Piloter la croissance rapide des composites thermoplastiques dans l'aérospatial

Les composites thermoplastiques renforcés fibres continues (TPC) ont été cités comme technologie habilitante pour l'avenir de l'aviation durable, offrant des taux de production accrus de pièces légères, à haute ténacité, qui peuvent être assemblées sans trous ni fixations dans des assemblages soudés économiques.

CW a publié une série d'articles en 2018 sur bandes TPC, consolidation in-situ et soudage et présenté deux webinaires en 2019 sur TPC en applications automobile et développements TPC pour l'aérospatial. La plupart de mes articles et présentations à ce jour référencent des fabricants de pièces TPC et fournisseurs d'équipements en Europe, ainsi que la division Automated Dynamics de Trelleborg aux États-Unis. J'ai aussi fait un tour de Tri-Mack Plastics basé aux États-Unis. Mais j'ai malheureusement négligé un autre fabricant de pièces TPC ici aux États-Unis qui a poussé tranquillement la technologie et l'enveloppe de production en avant depuis 15 ans. ATC Manufacturing – situé à Post Falls, Idaho juste à l'extérieur de Spokane, Washington – produit un million de pièces par an, tous composites thermoplastiques renforcés fibres continues et tous pour l'industrie aérospatiale. Ayant développé une expertise unique en formage rapide de pièces 3D, ATC est aussi un partenaire clé dans le programme de recherche RApid high-Performance Molding (RAPM) avec Boeing Co. (Chicago, Illinois, États-Unis) et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Virginie, États-Unis) pour le Département de la Défense (DoD) américain.

ATC Manufacturing produit un million de pièces composites thermoplastiques par an pour applications aérospatiales, incluant nervures, clips, supports et raidisseurs. SOURCE : ATC Manufacturing

Qui est ATC ?

ATC Manufacturing a été fondée en 2004 par l'ancien ingénieur Boeing Dan Jorgenson, qui reste co-président de l'entreprise. « Nous avons toujours eu un fort focus technique et ingénierie », dit David Leach, directeur développement commercial pour ATC Manufacturing. L'entreprise a aussi une longue histoire avec Boeing, reconnue comme fournisseur niveau Silver pendant cinq années consécutives et nominée Fournisseur de l'Année Boeing en 2016 et 2017. « Nous avons été principalement une entreprise build-to-print, commençant par clips, supports et petites pièces estampées », dit Leach. « Mais ces dernières années, nous avons progressé vers des assemblages plus complexes, ainsi que des pièces bien plus épaisses, grandes – jusqu'à 60 pouces de longueur – et pièces visées pour structures primaires. » Ces dernières incluent des composants d'extrémité d'aile structurels, poutres longues avec plans de plis sur mesure dans une variété de sections transversales ainsi que structures de fuselage et d'empennage.

L'entreprise a 150 employés avec plus de 20 ingénieurs. Sa fabrication est concentrée dans une unique installation de 67 000 pieds carrés, construite sur mesure en 2015 et conçue pour un flux de travail optimisé avec place pour expansion. (Note, 52 500 pieds carrés d'espace sont déjà pré-planifiés pour croissance future.) « Tout est sous un même toit », note Leach, « ce qui simplifie les opérations. » Cela inclut neuf presses de formage-estampage avec capacités allant de 30 à 150 tonnes et surfaces de plateau jusqu'à 60 pouces par 30 pouces. « Nous installons une presse 200 tonnes additionnelle qui sera pleinement opérationnelle d'ici fin 2019 », ajoute-t-il. ATC a 10 stations d'usinage CNC capables de gérer des pièces jusqu'à 12 pieds de longueur et découpe jet d'eau pour pièces jusqu'à 30 pieds de longueur.

