Révolutionner le placement automatisé de fibres pour les avions de nouvelle génération

Si le placement automatisé de fibres (AFP) et le dépôt automatisé de rubans (ATL) étaient les procédés de fabrication qui ont permis l'application généralisée des composites dans le Boeing 787 et l'Airbus A350, ce sera aussi l'AFP/ATL qui ouvrira la voie pour la prochaine génération d'avions commerciaux, maintenant sur les tables à dessin. La différence cette fois-ci ? Le cadence.

Boeing estime qu'à l'horizon 2037, le monde aura besoin de plus de 31 000 nouveaux avions monocouloirs pour répondre à la demande des passagers. Airbus prévoit un besoin de plus de 28 000 avions monocouloirs d'ici 2037. Les deux entreprises envisagent des remplacements de leurs piliers monocouloirs — le 737 (Boeing) et l'A320 (Airbus). Les deux devraient employer significativement les composites sur tout nouvel avion qu'elles développeront. Les deux disent à leurs chaînes d'approvisionnement de s'attendre à des cadences de production pour ces avions de 60 à 100 avions par mois, avec l'accent sur 100. La catégorie monocouloir, pour les deux entreprises, représente environ les deux tiers de la demande mondiale totale, ce qui signifie que l'environnement de fabrication développé pour les avions monocouloirs deviendra l'environnement de fabrication par défaut pour les aérocomposites pour le futur prévisible.

Tout cela signifie que la technologie d'automatisation doit être développée maintenant si elle veut suivre les exigences de qualité et de cadence de production des avions de nouvelle génération. Rien de tout cela n'échappe à l'ingénieur senior d'Electroimpact (EI, Mukilteo, Washington, États-Unis), Todd Rudberg. Rudberg et EI sont entrés dans le monde des composites en 2004 quand l'entreprise a développé la technologie AFP pour la fabrication de la section 41 du fuselage avant du 787 fabriquée par Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, États-Unis). EI a ensuite produit des systèmes AFP et ATL pour la fabrication d'autres structures du 787, structures de l'A350, structures de moteurs et, plus récemment, les longerons d'aile du Boeing 777X. Maintenant, Rudberg regarde l'avenir de la fabrication des avions de nouvelle génération et voit des opportunités pour l'AFP de s'améliorer. Substantiellement.

Les opportunités, dit Rudberg, sont évidentes quand on regarde les données. En fait, EI a développé plusieurs métriques pour aider l'entreprise à comprendre ce que ses machines font bien, et ce qu'elles peuvent améliorer. Premièrement, en examinant le paysage AFP 2019, Rudberg voit de multiples menaces pour la technologie AFP actuelle, incluant l'ATL, la stratification manuelle, les charges plates de tissus tissés et, bien sûr, l'aluminium.

Les métriques AFP développées par Rudberg proviennent d'un projet de démonstrateur de production complète (FPD) pour lequel EI a conduit quatre pré-productions. Les données de l'une de ces constructions, faite en février 2019 avec la technologie AFP « standard » d'EI, ont révélé un défi substantiel d'utilisation de la machine, le temps d'utilisation de la machine se répartissant en sept catégories :

• Projection laser : 30 %
• Exécution (Run) : 27 %
• Inspection : 22 %
• Pause : 10 %
• Arrêt induit par l'opérateur : 6 %
• Récupération d'erreur : 3 %
• Image : 2 %

Vu autrement, avec la technologie actuelle, il y a une seule opération à valeur ajoutée en AFP (exécution), tout le reste étant considéré comme opérations sans valeur ajoutée. Ainsi le ratio valeur/non-valeur est de 1:3. « L'industrie veut vraiment du 3:1, et moi aussi », dit Rudberg, « et j'aimerais y arriver avant de prendre ma retraite. » L'objectif, simplement, est de réduire le temps consommé par les opérations sans valeur ajoutée.

Il y a aussi une métrique AFP globale qui a besoin d'explication : le nombre moyen de bandes avant défaillance (MSBF - mean strips before failure). C'est le nombre moyen de brins de fibres placés entre les défaillances de placement. Plus ce nombre est grand, bien sûr, plus la machine et le processus sont fiables. La construction FPD de février, dit Rudberg, avait un MSBF de 5 365.

Les objectifs

En regardant de plus près l'opération AFP, dit Rudberg, EI a un contrôle direct sur seulement trois opérations : exécution, récupération d'erreur et inspection. Et c'est là que l'entreprise concentre ses efforts. Cela dit, Rudberg souligne que l'avionneur a aussi un rôle à jouer, particulièrement dans la réduction des inspections qualité, pauses et arrêts induits par l'opérateur. « Nous devons réaliser que les temps d'exécution sont devenus vraiment bas car les machines sont très rapides », dit-il, « et tout ce qui est sans valeur ajoutée a un impact massif sur votre utilisation. Il s'avère que c'est un sport d'équipe. Pas seulement l'OEM — moi — doit faire mieux, l'avionneur a aussi sa part de responsabilité. »

Pour la fabrication des avions de nouvelle génération, Rudberg veut augmenter le MSBF à >20 000, booster le temps d'exécution à 77 % et éliminer complètement la projection laser, l'arrêt induit par l'opérateur et l'imagerie. Comment ? Rudberg identifie trois domaines technologiques qui peuvent faciliter cette transition : crémaillères à entraînement servo, inspection en processus à 100 % et gestion de données, ou EI 4.0.

