Faire progresser les aérostructures thermoplastiques : nouvelles percées de fabrication

Les caractéristiques avantageuses des composites thermoplastiques, telles que la ténacité, une résistance hors-plan comparativement élevée et la durabilité/recyclabilité, ont attiré les ingénieurs de conception aéronautique vers l'idée de structures primaires en composites thermoplastiques depuis des décennies. Mais les ingénieurs de fabrication aéronautique ont été incertains quant à trouver un moyen rentable de les faire passer de la simulation CAO au sol de production. Ils ne sont toutefois pas découragés : les efforts pour développer les technologies de fabrication nécessaires ont continué à travers le monde — peut-être nulle part avec autant de ténacité qu'aux Pays-Bas.

Longerons en L intégraux. Le fuselage en carbone/PEKK de GKN Fokker, conçu et construit pour Gulfstream, incorpore des longerons longitudinaux en L courbes avec un angle légèrement obtus pour permettre le démoulage. Photo CW | Jeff Sloan

En 2009, neuf entreprises industrielles néerlandaises et instituts de recherche, ensemble avec Airbus (Toulouse, France), ont formé le consortium Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS). L'initiative s'est étendue à 12 partenaires en 2014 et s'est poursuivie sous le nom TAPAS2. Ciblant des applications développées par Airbus sous TAPAS2, GKN Fokker (Hoogeveen, Pays-Bas) a récemment développé un démonstrateur de fuselage utilisant ce qu'il appelle une « technologie orthogrille à joints bout à bout » qui permet la production rentable d'un design de fuselage en composite thermoplastique.

Le plein bénéfice d'une structure primaire d'avion en composite thermoplastique — bien qu'encore à plusieurs années — peut maintenant être entrevu alors que Gulfstream Aerospace (Savannah, Géorgie, États-Unis) s'est associé à GKN Fokker pour faire progresser sa technologie de fuselage TAPAS2, ouvrant la voie à une application possible des matériaux et procédés à un fuselage complet. L'histoire derrière le nouveau panneau de fuselage développé (qui a été exposé au JEC World plus tôt cette année) est celle d'avancées dans les méthodes de conception et de fabrication, et plus loin encore, dans une approche d'ingénierie conception-fabrication plus pleinement intégrée.

« Traditionnellement », explique l'ingénieur en chef de GKN Fokker, Andries Buitenhuis, « qu'ils utilisaient des tissus ou des rubans unidirectionnels, les concepteurs restaient mostly sur des couches conventionnelles d'orientations 0, 90 et 45 degrés. Ils travaillaient depuis leurs tables de stratification, indépendamment des autres disciplines. » La nouvelle approche est une plateforme logicielle intégrée et numérisée de conception-fabrication (développée via TAPAS) dans laquelle les ingénieurs de diverses disciplines regardent tous le même modèle numérique et ont la capacité de conceptualiser des designs de pièces plus complexes. « Cela ouvre un tout nouveau monde de possibilités d'optimisation sans précédent », continue Buitenhuis. « Sur des formes complexes, les directions des fibres peuvent être partout. Nous pouvons construire des stratifiés non conventionnels et porter un regard neuf sur les allowables de conception, les gaps et chevauchements de fabrication, les rayons... Et vous pouvez optimiser la résistance de la structure localement. » Ces options de conception élargies exploitent plus pleinement la capacité de guidage de fibres des machines de placement automatisé de fibres (AFP), et les avancées dans d'autres capacités de fabrication discutées ci-dessous.

La liberté de conception offerte par ce système numérique intégré s'est avérée indispensable à la conception et fabrication de panneaux de jets d'affaires. Dans les designs de fuselage TAPAS2, le panneau en carbone/polyéthercétonecétone (PEKK) (fabriqué avec l'APC PEKK-FC de Solvay) présente un joint cadre-peau soudé, sans fixateurs, qui est un contributeur essentiel à la rentabilité du design. « Nous prévoyons d'atteindre la parité de coûts avec les coques de fuselage en aluminium », explique Arnt Offringa, responsable technologie composites thermoplastiques chez GKN Fokker, « et c'est parce que les coques en aluminium sont rivetées. » L'élimination des fixateurs mécaniques devrait générer une réduction de 20 % des coûts et de 10 % du poids dans les structures primaires d'avion par rapport aux solutions composites conventionnelles. Bien sûr, une grande partie des économies de coûts et de poids vient de l'élimination des fixateurs eux-mêmes, ainsi que des coûts de main-d'œuvre pour les installer. D'une grande importance également est l'élimination des trous dans les composants composites pour accommoder les fixateurs — trous qui nécessitent un renfort additionnel et donc du poids additionnel.

GKN Fokker a atteint le niveau de maturité technologique (TRL) 3 (preuve de concept) avec Airbus pour un fuselage pressurisé, démontrant la parité de coûts avec des panneaux de fuselage en aluminium, sous TAPAS2 en décembre 2017. Tout au long du chemin, l'équipe de GKN Fokker a élargi sa vision pour cette technologie de fuselage thermoplastique, des avions de ligne commerciaux aux applications de jets d'affaires.