ATC Manufacturing opère 9 presses de formage-estampage, incluant la presse 80 tonnes montrée ici, avec capacités jusqu'à 150 tonnes et surfaces de plateau jusqu'à 60 x 30 pouces. SOURCE : ATC Manufacturing

L'inspection non destructive (IND) est aussi intégrée dans les opérations et le design de flux de travail de l'installation, incluant cinq systèmes de cuve C-scan fournissant tests écho-impulsion et transmission traversante pour pièces jusqu'à 30 pieds de longueur. Autre expertise interne inclut toute la préparation de surface et peinture. « Nous avons développé une préparation de surface très efficace pour composites thermoplastiques, qui peuvent être difficiles à peindre et coller », dit Leach, notant qu'ATC a aussi travaillé sur le traitement plasma de pièces TPC. L'entreprise peint 200 000 pièces/an et scelle les bords de 70 000 pièces annuellement.

« Nous avons aussi investi massivement dans la recherche, comme le programme RAPM pour DARPA, et nous sommes membres du ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Enschede, Pays-Bas) », continue-t-il. ATC participe à la conférence du 10e anniversaire du TPRC intitulée « Future of Thermoplastic Composites » qui se tiendra le 8 octobre à l'Université de Twente aux Pays-Bas. « Corbin Chamberlain, vice-président ATC sera sur une session panel et nous démontrerons aussi des pièces structurelles aérospatiales que nous avons fabriquées lors d'une exposition tenue en conjonction avec la conférence », dit Leach.

Canaux composites thermoplastiques peints avec raccords installés. SOURCE : ATC Manufacturing

Des tissus aux bandes UD, formage et temps de cycle rapides

Bien que la fabrication de supports et clips TPC par ATC ait commencé avec renforts tissus, ils ont maintenant migré vers l'utilisation de bandes unidirectionnelles (UD). « Nous avons alors évolué vers des pièces structurelles plus grandes parce que nous avions déjà développé une bonne expérience sur comment former des pièces 3D avec bande UD », explique Leach. « Ces pièces, qui varient en épaisseur de 1-2 millimètres à 6,5 millimètres, doivent s'accoupler à d'autres structures. Nous devons rencontrer des tolérances dimensionnelles serrées pour surfaces de joint, par exemple ± 0,010 pouce (0,25 millimètre) tolérance de profil et ± 0,5 degrés tolérance angulaire. »

L'entreprise a alors commencé à développer de longs profils TPC. « Nous faisons notre propre stock de laminé plat en utilisant le moulage par compression continu (CCM) », dit Leach. « Nous avons deux machines CCM pour laminés plats et une qui forme des préimprégnés TPC en un profil 3D continu, produisant des canaux jusqu'à 75 pieds de longueur. »

Profil composite thermoplastique en cours de formage utilisant le moulage par compression continu (CCM). SOURCE : ATC Manufacturing

Quand on lui demande les défis dans le formage de profils et formes 3D, le directeur R&D ingénierie d'ATC Manufacturing, Trevor McCrea, explique qu'avec les tissus, « le tissage lui-même contrôle beaucoup de la déformation qui se passe. Avec UD, il y a des dynamiques différentes. Par exemple, à 90° du rayon veut s'amincir ou s'épaissir, mais vous ne pouvez pas avoir ça dans une pièce structurelle. Ces problèmes empirent avec formes plus complexes. Vous avez aussi plus de défi dans comment gérer le processus en formage. »

Gérer le processus ? « Pour nous, c'est très différent du formage en thermodurcissables car nous n'avons que 2 secondes pour former », dit McCrea. « Vous pouvez couvrir beaucoup de péchés dans un cycle autoclave », ajoute-t-il. « Mais nous utilisons des processus de formage et estampage très rapides sans cette marge. Nous devons aussi gérer la cristallinité. » C'est parce que les structures aéronautiques fortement sollicitées utilisent des polymères de matrice thermoplastique semi-cristallins – tels que polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) et polyaryléthercétone bas point de fusion (LM PAEK) – qui dérivent leurs propriétés mécaniques notables et résistance chimique de la structure cristalline qui se développe en refroidissant. « Vous pouvez cristalliser isothermiquement, ce qui n'est pas trop difficile pour plaques plates mais devient beaucoup plus difficile avec formes 3D », dit McCrea. « Les matériaux doivent être suffisamment chauffés pour former [note températures de fusion pour ces matériaux sont entre 300-400 °C] mais ensuite refroidis assez rapidement pour démoulage à chaud afin d'éviter le cyclage thermique des outils tout en gérant forme, tolérance, cristallinité et finition de surface. »

