HP-RTM pour la production en série d'aérostructures CFRP rentables

Lorsque le moulage par transfert de résine (RTM) a commencé à se transformer en RTM haute pression (HP-RTM) il y a environ une décennie, il était principalement apprécié pour les applications automobiles, réduisant les temps de cycle des pièces composites de quelques heures à moins de 2 minutes. On a moins parlé de l'application de cette technologie aux pièces aérospatiales. L'industrie aéronautique a une longue histoire avec le RTM conventionnel, y compris son utilisation pour produire des milliers d'aubes de soufflante en plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) et des boîtiers de confinement pour les moteurs d'avions commerciaux. Airbus a même prototypé un volet multispar composite monobloc de 7 mètres de long pour l'Airbus A320 en utilisant le RTM. Mais est-il possible de transformer cette expérience avec des processus de plusieurs heures en moulage entièrement automatisé de pièces composites d'avions en quelques minutes ? Plusieurs acteurs clés disent que c'est possible.

Le RTM traditionnel, appelé ici LP-RTM pour plus de clarté, utilise généralement des pressions d'injection de 10 à 20 bars. HP-RTM, quant à lui, utilise des pressions d'injection de 30 à 120 bars.

"Nous avons commencé à travailler avec le traitement RTM aérospatial il y a 10 ans via un projet financé par l'UE pour fabriquer des cadres de fuselage", explique Bernhard Rittenschober, responsable de la recherche et du développement chez Alpex Technologies (Mils, Autriche), un fournisseur de systèmes d'outillage innovants pour les composites en série. fabrication de pièces. "A cette époque, les prédictions étaient que de nombreuses pièces de l'[Airbus] A350 seraient fabriquées avec RTM, mais cela ne s'est pas concrétisé." Alpex, cependant, a continué à travailler sur la technologie et, en tant que fournisseur des industries automobile et aérospatiale, a commencé à examiner comment les processus utilisés dans ces deux industries pourraient être fusionnés. "L'idée était d'utiliser la résine époxy [Hexcel] RTM6 qualifiée dans l'aérospatiale, mais avec les meilleures pratiques d'outillage automobile et un système d'injection automatisé pour un temps de cycle plus court", explique Rittenschober.

Le résultat a été un programme de recherche de 2013-2015 appelé TAKE OFF, financé par le gouvernement autrichien, auquel Alpex a participé avec les partenaires Airbus Helicopters (installation de Donauworth, Allemagne), l'équipementier KraussMaffei (Munich, Allemagne), le spécialiste des tests Aerospace et Advanced Composites. (AAC, Wiener Neustadt, Autriche) et le fournisseur de résine Hexcel (Stamford, Connecticut, États-Unis). Le programme a démontré que HP-RTM entraînait une réduction de 30 % du coût d'un cadre de porte A350 et un développement technologique important, notamment l'utilisation d'un système de résine à deux composants (2K), la surveillance intelligente de l'injection et du durcissement via des capteurs dans le moule et le possibilité de réduire davantage le temps de cycle partiel. Alpex a poursuivi le développement et voit le potentiel de cette technologie HP-RTM pour aider à surmonter les problèmes actuels de production de CFRP.

À l'appui de ce point de vue, le Composites Technology Center (CTC), une filiale d'Airbus Operations GmbH, développe également le RTM automatisé depuis une décennie, d'abord avec LP-RTM, puis en passant à HP-RTM il y a environ cinq ans. (CompositesWorld a noté la machine KraussMaffei HP-RTM de CTC et les travaux de développement lors d'une visite de ses installations en 2016.) Chef de projet CTC pour les systèmes de production et contact principal pour les technologies RTM. « Nous avons développé un processus qui produit des pièces géométriques quelque peu complexes de 1 à 2 mètres, répondant aux exigences aérospatiales (par exemple, 60 % de volume de fibres et moins de 2 % de vides) en un temps de cycle de 20 minutes. Il ajoute qu'après des visites et des discussions avec les fournisseurs d'Airbus l'année dernière, un certain nombre de pièces ont été identifiées pour la transition vers HP-RTM, permettant une production à un taux plus élevé pour l'avion A320. « Nous développons actuellement un traitement spécifique pour ceux-ci et travaillons cette année pour les mettre en production en série. »