L'intérêt de Gulfstream

L'historique de travaux réussis de GKN Fokker pour Gulfstream sur des composants composites thermoplastiques a rendu un partenariat avec le fabricant de jets d'affaires une étape logique. « Il est largement connu que Gulfstream fait voler des pièces composites thermoplastiques depuis des années », dit Mark Chapman, responsable de l'initiative Structures et Matériaux Avancés (ASMI) de Gulfstream. Il ajoute que le projet de panneau de fuselage « est une progression naturelle depuis ce que nous faisons, en partant de pièces plus simples et en allant vers des pièces structurelles primaires. » GKN Fokker a collaboré avec Gulfstream dans le développement de nombreux composants secondaires composites thermoplastiques, incluant gouvernes de direction et de profondeur ainsi que panneaux de plancher sur le G650.

En 2015, Offringa et Buitenhuis ont présenté les développements du projet TAPAS2 à Gulfstream, et Chapman et son équipe ont reconnu le potentiel pour récolter les bénéfices des résultats de TAPAS2. « Nous avons vu le potentiel de réduction de poids, meilleure résistance à l'impact et ténacité, et performance améliorée », se souvient Chapman. Le design sans fixateurs est aussi attrayant. « La technologie de soudage nous permettrait d'assembler le fuselage plus efficacement » qu'un assemblage par fixation mécanique, dit Chapman.

Le partenariat avec GKN Fokker soutient la recherche et le développement par Gulfstream de formes de fuselage plus complexes qui ne seraient pas économiquement faisables à produire avec des structures métalliques. « On ne peut étirer le métal que jusqu'à un certain point », note Chapman. « Les épissures et structures de support nécessaires pour des formes complexes ne sont pas très efficaces. » Offringa est d'accord : « De telles géométries complexes sont difficiles à fabriquer avec les technologies conventionnelles. »

Réunir conception et fabrication

Pour atteindre un design sans fixateurs et producible, l'approche de GKN Fokker se concentre sur la résistance aux deux forces clés auxquelles les joints de fuselage sont soumis : la pression de cabine et les impacts comme la chute d'outils. La pression de cabine place une force radiale sur le fuselage, créant de fortes charges dans le joint cadre-peau. Dans les designs conventionnels, les cadres de fuselage incluent des « trous de souris » à travers lesquels passent les longerons longitudinaux. Sous la force de la pression de cabine, ces trous de souris servent de discontinuités soumises à de fortes forces de pelage — une préoccupation majeure pour un design sans fixateurs, étant donné la faible résistance hors-plan des composites comparée aux métaux. Les impacts génèrent aussi de fortes charges dans le joint cadre-peau car le cadre ne fléchit pas sous l'impact.

Double courbure. Le panneau de fuselage composite thermoplastique accommode la géométrie complexe d'un fuselage arrière de jet d'affaires Gulfstream avec stratification AFP à guidage de fibres de la peau et co-consolidation de l'orthogrille. Notez les longerons lames circonférentiels, qui sont ensuite soudés au cadre. Source | GKN Fokker

L'équipe GKN Fokker/Gulfstream savait qu'il était impossible de relever les défis créés par une courbure complexe ni avec du métal, ni avec les approches conventionnelles de conception-fabrication composite. En particulier, Buitenhuis souligne : « Un design de fuselage complexe ne serait pas possible sans guidage de fibres. » Cette capacité des machines AFP a libéré les concepteurs pour optimiser l'orientation des fibres localement basée sur la forme complexe de la coque, et pour diverger des options standard d'orientation de fibres 0/45/90. « Le guidage de fibres pour les formes et l'optimisation du poids est l'une des avancées les plus significatives de ce projet », croit Chapman.

GKN Fokker a fabriqué la peau du panneau de fuselage sur une machine AFP ultrasonique que l'entreprise a développée pour le dépôt rapide de rubans thermoplastiques. Le ruban est unidirectionnel, ce qui améliore aussi la performance du stratifié comparé aux rubans tissés.

En gérant avec succès les fortes charges créées par la pression de cabine et les forces d'impact, ainsi que d'autres exigences de performance, le nouveau concept développé sous TAPAS et TAPAS2, et qui est maintenant employé dans le panneau Gulfstream, est ce qui est décrit comme une « peau raide orthogonale à joint bout à bout avec cadres soudés. » Décomposer cette description met en lumière trois caractéristiques clés de conception et les développements de fabrication nécessaires pour les implémenter : (1) l'orthogrille, (2) le joint bout à bout et (3) la technologie de soudage.

Orthogrille

Les exigences de résistance du panneau sont satisfaites en partie par un raidissement par grille orthogonale entièrement interconnectée. Cette orthogrille élimine les charges de pointe associées aux trous de souris, débarrassant le design des points où les forces de pelage sont amplifiées. L'orthogrille consiste en longerons longitudinaux continus et cadres comprenant deux composants distincts : des longerons lames circonférentiels discontinus mais connectés et cadres soudés par-dessus ceux-ci.