Les trois ont été évalués par EI dans une série de constructions récentes du projet FPD après cette construction initiale de février. Les données du projet FPD lui-même prouvent qu'EI va dans la bonne direction. Rudberg dit que le système AFP utilisé — appelé MuSCLE — a atteint 1 500 ch de puissance de pointe, accélération/décélération de 0,5G, taux de dépôt de 4 000 pouces/minute, temps de rotation de tête de 1 seconde, vitesse de coin de longeron de 120 degrés/seconde et 6 000 MSBF (atteint en production).

La conversion vers des crémaillères à moteur servo, et l'abandon des crémaillères servo-pneumatiques, dit Rudberg, a été faite pour augmenter la vitesse de placement des brins, la précision de placement, le contrôle de tension des brins et la fiabilité globale de la construction. L'entreprise a passé les deux dernières années à travailler sur un entraînement servo compact qui peut être installé sur la tête modulaire d'EI. Les résultats de la technologie, jusqu'à présent, sont prometteurs ; les tests montrent : 15 000 MSBF, vitesse d'ajout 87 % plus rapide, vitesse de coupe 36 % plus rapide, meilleure précision de placement en bout. De plus, EI a prouvé que le système de crémaillère à moteur servo pouvait être utilisé pour placer des fibres de carbone sèches.

La clé pour l'inspection est la partie « en processus ». EI a déjà une technologie d'inspection, développée avec Aligned Vision (Chelmsford, Massachusetts, États-Unis) et déployée sur la ligne de fabrication d'ailes du 777X, qui utilise la technologie laser et vision pour vérifier les chevauchements, espaces, plis, erreurs de placement en bout et débris d'objets étrangers (FOD). Ce système, cependant, existe indépendamment du système AFP et nécessite un champ de vision dégagé pour opérer — ce qui signifie que la tête AFP doit être déplacée. Rudberg et EI ont développé un nouveau système d'inspection, appelé RIPIT, qui est intégré à la tête AFP et inspecte le placement de fibres dès qu'il se produit.

Alors que Boeing et Airbus envisagent des procédés de fabrication composites hors autoclave, la capacité des systèmes AFP à placer efficacement des fibres de carbone sèches sera critique. Ce démonstrateur de longeron montre des fibres sèches placées par un système Electroimpact. Source | Electroimpact

EI ne divulguera pas la nature de la technologie derrière RIPIT sauf pour dire qu'elle n'est ni basée sur laser ni sur vision. En tout cas, Rudberg dit que les tests du système révèlent qu'il est capable de détecter, en temps réel, le glissement de brin à ±0,76 mm, le placement d'ajout à ±1,27 mm et le placement de coupe à ±1,27 mm. De plus, dit Rudberg, « Nous avons fait beaucoup d'essais corrélant les données RIPIT avec le système de vision qualifié Boeing [système Aligned Vision utilisé sur 777X] et nous obtenons une corrélation. »

La valeur de la gestion de données, dit Rudberg, réside dans la capacité des systèmes d'EI à aider les fabricants à voir plus clairement comment le processus AFP fonctionne. À cette fin, EI a développé un logiciel de visualisation de données — EI 4.0 — qui offre une visibilité non seulement sur comment une machine donnée a performé (basé sur MSBF) pendant une construction donnée, mais comment les brins et séquences individuels ont performé. Fondamentalement, le logiciel aide l'opérateur à voir exactement où dans la tête AFP se trouve le problème. « Donc, nous utiliserons cet EI 4.0 pour indiquer où ils [opérateurs] doivent aller regarder dans la tête AFP pour faire des changements », dit Rudberg.

En utilisant ce logiciel, il est possible d'afficher graphiquement le MSBF pour une variété de fonctions machine et d'identifier les brins de fibres problématiques et les séquences particulièrement difficiles. Le logiciel mesure et rapporte aussi d'autres activités machine qui pourraient éroder l'utilisation. En utilisant ces outils de gestion de données, EI a pu optimiser et réduire le temps de construction pour l'OPS de plus de 50 minutes à juste moins de 40 minutes. D'autres outils incluent des comparaisons de performance par quart et des comparaisons d'angle de pli.

« Je crois que l'utilisation de 75 % est un objectif ou une attente réaliste », affirme Rudberg. « Mais cela va prendre du travail d'équipe, cela va prendre de l'initiative organisationnelle et du suivi de la part de l'avionneur, cela va prendre notre technologie améliorée, cela va prendre une meilleure maintenance préventive et prédictive, et de meilleurs outils pour analyser l'utilisation de la cellule et la performance machine. »