Cadre de porte HP-RTM A350

Le développement d'Alpex a été réalisé dans le cadre du programme autrichien TAKE OFF via un projet appelé SPARTA. « Airbus Helicopters a choisi la pièce », se souvient Rittenschober. « Ce cadre de porte est ce que vous voyez lorsque vous entrez dans un A350 avec la porte ouverte. Elle mesure environ 2 mètres de haut, 200 à 250 millimètres de large et 8 à 10 millimètres d'épaisseur, avec une forme complexe et des caractéristiques de conception pour répondre aux diverses exigences de la porte assemblée, qui est la structure principale. La porte de l'A350 comprend 14 pièces fabriquées par Airbus Helicopters à Donauworth, en Allemagne, en utilisant le LP-RTM. Le cadre choisi pour SPARTA est l'une des pièces les plus difficiles de la porte. « C'est une bonne partie de démonstration car nous pouvons comparer directement le HP-RTM au LP-RTM aérospatial standard », ajoute Rittenschober.

Alpex a conçu et construit l'outillage LP-RTM actuellement utilisé pour la production de cadres de porte A350 chez Airbus Helicopters. Pour la conception et la fabrication de l'outillage HP-RTM, cela appliquerait un état d'esprit plus automobile. « Notre objectif était de permettre une automatisation de type automobile dans la production de pièces composites aérospatiales », explique Rittenschober. "C'est nécessaire si Airbus veut construire un futur A320 avec plus de pièces composites et au rythme de 60 à 100 appareils par mois."

Il poursuit : « Nous venions de produire des moules pour BMW, qui essayait activement de simplifier ses pièces et ses processus pour réduire le temps de cycle, tandis qu'Airbus venait de la complexité aérospatiale précédente. Par exemple, lorsque nous avons commencé, Airbus Helicopters a demandé combien de pièces ce moule contiendrait. Notez que la production actuelle de portes LP-RTM comprenait des outils multi-pièces complexes. « Nous avons expliqué que l'outil HP-RTM n'aura qu'un moule supérieur et un moule inférieur », explique Rittenschober.

Ainsi, Alpex a commencé avec une conception de moule simple, puis a ajouté des fonctionnalités pour rendre le traitement plus robuste et flexible, par exemple, des systèmes d'étanchéité utilisés pour la production automobile à grand volume. "De plus, nous avons tous les capteurs intégrés dans le moule", note-t-il.

Préformes et process

Les préformes actuellement utilisées pour le cadre de porte de l'A350 utilisent un matériau tissé et nécessitent plusieurs étapes de réduction, ce qui entraîne un cycle de production de trois jours. « Nous avons décidé d'utiliser à la place du tissu non frisé (NCF) », explique Rittenschober. « Cela fait baisser considérablement le prix et le temps de cycle. Nous avons également fini par faire la démonstration de certaines pièces avec les préformes tissées qualifiées par Hexcel, mais nous voyons un changement dans l'industrie des composites en dehors de l'aérospatiale, avec le développement par SGL et d'autres des tissus tissés vers des rubans et des formes moins coûteuses comme les NCF.

Interrogé sur les points d'injection et les problèmes de lavage des fibres, Rittenschober explique que l'outil HP-RTM n'a qu'un seul point d'injection, mais qu'il n'y a pas de lavage des fibres car la préforme est serrée de manière à ce qu'elle soit fixée dans le moule et très stable.

Un autre point clé est qu'Alpex a choisi d'utiliser un système de résine à deux composants (2K) au lieu du RTM6 à un composant actuellement utilisé par Airbus Helicopters. Rittenschober affirme que le système 2K peut être plus réactif, ce qui convient mieux à HP-RTM, et peut réduire les coûts car il n'est pas prémélangé et ne nécessite pas l'expédition de matières dangereuses. Cependant, il nécessite une température plus élevée de 180°C. « C'était la partie la plus difficile pour nous », explique Rittenschober, « car nous étions plus habitués au traitement à 120 °C. »

KraussMaffei a installé, dans son centre de technologie légère à Munich, en Allemagne, l'outillage fini dans son système RimStar Compact HP-RTM avec un mélange, un compteur et une injection automatisés à haute pression (jusqu'à 80 bar/1 100 psi). Elle a ensuite fabriqué 20 pièces de démonstrateur. Rittenschober décrit le processus de base :injecter à 80 °C, augmenter jusqu'à 120 °C, maintenir pendant une heure, augmenter à 180° et maintenir pendant un durcissement de 90 minutes, décélérer (2 °C/min) et démouler. "L'injection ne prend que 20 secondes", dit-il, "mais le cycle de moulage total est d'environ quatre heures."

