Les thermoplastiques génèrent des économies de poids significatives dans l'aviation moderne

Le support de bac de rangement avion développé par Victrex, Tri-Mack et Safran Cabin intègre deux inserts carbone/PAEK surmoulés avec une résine PEEK. Le résultat fut 50 % de réduction de masse, 20 % de réduction de coût et amélioration substantielle du ratio buy-to-fly. Source : Victrex

Quand il s'agit de conversion de structures aéronautiques métalliques vers des composites thermodurcissables, la plupart des fruits faciles à cueillir – aile, fuselage et structures de queue – ont été cueillis. Dans les avions de nouvelle génération, les composites thermoplastiques joueront sûrement un rôle majeur dans les grandes structures aussi. En attendant, cependant, il y a des opportunités de conversion disponibles aujourd'hui pour les thermoplastiques.

Une telle pièce est un type rarement vu, mais hautement important : les supports porteurs intérieurs. Ce sont les supports (actuellement aluminium, acier inoxydable et titane) qui attachent cloisons, toilettes, galeries et bacs de rangement bagages au plancher et fuselage d'un avion. Ces supports viennent dans une variété de formes et tailles, selon ce qui est attaché. Par eux-mêmes, ces supports ne pèsent pas très lourd. Mais, parce que chaque avion consomme des centaines de supports, le poids total est substantiel.

Le spécialiste d'intérieurs aéronautiques Safran Cabin (Huntington Beach, Californie, États-Unis) a reconnu cela et s'est récemment tourné vers le spécialiste composites thermoplastiques Victrex (Thornton Cleveleys, Royaume-Uni) et le fabricant Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, Rhode Island, États-Unis) pour convertir un support de bac de rangement cabine en aluminium vers un nouveau design fait avec de la bande unidirectionnelle (UD) VICTREX AE 250 carbone/polyaryléthercétone (PAEK) surmoulée avec du polymère VICTREX PEEK (polyetheretherketone) 150CA30.

Le support présente une base rectangulaire avec deux inserts verticaux saillants du centre de la base. La base a un trou moulé à chaque coin pour accommoder les fixations ; chaque insert a aussi un trou près de son sommet, pour accommoder goupilles d'attache et autre quincaillerie. L'insert est fait avec le matériau carbone/PAEK ; la base est surmoulée avec la résine PEEK.

Victrex et Tri-Mack, travaillant avec Safran Cabin, ont fourni les matériaux, l'optimisation de design de pièce, l'expertise traitement et outillage requise pour réaliser les caractéristiques de design et répondre aux paramètres de performance clés. Safran Cabin a fourni l'expertise en design et fabrication pour assurer l'applicabilité en environnement de service et de certification aérospatiale.

Tim Herr, directeur Aérospatial chez Victrex, dit que les inserts sont fabriqués avec une machine Dieffenbacher (Windsor, Ontario, Canada) Fiberforge, qui dépose des bandes UD carbone/PAEK pour construire un laminé. Ce laminé est consolidé par pressage, tronqué aux bords et puis découpé au jet d'eau pour faire les inserts. Pendant la découpe jet d'eau, chaque insert est évidé à sa base pour créer une surface d'interverrouillage mécanique pendant le surmoulage.

Les inserts sont ensuite placés dans un outil, suivi par le surmoulage par injection du PEEK. « Quand nous surmoulons », dit Herr, « nous créons un lien très fort entre l'insert composite PAEK et le matériau PEEK moulé par injection. » La clé pour cet activateur, dit Herr, est la combinaison unique de PAEK et PEEK. Le PAEK, note-t-il, a une température de processus d'environ 40 °C de moins que celle du PEEK. Ce delta de température facilite un lien intime et durable entre les deux parties. « Sans l'invention du PAEK », argue Herr, « le surmoulage hybride de ce type aurait été impossible. »

Cette combinaison design/procédé a requis simulation extensive, analyse, prototypage et tests physiques, à travers lesquels Victrex a identifié plusieurs défauts de design et procédé, incluant déformation d'insert, hésitations d'écoulement résine, défaillance liaison/interface et vides. Cela a renvoyé les concepteurs à la planche à dessin pour optimiser le design, et les ingénieurs fabrication à la machine de moulage par injection pour faire l'optimisation du procédé. La combinaison design/procédé finale a surmonté ces défis et prouvé la viabilité d'un support surmoulé composite thermoplastique.

Les prototypes initiaux de supports ont été produits chez Tri-Mack. Comparé à la pièce aluminium originale, le prototype composite a atteint 20 % d'économie de coût, 50 % d'économie de poids et un ratio buy-to-fly 5x meilleur.

« Nous devons répondre à de nombreuses demandes pour supports d'avion et pièces structurelles similaires, chaque cas ayant de nombreuses conditions de charge, contrainte et exposition », dit Tyler Smithson, ingénieur R&T chez Safran Cabin. « La clé du succès est de développer une plateforme composite flexible qui peut être utilisée pour plusieurs projets, réduisant notre nombre de pièces et complexité de design, coupant le time-to-market, accélérant le time-to-revenue. »

Victrex dit que le procédé de surmoulage hybride est une technologie scalable, répétable qui a le potentiel d'aider les clients aérospatiaux commerciaux à réduire les taux de rebut, accélérer les temps de cycle, booster la consolidation de pièces et réduire les opérations secondaires.

Résultats de tests suivant la deuxième itération de design du support montraient une amélioration substantielle des limites de charge et conditions de défaillance. Source : Victrex

« Chez Victrex, nous sommes fiers de notre bilan dans l'introduction d'approches technologiques « disruptives » dans les secteurs que nous servons, en utilisant notre savoir-faire dans le traitement et la performance des matériaux PAEK pour accélérer le processus de commercialisation », commente Herr. « Le surmoulage hybride et les composites VICTREX AE 250 sont certainement dans cette catégorie mais ce n'est que le début. Nous continuons de tester notre offre composites, avec le support de nos clients et partenaires afin de démontrer le plein potentiel de ces matériaux. »

Actuellement le support est programmé pour tests finaux et qualification des pièces de production. « L'objectif, est de mettre le support composite en service plus tard en 2019. Nous avons fait tout ce que nous pouvions pour démontrer que ce support peut performer », dit Herr.

Frank Ferfecki de Victrex, Tyler Smithson de Safran et Chris Bjerregaard de Tri-Mack donnent une présentation sur le développement du support hybride Safran au CAMX 2019 au Anaheim Convention Center (Anaheim, Californie, États-Unis) le mardi 24 septembre, 14h30, salle 201D.