RTM haute pression : production efficace et rentable de structures aérospatiales CFRP

Quand le moulage par transfert de résine (RTM) a commencé à transitionner vers le RTM haute pression (HP-RTM) il y a environ une décennie, c'était surtout loué pour applications automobiles, réduisant les temps de cycle des pièces composites de heures à moins de 2 minutes. Moins a été dit sur l'application de cette technologie aux pièces aérospatiales. L'industrie aéronautique a une longue histoire avec le RTM conventionnel, incluant son utilisation pour produire des milliers de pales de ventilateur et carters de confinement en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) pour moteurs d'avions commerciaux. Airbus a même prototypé un volet multispar composite monobloc de 7 mètres pour l'Airbus A320 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'avion en minutes ? Plusieurs acteurs clés disent que c'est possible.

Le RTM traditionnel, appelé ici LP-RTM pour clarté, utilise typiquement des pressions d'injection de 10-20 bars. Le HP-RTM, d'autre part, utilise des pressions d'injection de 30-120 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 », dit Bernhard Rittenschober, chef de la recherche et développement pour Alpex Technologies (Mils, Autriche), fournisseur de systèmes d'outillage innovants pour production en série de pièces composites. « À ce moment, les prédictions étaient que beaucoup de pièces pour le [Airbus] A350 seraient faites en RTM, mais cela ne s'est pas matérialisé. » Alpex, cependant, a continué à travailler sur la technologie, et en tant que fournisseur pour les industries automobile et aérospatiale, a commencé à regarder comment les processus utilisés dans ces deux industries pourraient être fusionnés. « L'idée était d'utiliser la résine époxy RTM6 [Hexcel] qualifiée en aérospatial, mais avec les meilleures pratiques d'outillage automobile et un système d'injection automatisé pour temps de cycle plus bas », explique Rittenschober.

Le résultat fut 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 Donauwörth, Allemagne), fournisseur d'équipement KraussMaffei (Munich, Allemagne), spécialiste tests Aerospace and Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Autriche) et fournisseur résine Hexcel (Stamford, Connecticut, États-Unis). Le programme a démontré que le HP-RTM résultait en une réduction de 30 % du coût pour un cadre de porte A350 et un développement technologique significatif, incluant l'utilisation d'un système résine deux composants (2K), injection intelligente et surveillance de polymérisation via capteurs dans le moule et la capacité de réduire davantage le temps de cycle de pièce. Alpex a continué le développement et voit du potentiel pour cette technologie HP-RTM pour aider à surmonter les problèmes actuels de production CFRP.

Soutenant cette vue, le Centre de Technologie Composites (CTC), une filiale d'Airbus Operations GmbH, a aussi développé le RTM automatisé pendant une décennie, d'abord avec LP-RTM puis transitionnant vers HP-RTM il y a environ cinq ans. (CompositesWorld a noté la machine HP-RTM KraussMaffei de CTC et le travail de développement lors d'une visite de son installation en 2016.) « Le HP-RTM résout le goulot d'étranglement de l'injection et polymérisation grâce à son mélange haute vitesse, qui permet d'utiliser des résines hautement réactives », explique Jan Schiller, chef de projet systèmes de production de CTC et contact principal pour technologies RTM. « Nous avons développé un processus qui produit des pièces à géométrie quelque peu complexe de 1-2 mètres, répondant aux exigences aérospatiales (par exemple, 60 % volume fibres et moins de 2 % vides) en un temps de cycle de 20 minutes. » Il ajoute qu'après visites et discussions avec fournisseurs Airbus l'année dernière, un certain nombre de pièces ont été identifiées pour transition vers HP-RTM, permettant une production à plus haut cadence pour l'avion A320. « Nous développons maintenant des traitements spécifiques pour celles-ci et travaillons cette année pour les mettre en production en série. »