Durée et coût du cycle

Le cycle de durcissement encore long du cadre de porte SPARTA est piloté par la formulation et le traitement de la résine Hexcel RTM6 qui sont qualifiés par Airbus. "Nous avons pu réaliser des cycles de durcissement de 30 minutes à 180°C avec un post-durcissement supplémentaire sous vide par la suite pour éliminer les contraintes thermiques et garantir les propriétés mécaniques", note Rittenschober, ajoutant que les propriétés étaient assez bonnes et comparables à celles du LP. -Partie RTM.

« Nous avons montré que vous pouvez utiliser le processus et automatiser la production pour des volumes de pièces plus élevés », explique Rittenschober. « Vous pouvez injecter et durcir dans le moule, puis post-polymériser hors de la presse. » Il concède que cela nécessite des ensembles d'outils supplémentaires, mais seulement une seule presse et unité d'injection. "Avec ce système, vous pouvez réduire le coût de la pièce de 700 €, ce qui vous permet de payer le matériel facilement avec une cadence de production de 500 à 1 000 pièces/an, ce qui n'est même pas un volume très élevé."

Développement et démonstrateurs de processus CTC

Outre l'outillage et le processus, le projet de porte HP-RTM comprenait également l'utilisation innovante du format fibre. « Nous avons commencé avec des textiles tissés déjà qualifiés par Airbus et avons eu beaucoup de succès », se souvient Schiller. « Ensuite, nous avons continué avec le NCF et des textiles plus innovants. » Ce dernier incluait le placement de fibres sèches et l'entrelacement avec des couches de câble étalées pour une ténacité accrue, mais ce dernier présentait des problèmes de compactage serré des fibres et des couches, provoquant une mauvaise perméabilité et entravant l'infiltration de la résine. "Il existe également des développements pour résoudre ce problème, comme le NCF avec des fibres spéciales pour améliorer la perméabilité", ajoute-t-il.

Concernant les pressions pour HP-RTM, Schiller souligne que la décision d'utiliser le procédé a été davantage motivée par la technologie de mélange de l'industrie du polyuréthane que par des pressions de procédé élevées. « Nous utilisons HP-RTM uniquement pour obtenir un bon mélange de résines hautement réactives », explique-t-il. « Il peut y avoir une pression plus élevée dans le moule, mais c'est un effet secondaire d'une injection rapide. Pour les pièces automobiles avec des temps de cycle de 2 minutes, elles doivent infiltrer la préforme sèche avec de la résine beaucoup plus rapidement que nous. Notre temps de durcissement de 15 minutes laisse plus de temps pour l'infiltration de la résine, ce qui réduit également la pression dans le moule. »

Le tonnage de presse, quant à lui, dépend de la taille de la pièce. « La fabrication de pièces mesurant jusqu'à 2 mètres fonctionne bien (environ 1 500 tonnes), mais les pièces de 4 à 6 mètres nécessitent un calcul de rentabilité car l'investissement dans la presse devient très élevé », explique Schiller. CTC a affiché une nervure CFRP de 1,5 mètre sur 0,5 mètre représentant toute structure primaire aérospatiale possible au JEC World en 2018. Elle recevra également une presse de plus gros tonnage à la fin de 2019.

Résines 2K et QA basé sur des capteurs

Schiller observe que toutes les structures d'avions RTM précédentes n'ont utilisé que des systèmes 1K mélangés par le fournisseur, qui certifie ensuite le mélange et assume la responsabilité de s'assurer que la résine répond aux exigences de qualification. « Maintenant, nous envisageons des systèmes 2K, mais le défi est d'assurer la qualité du mixage », explique-t-il. Les systèmes 1K prémélangés nécessitent une expédition et un stockage à froid pour éviter toute réaction jusqu'au traitement de la pièce. Ainsi, les avantages des systèmes 2K incluent l'élimination de cette dépense ainsi qu'une réactivité plus élevée pour un traitement plus rapide. Un problème, cependant, est que l'assurance qualité (AQ) sera transférée du fournisseur de résine au fabricant de pièces. « Ce QA nécessite la détection du rapport de mélange et la qualité de la résine mélangée. Les deux sont nécessaires pour la qualification Airbus d'un nouveau matériau. Il s'agit donc de mesures des deux composants juste avant le mélange et de la résine après mélange. Aujourd'hui, nous n'avons que des capteurs avant la tête de mélange, indiquant la quantité de résine et de durcisseur dosée dans le mélange. Ce n'est pas suffisant pour la qualification. »