Une des raisons pour lesquelles les pièces TPC ont grandi ces dernières années est leur capacité à offrir des temps de cycle vraiment rapides. « Nous avons fait des nervures pour démonstrateurs avion militaire avec un temps de cycle de 5 minutes, et notre temps de cycle moyen est d'environ 10 minutes », note Leach. « Nous pouvons permettre les taux de production élevés actuellement recherchés par les OEM avion. » Ce temps de cycle moyen très rapide résulte en fait en un mélange de pièces constamment changeant. « Nous aimerions juste produire une pièce pendant des mois, mais notre capacité de taux dépasse celle de la fabrication avion », dit McCrea. « Donc, nous cyclons toujours à travers diverses pièces. » La plupart de la fabrication d'ATC est sur un shift par jour, 5 jours par semaine. « Nous avons beaucoup de capacité pour rencontrer une production accrue », note Leach.

Sangles structurelles composites thermoplastiques et profil peint. SOURCE : ATC Manufacturing

Vision pour l'avenir

ATC offre une valeur significative via sa décennie plus d'expérience de production TPC. « Nous aidons fréquemment nos clients à designer des pièces pour la fabrication », dit Leach. « Nous convertissons souvent des pièces de composite thermodurcissable, par exemple, un raccord de structure primaire de fuselage qui est produit pour maintenir l'épaisseur originale. Mais ça pourrait être une pièce bien plus légère si elle était originellement conçue pour TPC. » Pourquoi ? « Parce que ces matériaux de matrice TP semi-cristallins sont plus haute performance », explique-t-il. « Vous n'avez pas à designer pour microfissuration et tolérance aux dommages comme vous le feriez avec une matrice thermodurcissable, et il y a aussi beaucoup moins de knockdown chaud/humide. En fait, il n'y a pas de knockdown humide du tout dans PEEK, PEKK ou PAEK. Il n'y a pas non plus de knockdown chaud à moins que vous soyez proche du Tg, qui est typiquement ≈150 °C. Pour le test standard de compression à trou ouvert (OHC) pour tolérance aux dommages, par exemple, où vous évaluez la résistance en transitionnant l'échantillon de RT à 120 °C, il y a à peine du knockdown. »

« Nous pourrons designer des pièces plus minces et aussi éliminer beaucoup de l'aluminium et du titane qui sont dans les designs de première génération actuels pour composites [tels que Boeing 787 et Airbus A350 gros-porteurs] », ajoute McCrea. « Nous continuons à faire avancer le formage de ces matériaux et cela continuera d'ouvrir de nouvelles applications. »

Leach croit que cela aura un impact significatif sur les futures applications aéronautiques. « Nous regardons en fait des pièces maintenant que vous ne pouvez simplement pas produire en utilisant des thermodurcissables à cause des propriétés et taux de production demandés. »

Pour plus d'informations, ATC Manufacturing présentera le papier technique « Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures » par les auteurs Corbin Chamberlain, David Leach et Trevor McCrea au CAMX 2019 dans la session Thermoplastic Materials and Applications, mercredi 25 septembre à 16h00 en salle 210C.

Il a aussi présenté un papier conjoint avec Boeing en session fermée au SAMPE 2019 (4-7 mai, Charlotte, NC, États-Unis) intitulé : « Rapid High Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts ». Voir mon blog : https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications