Salon du Bourget 2019 : points forts et insights de l'industrie

L'avion de transport militaire Airbus A400M à forte teneur en composites en exposition statique au Salon du Bourget 2019. Source | CW

Les attentes étaient mitigées avant le Salon du Bourget 2019 (17-23 juin). On espérait que Boeing poserait plus de jalons pour le New Midsize Aircraft (NMA), mais la crise du 737 MAX a consumé beaucoup de l'énergie et de l'attention de l'entreprise. En effet, dès le premier jour du salon, Boeing a fourni une annonce très générale sur les conditions d'affaires et publié sa prévision d'avions commerciaux sur 20 ans. Rien sur le NMA. Le plus grand coup d'éclat de Boeing pendant le salon a été l'annonce qu'il avait vendu 200 avions 737 MAX au groupe International Airline Group (IAG).

Airbus, de son côté, a annoncé l'A321XLR (XLR = extra long range), la dernière itération de l'A320neo. Prévu pour entrer en service en 2023, l'A321XLR aura un rayon d'action de 4 700 milles nautiques, réalisable grâce à une capacité de stockage de carburant supplémentaire. Airbus a dit que le rayon d'action de l'avion fournira aux compagnies aériennes des options monocouloirs moins chères sur des routes désormais desservies principalement par des avions bicouloirs plus chers. De telles routes incluent New York-Rio, Shanghai-Sydney et Madrid-Dubaï.

Malgré l'absence de nouvelles sur le NMA, parmi les entreprises liées aux composites exposant au Salon du Bourget, il reste un effort définitif pour développer et aligner les technologies matériaux et procédés pour répondre aux exigences que Boeing et Airbus placeront sur la chaîne d'approvisionnement dans la prochaine décennie. Cela inclut les préimprégnés thermodurcissables traditionnels avec polymérisation en autoclave, l'infusion de résine liquide de fibres sèches avec polymérisation hors autoclave, les composites thermoplastiques et la fabrication additive. Le sentiment d'attente à travers la chaîne d'approvisionnement est palpable.

Cet EVTOL, de Boeing, était l'un de plusieurs exposés au Salon du Bourget. Source | CW.

Sur la ligne de vol, il y avait la gamme habituelle d'avions commerciaux, militaires et civils, avec des démonstrations de vol quotidiennes. Notable dans les airs étaient les démonstrations d'avions à propulsion électrique, qui contrastaient starkement et silencieusement avec le rugissement assourdissant associé aux chasseurs et jets commerciaux. Dans les expositions statiques, il y avait un certain nombre d'appareils EVTOL (atterrissage et décollage verticaux électriques) ciblés vers le marché de la mobilité urbaine. Ce type d'appareil, en particulier, s'avère une cible significative pour les matériaux composites, qui sont une nécessité pour le vol à propulsion électrique. Cependant, les volumes de production de certaines de ces plateformes se chiffreront probablement en milliers par an, ce qui pousse les technologies matériaux et procédés vers un modèle de production plus automobile. Cela dit, les EVTOLs sont dans leur jeunesse, particulièrement donnés les obstacles réglementaires, de qualification et de gestion de l'espace aérien encore à lever.

Voici les points forts du salon.

Spirit AeroSystems. Le plus grand aéromonteur mondial, Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, États-Unis), a ouvert le salon tôt lundi matin avec une conférence de presse annonçant l'introduction de son panneau de fuselage ASTRA (Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture), conçu pour montrer comment un fuselage entièrement composite pourrait être conçu pour répondre aux exigences de performance, cadence et coût d'un avion monocouloir de nouvelle génération. La conception et la fabrication de ce panneau sont couvertes dans un article dédié ici.

Face arrière du panneau de fuselage démonstrateur ASTRA de Spirit AeroSystems pour avions monocouloirs de nouvelle génération, haut cadence. Source | CW

MTorres. Un autre panneau composite notable au salon se trouvait sur le stand de MTorres (Torres de Elorz, Navarre, Espagne). Cette structure « grille/peau » à longerons, fabriquée par infusion de résine de fibres de carbone sèches, est en fait l'idée de Stephen Tsai, vétéran des composites et professeur d'aéronautique et d'astronautique, émérite, à l'Université Stanford, qui était sur le stand MTorres pour l'expliquer. Tsai a dit qu'il a conçu ce design il y a plusieurs années et l'a basé sur la structure grille/peau déployée dans la fabrication du Vickers Wellington, un bombardier britannique de la Seconde Guerre mondiale fabriqué par Vickers-Armstrongs et célèbre pour maintenir son intégrité structurelle dans les crashes. Pour donner vie à ce design dans une application composite, Tsai a conçu les longerons en structure de grille, avec chaque longeron d'une largeur et hauteur fixes, et un espacement entre longerons aussi fixe.

Steve Tsai avec le panneau à longerons qu'il a conçu et que MTorres l'a aidé à fabriquer. L'enableur clé est le placement précis de fibres pour construire les longerons. Source | CW

Le défi de son design, a dit Tsai, était de développer des intersections de longerons qui pouvaient résister à de grandes charges mécaniques. Ce qu'il a imaginé était une architecture de longerons qui utilise des rubans de fibres de carbone placés continûment dans une direction (appelons-la A), et discontinuement dans la direction intersectante (appelons-la B). Puis, pour la couche suivante, les rubans seraient placés discontinuement dans la direction A et continûment dans la direction B. Ce motif se poursuivrait jusqu'à ce que l'épaisseur désirée du longeron soit atteinte. De cette façon, chaque joint de longeron serait toujours croisé par un ruban continu. Une fois les longerons construits dans l'outillage, une peau est posée par-dessus via placement automatisé de fibres (AFP) ou dépôt automatisé de rubans (ATL) et toute la structure est co-polymérisée.

Les avantages de ce design, a dit Tsai, sont plusieurs, mais le principal est qu'il est « difficile pour les dommages d'aller au-delà de la zone localisée », signifiant qu'une fissure propagée dans la peau ne peut pas facilement migrer au-delà des longerons qui bordent les régions affectées. Tsai a aussi dit que la structure grille/peau est hautement efficace en poids et matériau. Pourtant, il a noté : « C'est facile à concevoir mais difficile à fabriquer. » C'est là qu'intervient MTorres.

Vue rapprochée d'un joint de longeron sur le panneau à longerons MTorres au Salon du Bourget. Tsai dit que son design pourrait avoir application dans pièces aérospatiales et automobiles. Source | CW

Tsai a dit que le facteur limitant dans la fabrication de son design de panneau avait été le placement des rubans de longerons. Pour être pleinement industrialisés, ils nécessitaient une vitesse et précision de coupe de placement de ruban qui, jusqu'à récemment, n'avaient pas été possibles. Cependant, Tsai a approché MTorres avec son design et a demandé si le spécialiste ATL/AFP pouvait faire le travail. Iñigo Idareta, chef du département projets spéciaux de l'entreprise, et l'équipe composites de MTorres ont été mis à la tâche et ont travaillé avec Tsai pour adapter les technologies de MTorres à l'application. Il y avait deux défis, a dit Idareta au salon : affiner la vitesse et précision de coupe de placement de ruban, où la capacité de coupe en vol de MTorres était clé pour maintenir une vitesse de stratification constante élevée ; et développement de solutions d'outillage permettant l'accumulation de chaque longeron sans que le longeron ne perde l'intégrité de l'empilement. De plus, l'utilisation du propre format de fibres de carbone sèches de MTorres pour applications AFP était nécessaire pour faire fonctionner cette infusion difficile. Tous ont été atteints, a dit Idareta. Aussi atteint, basé sur le design de Tsai, est l'utilisation de placement de fibres hors-angle pour la peau du panneau, qui est de quatre plis et environ 1,2 mm d'épaisseur.

Schéma rudimentaire de Jeff Sloan qui tente de montrer comment les longerons sont construits. Fibre continue d'abord placée dans une direction (A), tandis que fibre discontinue placée dans l'autre direction (B). Pour la couche suivante, fibre continue placée dans la direction B, tandis que fibre discontinue placée dans la direction A. Ainsi, le joint de longeron est toujours couvert par fibre continue. Source | CW

La fibre de carbone utilisée était un matériau sec 50K de Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. (Sacramento, Californie, États-Unis), choisi principalement parce qu'il se trouvait être le matériau que MTorres avait en stock. La résine était un époxy durci « standard » de grade industriel. Idareta dit que le panneau a été testé par Alan Nettles à la NASA et a bien performé. L'assemblage longeron/peau en particulier, a-t-il dit, était excellent. Tsai a admis que le point faible du panneau est le joint de longeron qui est un stratifié croisé [0/90]. Les longerons étaient tous [0]. Donc les joints avaient environ la moitié de la résistance à la traction uniaxiale et un peu plus de la moitié de la résistance à la compression uniaxiale. Même avec cette faiblesse, la résistance grille/peau est plus du double de la technologie aluminium actuelle du même design, sans compter le poids supplémentaire plus léger des composites. Tsai a aussi dit que l'aluminium, pour atteindre les mêmes propriétés de résistance que fournies par son design, pèserait trois fois plus.

Qu'est-ce qui suit pour cette technologie ? Tsai a dit qu'elle est « prête pour application », et a listé plusieurs types de pièces possibles : structures de fuselage, corps de lanceurs spatiaux, panneaux automobiles, boîtiers de batteries. Idareta a dit que MTorres travaille sur l'itération du design, incluant le développement d'un panneau courbé et d'un panneau baril complet. Les deux, a-t-il dit, sont à portée.

Il y a aussi plusieurs aspects du design de Tsai qui pourraient être modifiés pour répondre à une variété de cas de charge. Ces derniers incluent la largeur du longeron, la hauteur du longeron, l'angle d'intersection et l'espace entre longerons. Aussi, bien que MTorres ait utilisé l'infusion pour faire le panneau exposé au salon, il pourrait être fabriqué en utilisant du préimprégné thermodurcissable traditionnel.

GKN Aerospace. Le spécialiste d'ailes commerciales GKN Aerospace (Redditch, Royaume-Uni) a annoncé au salon qu'il a fabriqué les premières pièces pour sa part de travail sur le programme Airbus Wing of Tomorrow, un effort multi-entreprises de cinq ans (2018-2022), Catapult UK, pour développer les technologies matériaux et procédés pour la fabrication à haut cadence (100 par mois) d'ailes en composites carbone infusés à la résine à déployer sur un avion monocouloir de nouvelle génération.

Paul Perera, VP technologie chez GKN Aerospace, était au salon et a fourni plus de détails sur le programme. Il a dit que GKN a actuellement 60 personnes travaillant sur le longeron et les nervures pour l'aile, avec la majeure partie du travail faite hors du Centre de Technologie Global de GKN, qui déménage dans de nouvelles installations à Filton, Royaume-Uni, plus tard cette année.

Le longeron sera en fibres sèches placées par GKN puis infusées. Les nervures seront fabriquées à partir de composites thermoplastiques et d'aluminium. Le National Composites Centre (Bristol, Royaume-Uni) travaille sur plusieurs technologies pour Wing of Tomorrow, incluant iCAP (programme d'acquisition de capacité numérique) pour développer des solutions d'automatisation basées sur les données, ainsi que des systèmes de coupe et placement automatisés de fibres développés par Loop Technology (Poundberry, Dorchester, Royaume-Uni) qui seront employés dans la fabrication de l'aile. Northrop Grumman (anciennement Orbital ATK, Clearfield, Utah, États-Unis) développe les longerons pour le programme. Les peaux d'aile inférieures seront fabriquées par Spirit AeroSystems à son installation de Prestwick, Écosse ; les peaux d'aile supérieures seront fabriquées par Airbus. L'objectif est la livraison de trois jeux de pièces à l'usine d'aile Airbus à Broughton, Royaume-Uni, pour assemblage dans les 18 prochains mois, avec le premier en juin 2020, le second fin 2020 et le troisième début 2021. Finalement, si le programme progresse comme prévu, il prouvera l'infusion de résine comme procédé viable pour la production à haut cadence d'une aile composite pour un monocouloir de nouvelle génération. Perera dit que des sections de longeron de 1 mètre produites et évaluées à l'installation GKN sur l'île de Wight, Royaume-Uni, montrent que les matériaux et le procédé sont bien adaptés à l'application.

Perera a noté qu'une grande partie du programme Wing of Tomorrow tournera autour du développement de l'automatisation. En fait, a-t-il dit, l'automatisation sera un enableur clé de l'infusion de résine pour la fabrication aérospatiale de nouvelle génération.

Solvay Composite Materials. Si vous cherchez des preuves de comment le focus sur l'industrialisation de la fabrication aérospatiale et l'efficacité de production ruisselle vers les fournisseurs de matériaux, ne cherchez pas plus loin que Solvay Composite Materials (Alpharetta, Géorgie, États-Unis), qui est au milieu d'un effort pluriannuel pour réévaluer où et comment il produit des résines, rubans et préimprégnés de grade aérospatial. L'accent pour Solvay est sur le développement d'une stratégie d'opérations focalisée sur des installations qui produisent moins de numéros de produits sur des équipements hautement spécialisés qui peuvent répondre aux exigences de cadence et qualité des avions de nouvelle génération. Marc Doyle, VP exécutif aérospatial de Solvay, dit que la nouvelle installation de l'entreprise à Wrexham, Pays de Galles, Royaume-Uni est symbolique de cet effort. Cette usine, ouverte en septembre 2018, produit seulement deux numéros de produits (adhésifs), mais dans un environnement hautement structuré, hautement optimisé, à dominante automatisation, conçu pour répondre aux exigences just-in-time de ses clients. L'entreprise s'attend à suivre ce modèle avec toutes les nouvelles installations, et tentera de convertir les usines héritées aussi.

Sur le front de l'innovation matériaux, Solvay a mis en avant deux efforts notables — un focalisé sur les thermoplastiques et l'autre sur les fibres de carbone. Mike Blair, VP exécutif de la recherche et innovation, a dit qu'un des plus grands défis/opportunités des thermoplastiques est leur delta de température élevé ; c'est-à-dire que les hautes températures de processus des thermoplastiques peuvent causer des problèmes de coefficient de dilatation thermique (CTE) dans les pièces en refroidissant, particulièrement les grandes pièces. L'objectif ? Modifier la chimie des polycétones pour réduire les températures de processus, sans affecter la température de transition vitreuse (T_g). L'entreprise regarde aussi des façons d'améliorer la procesabilité et la manipulation en équipement automatisé de ses thermoplastiques. « Nos PEEK et PEKK standards marchent bien en fait », a dit Blair. « Il faut juste les modifier pour les rendre plus adaptables. »

L'innovation autour des fibres de carbone est tout aussi intrigante. En 2017, Solvay a acquis le grand fabricant de polyacrylonitrile (PAN) à gros brins European Carbon Fiber GbmH (Kelheim, Allemagne), ce qui a donné à Solvay un nouvel approvisionnement sain en PAN pour fibre de carbone 50K. Donné cela, le défi a été posé : Une fibre de carbone à gros brin peut-elle être formatée pour fournir les caractéristiques de performance d'une fibre de carbone à module intermédiaire (IM) à petit brin ? Blair a dit que l'idée est stimulante, mais non triviale. Il a noté que juste la manipulation de fibre 50K peut, en soi, endommager la fibre. Donc, sans trop révéler ce que Solvay a en tête, Blair a dit que l'entreprise travaille sur une technologie de manipulation conçue pour éviter l'endommagement de la fibre. « Un calendrier agressif pour cela », a-t-il dit, « serait 18 mois. »

Toray Advanced Composites. L'ancien TenCate Advanced Composites a maintenant été entièrement absorbé par Toray et, depuis mars, porte le nom de Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californie, États-Unis). Steve Mead, directeur général, dit que l'EVTOL est particulièrement actif pour l'entreprise en ce moment (thermodurcissables et thermoplastiques). Il a noté que « nous fournissons du matériel à des programmes EVTOL émergents », ajoutant que « les composites sont un vrai enableur à cause du poids parasitaire de la batterie sur ces avions. Les matériaux non-composites ne sont pas une option. » La combinaison de fabrication qualité aérospatiale à des cadences automobiles est intrigante, a-t-il dit.

Eviation. Parmi les introductions de plus haut profil au Salon du Bourget était Alice, un avion tout-électrique, tout-composite introduit par Eviation (Kadima-Tzoran, Israël). Alice est un avion de transport régional de neuf places qui a un rayon d'action de 650 miles/1 000 kilomètres à une vitesse de croisière de 240 nœuds. L'avion comporte une hélice propulsive principale à la queue et deux hélices propulsives supplémentaires aux extrémités d'ailes pour réduire la traînée et créer de la redondance. Omar Bar-Yohay, CEO d'Eviation, a présenté l'avion et a dit que les essais de vol seraient faits à Moses Lake, Washington, États-Unis, suivis par la certification de la Federal Aviation Administration (FAA) américaine fin 2020 ou début 2021. L'avion aura un prix catalogue de 4 millions de dollars et Bar-Yohay a dit que l'entreprise est entièrement financée jusqu'à la certification et la production initiale.