Joint bout à bout rentable. GKN Fokker a innové et breveté un joint bout à bout qui permet l'assemblage orthogrille et orthogrille-peau en utilisant des éléments injectés à fibres courtes rentables et des stratifiés plats à fibres continues pour l'âme et le panne du longeron (ici un longeron en T ; le panneau Gulfstream incorpore des longerons en L avec la même technique). Source | GKN Fokker

Ainsi, cela représente une nouvelle génération dans le design de raidisseurs de fuselage qui a évolué pendant des années de développement de l'orthogrille. Initialement, GKN Fokker utilisait des longerons en T dans lesquels les panneaux des longerons longitudinaux et circonférentiels étaient continus et se chevauchaient aux coins. L'assemblage avec le cadre nécessitait cependant le retrait du panneau circonférentiel. Ainsi, les longerons en T sont devenus des longerons en L et les cadres sont devenus des longerons lames circonférentiels avec les cadres ensuite soudés à eux.

Une autre modification est requise car les longerons courbés utilisés à la fois longitudinalement et circonférentiellement rendent le démoulage beaucoup plus difficile. Ainsi, les longerons en L sont conçus avec un angle panne-âme de plus de 90 degrés, de sorte que les pièces d'outillage puissent toujours glisser latéralement hors de la grille de longerons.

Joints bout à bout

GKN Fokker a développé non seulement le design d'orthogrille, mais aussi une nouvelle approche de fabrication pour la grille ainsi que le mécanisme d'assemblage grille-peau. « La grille peut être prohibitivement coûteuse à fabriquer », note Offringa, « mais notre grille est construite de stratifiés plats et de simples « remplissages » injectés. »

Plus spécifiquement, GKN Fokker a appliqué sa technologie de joint bout à bout brevetée au panneau Gulfstream (aussi aux panneaux TAPAS précédents). L'âme et le panne des composants de longeron en T ou L, ainsi que les composants de longeron lame, sont fabriqués à partir de préformes découpées au jet d'eau à partir d'un stratifié plat carbone/PEKK. Les éléments d'assemblage (peau à âme et âme à panne) sont des remplissages en forme de pi injectés, faits d'un matériau carbone/PEKK à fibres courtes. La résine et le type de fibre de carbone correspondent à ceux des membres de la grille.

La peau et l'orthogrille sont co-consolidées dans un outil de ligne de moule intérieure (IML) en Invar. L'outil comporte des rainures dans lesquelles les composants de l'orthogrille et les blocs d'outillage sont chargés. La peau formée par AFP est ensuite placée sur l'IML, et l'ensemble de l'assemblage est mis sous vide et consolidé en autoclave.

Soudage

Soudage automatisé. Contribuant à la faisabilité économique du panneau de fuselage composite thermoplastique, GKN Fokker a développé et employé une technique de soudage robotique. Source | GKN Fokker

La combinaison du design d'orthogrille et de joint bout à bout permet l'assemblage sans fixateurs de l'orthogrille et du cadre via soudage. Plusieurs technologies de soudage ont été développées par les membres de l'équipe TAPAS pendant la phase TAPAS2, incluant l'induction, la conduction et le soudage ultrasonique. Le panneau Gulfstream a employé le soudage par conduction pour assembler l'âme du cadre au longeron lame circonférentiel. Cette tâche est effectuée avec la tête de soudage montée sur un robot — un autre développement qui contribue à la fabricabilité rentable.

Une étape parmi plusieurs

GKN Fokker a commencé sa collaboration avec Gulfstream en 2017, créant des concepts de design pour le panneau de fuselage. La conception et la fabrication de plusieurs panneaux courbes ont suivi en 2018 et 2019, avec le premier panneau démonstrateur exposé au JEC World de cette année.

Composant terminé. Avec les éléments de cadre soudés aux longerons lames circonférentiels, le panneau de fuselage Gulfstream est prêt pour les tests, l'évaluation et le développement continu alors que les entreprises travaillent vers des fuselages composites thermoplastiques de production. Source | GKN Fokker

GKN Fokker continue de construire des panneaux et s'attend à atteindre le TRL4 (validation de composant) plus tard cette année. « Nous discutons actuellement de la voie vers la maturité complète », rapporte Offringa. Soulignant que le design du panneau ne cible pas une plateforme particulière, Chapman rapporte que les tests de panneau aideront à approfondir la compréhension de Gulfstream des propriétés et performances des matériaux. Concernant le cas d'affaires plus large pour les structures primaires composites thermoplastiques, incluant la performance du jet, le coût de fabrication, le coût d'utilisation et la durabilité, Chapman remarque : « Nous aurons une meilleure compréhension de ceux-ci à mesure que nous avancerons sur la route de la recherche et développement. Pour l'instant, notre focus est sur la fabrication rentable de ces formes complexes. »