Alpex, quant à lui, travaille au développement d'un système de qualité en ligne pour fournir la vérification de la résine 100% correctement mélangée dont Airbus a besoin. « Nous avons travaillé avec les capteurs dans le moule Netzsch depuis le début de ce développement », note Rittenschober. « Maintenant que Netzsch est partenaire de Kistler (Winterthur, Suisse), une nouvelle technologie est disponible. Nous pouvons surveiller la température, la pression et le durcissement de la résine à partir d'un seul capteur, que nous incluons dans le moule. »

« Alpex dit d'utiliser des capteurs dans le moule, et les fournisseurs d'équipements de mélange/d'injection disent que les capteurs doivent être dans leur systèmes », explique Schiller. "Les deux ont raison." Mais il note qu'il y a aussi un besoin d'amélioration dans ce dernier. « Dans l'automobile HP-RTM, le rapport de mélange de résine est mesuré sur l'ensemble du processus, il s'agit donc d'une moyenne », explique Schiller. « Cependant, j'ai besoin de cette mesure à chaque point discret du processus, afin de savoir que le rapport de mélange est toujours correct, même pendant la dernière demi-seconde lors de l'injection. Nous avons besoin d'une meilleure résolution temporelle dans les systèmes de mesure. Schiller suggère que des capteurs seront probablement nécessaires avant la tête de mélange, à l'intérieur de la tête de mélange et dans le moule. « Nous travaillons sur ce développement d'assurance qualité parallèlement à l'évaluation des résines 2K dans les applications aérospatiales, et avec les fournisseurs de machines, nous avons identifié des systèmes de capteurs qui promettent une résolution suffisante. Ils seront validés dans l'année. »

Alpex teste également un nouveau capteur piézoélectrique multifonctionnel hybride développé par Aerospace &Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Autriche). Placé sur le moule RTM, il agit comme un capteur de pression pour surveiller le front d'écoulement de la résine dans le moule. Une fois que la préforme est imprégnée par la résine et que le durcissement commence, le changement du spectre d'impédance est utilisé par le capteur pour déterminer le degré de durcissement. Une fois le durcissement terminé, les capteurs piézoélectriques sont co-polymérisés à la surface de la pièce à utiliser pour la surveillance de la santé structurelle soit en mode passif comme capteurs d'émission acoustique, soit en mode actif à l'aide d'ondes ultrasonores guidées. Ils ont fait leurs preuves pour la surveillance des impacts et des dommages sur les pièces finies.

Notez que ces données de processus peuvent être analysées par les systèmes de production intelligents de l'Industrie 4.0 pour identifier les voies d'amélioration de la qualité et de l'efficacité. Ces données de processus peuvent également être enregistrées pour le jumeau numérique de chaque pièce.

Potentiel futur

Rittenschober dit que le seul véritable obstacle pour la technologie HP-RTM est la certification :« Nous démontrons avec Airbus Helicopters que ce processus peut fonctionner, mais que quelqu'un doit le certifier. Schiller convient qu'il est toujours difficile de trouver qui sera le premier, mais il a également calculé des analyses de rentabilisation pour de nombreuses pièces au cours de la dernière année. « Pour 200 pièces par an, ça n'a pas de sens. Cependant, pour des pièces sur l'A320, par exemple, cela devient attrayant. Chaque mois, nous constatons un taux cible plus élevé pour le programme A320. Beaucoup de ces pièces ont été conçues dans les années 1980 et sont produites manuellement, elles pourraient donc facilement être rendues beaucoup plus efficaces avec HP-RTM. »

Avec des temps de cycle partiel de 20 minutes démontrés par CTC, HP-RTM pourrait également être attrayant pour le marché des avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL), où des volumes de production de 5 000 avions par an ont été suggérés comme limite supérieure par le fabricant de taxis aériens. UBER.

Alpex continuera à développer une gamme d'avancées RTM, déclare Rittenschober. « Nous pensons que HP-RTM a un réel potentiel pour aider à résoudre certains des problèmes avec une production industrialisée et plus rentable d'aérostructures CFRP. » Schiller est d'accord, notant que pour la plupart des applications A320 ciblées, il existe de nombreuses pièces CFRP par ensemble de navires. « Ainsi, les avantages d'un processus plus efficace commencent à s'accumuler. Si nous pouvons mettre la première application en production, il y en aura d'autres. »

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