Omar Bar-Yohay, CEO d'Eviation, devant Alice, avion tout-électrique, tout-composite, neuf places, attendu sur le marché d'ici 2021. Source | CW

L'appareil exposé au salon était un prototype non volant assemblé juste la semaine d'avant. Où et comment cet avion sera ultimement produit reste à voir. Le prototype, pour sa part, a été assemblé à partir de structures composites fabriquées par plusieurs fournisseurs. L'un est Multiplast (Vannes, France), partie du groupe Carboman Group SA (Vannes), un regroupement de cinq entreprises qui inclut aussi Decision (Ecublens, Suisse), SNE SMM (Lanester, France), Plastinov (Samazan, France) et Plastéol (Samazan). Multiplast, qui a une histoire dans la fabrication de structures marines, a fabriqué le fuselage pour Alice hors autoclave (OOA) en utilisant une structure sandwich avec âme en nid d'abeille Nomex. Le fuselage a été construit en deux moitiés basées sur une configuration tribord/bâbord, les deux sections de fuselage collées/assemblées par fixations (voir vidéo time-lapse ci-dessous). Multiplast ne sait pas si elle gagnera le contrat pour la production en série de l'appareil, mais l'entreprise dit qu'elle évalue ce qui serait requis d'un point de vue matériaux et procédés pour industrialiser la fabrication. Les ailes et carénages ventraux pour Alice ont été fournis par Composite Cluster Singapore (CCS).

Stratasys. Le spécialiste des machines de fabrication additive (FA) Stratasys (Eden Prairie, Minnesota, États-Unis) était au Salon du Bourget en mettant l'accent sur sa capacité à utiliser la FA pour la production de pièces et d'outillage. Pour la fabrication de composites, l'accent était sur l'outillage. L'entreprise avait sur son stand deux moules faits avec des machines Stratasys. Le matériau est l'ULTEM 1010 de SABIC, un polyétherimide (PEI) non renforcé qui est propice au traitement en autoclave. Le premier moule était pour la fabrication d'un bord d'attaque d'aile en fibre de carbone et comporte des électrodes dans le moule pour booster la capacité de chauffage du préimprégné et réduire le temps de polymérisation de 1,5 heures à seulement 10 minutes. L'autre pièce était un outil de stratification fait par Boom Aerospace (Centennial, Colorado, États-Unis) pour la production de petites pièces pour l'avion commercial supersonique Overture que l'entreprise développe. Scott Sevcik, VP solutions de fabrication chez Stratasys, a dit que Boom a deux machines Stratasys en utilisation déjà, avec une troisième livrée plus tard cette année. Sevcik a dit que Stratasys devrait introduire deux nouveaux matériaux renforcés de fibres de carbone hachées pour usage FA plus tard cette année ; Stratasys, a-t-il dit, travaille aussi sur le renfort de fibres continues pour la FA.

Cet outil de stratification a été fait par Boom Aerospace avec un système de fabrication additive Stratasys. Matériau : ULTEM (PEI) non renforcé. Source | CW

Boom Aerospace. Une autre annonce remarquée au Salon du Bourget est venue de Boom Aerospace (Englewood, Colorado, États-Unis), qui, comme noté, développe Overture, un nouvel avion de passagers supersonique. Le CEO et fondateur de Boom, Blake Scholl, a dit en conférence de presse que Boom est près de compléter le XB-1 intensif en composites, un prototype à échelle réduite de l'Overture qui devrait être dévoilé d'ici fin 2019 et testé en vol quelque part en 2020. Ces vols de test, a dit Scholl, sont conçus pour aider Boom à évaluer les principes de conception et d'ingénierie de l'avion, et appliquer les leçons apprises à la conception finale et production de Overture, qui devrait entrer en service au milieu des années 2020. C'est un calendrier plus long que prévu initialement par Boom. « C'est un projet ambitieux », a dit Scholl. « Dans les premiers jours, il est facile d'être trop optimiste. »

L'avion Overture de Boom Aerospace, intensif en composites, offrira un vol supersonique à Mach 2,2. Source | CW

Overture devrait avoir une vitesse maximale de Mach 2,2, une altitude de croisière de 60 000 pieds (19 354 mètres) et emmènera les passagers (55-75) de Sydney à Los Angeles en seulement 7 heures, ou de Washington D.C. à Londres en seulement 3,5 heures. Scholl a déclaré que le coût du billet sur Overture devrait être compétitif, sur une base par siège-mile, avec les prix actuels des compagnies aériennes. Scholl a aussi dit que Overture devrait utiliser une technologie appelée Prometheus Fuels, qui convertit le carbone atmosphérique en essence ou, dans le cas de Boom, en kérosène, en utilisant de l'électricité provenant de ressources renouvelables. De cette façon, a-t-il dit, l'avion fournira un vol supersonique à carbone net zéro.