »

Les capteurs diélectriques DC de Synthesites, le système de surveillance de flux de résine liquide OptiFlow et le système de surveillance de durcissement OptiMold ont été démontrés en production par divers fabricants de pales éoliennes. Ils sont aussi utilisés par Bombardier Aerospace (Belfast, Royaume-Uni) pour produire l'aile moulée par composite liquide pour le C-Series maintenant Airbus 220. Le Centre Aérospatial Allemand (DLR, Stade, Allemagne) a démontré une réduction du cycle de durcissement jusqu'à 50 % avec préimprégné autoclave et RTM, tandis que le Centre National des Composites (NCC, Bristol, Royaume-Uni) a démontré que même pour des résines hautement réactives, les calculs de Tg en temps réel faits à partir de mesures de température et résistivité de la résine par capteurs sont aussi précis que le Tg mesuré sur panneaux durcis par calorimétrie différentielle à balayage (DSC).

Assemblage des cadres avec attaches de cisaillement TPC

Une autre partie clé de COFRARE 2020 est une méthode de production à plus haut volume pour produire les centaines d'attaches de cisaillement et supports requis pour joindre les cadres C de fuselage RTM aux panneaux de fuselage composites. « Nous développons 255 géométries différentes pour supports en composite thermoplastique produits par moulage par compression », dit Lagraña. (Note, GKN Fokker a plusieurs projets Clean Sky 2 où il produira des supports TPC pour le Démonstrateur de Fuselage Multifonctionnel dans le Large Passenger Aircraft IADP ; ce travail dans COFRARE 2020 est pour des avions régionaux plus petits.) La méthode de base est montrée ci-dessous, en utilisant des outils en acier assortis et une presse chauffée. « Le coût de tels outils de moulage par compression n'est que de 2 000 euros, ce qui est très abordable comparé à l'outillage RTM », ajoute-t-il. « L'estampage atteint aussi des temps de cycle très courts. »

EURECAT est investi pour rester à l'avant-garde du développement technologique des composites, dit Lagraña. « Nous croyons que la pression pour un environnement propre augmentera dramatiquement l'utilisation des composites dans tous les transports, et que l'abordabilité et la performance iront ensemble. C'est pourquoi nous nous concentrons sur les technologies automatisées hors autoclave à offrir à nos clients. »

Restez à l'écoute pour mon prochain blog sur les projets Clean Sky 2 STUNNING et MECATESTERS, qui discuteront du développement de supports TPC soudés pour le Démonstrateur de Fuselage Multifonctionnel et une caractérisation complète de PAEK pour ce projet. Je bloguerai aussi sur Synthesites en plus de détail ainsi que plus de développements de CETMA en composites. 2020 va être une année très intéressante pour les composites !