Cadre de porte HP-RTM A350

Le développement d'Alpex a été complété via le programme autrichien TAKE OFF via un projet appelé SPARTA. « Airbus Helicopters a choisi la pièce », se rappelle Rittenschober. « Ce cadre de porte est ce que vous voyez en entrant dans un A350 avec la porte ouverte. Il fait environ 2 mètres de haut, 200-250 millimètres de large et 8-10 millimètres d'épaisseur, avec une forme complexe et des caractéristiques de design pour répondre aux diverses exigences de la porte assemblée, qui est structure primaire. » La porte A350 comprend 14 pièces faites par Airbus Helicopters à Donauwörth, Allemagne, utilisant LP-RTM. Le cadre choisi pour SPARTA est une des pièces plus difficiles de la porte. « C'est une bonne pièce de démonstration parce qu'on peut comparer HP-RTM directement au LP-RTM aérospatial standard », ajoute Rittenschober.

Alpex a conçu et construit l'outillage LP-RTM actuellement utilisé pour la production de cadre de porte A350 chez Airbus Helicopters. Pour la conception et construction de l'outillage HP-RTM, il appliquerait un état d'esprit plus automobile. « Notre but était de permettre l'automatisation type automobile dans la production de pièces composites aérospatiales », dit Rittenschober. « C'est nécessaire si Airbus va construire un futur A320 avec plus de pièces composites et à un cadence de 60 à 100 avions par mois. »

Il continue : « Nous venions de produire des moules pour BMW, qui essayait activement de simplifier ses pièces et processus pour réduire le temps de cycle, tandis qu'Airbus venait de la complexité aérospatiale précédente. Par exemple, quand on a commencé, Airbus Helicopters a demandé en combien de pièces ce moule aura. » Note, la production actuelle de porte LP-RTM incluait des outillages multi-pièces complexes. « Nous avons expliqué que l'outillage HP-RTM aura juste un moule supérieur et un moule inférieur », dit Rittenschober.

Ainsi, Alpex a commencé avec un design de moule simple et a ensuite ajouté des caractéristiques pour rendre le traitement plus robuste et flexible — par exemple, systèmes de scellement utilisés pour production automobile à grand volume. « En plus, nous avons tous les capteurs intégrés dans le moule », note-t-il.

Préformes et processus

Les préformes actuellement utilisées pour le cadre de porte A350 utilisent du matériau tissé et requièrent plusieurs étapes de débulkage, résultant en un cycle de production de trois jours. « Nous avons décidé d'utiliser du tissu non-crimp (NCF) à la place », dit Rittenschober. « Cela fait baisser le prix et le temps de cycle significativement. Nous avons aussi fini par démontrer certaines pièces avec les préformes tissées qualifiées Hexcel, mais nous voyons un changement dans l'industrie des composites hors aérospatial, avec développement par SGL et autres loin des tissus tissés vers rubans et formes à coût inférieur comme NCF. »

Quand on a demandé sur les points d'injection et tout problème de lavage de fibres, Rittenschober explique que l'outillage HP-RTM n'a qu'un point d'injection, mais il n'y a pas de lavage de fibres parce que la préforme est serrée de sorte qu'elle est fixée dans le moule et très stable.

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

KraussMaffei a installé, dans son centre tech léger à Munich, Allemagne, l'outillage fini dans son système HP-RTM RimStar Compact avec mélange, dosage et injection automatisés haute pression (jusqu'à 80 bar/1 100 psi). Il a alors fait 20 pièces démonstratrices. Rittenschober décrit le processus de base : Injection à 80 °C, rampe à 120 °C, maintien une heure, rampe à 180 ° et maintien pour polymérisation 90 minutes, rampe descendante (2 °C/min) et démoulage. « L'injection ne prend que 20 secondes », dit-il, « mais le cycle de moulage total est d'environ quatre heures. »

Temps de cycle et coût

Le cycle de polymérisation encore long pour le cadre de porte SPARTA est piloté par la formulation et le traitement de la résine Hexcel RTM6 qui est qualifiée Airbus. « Nous avons pu atteindre des cycles de polymérisation de 30 minutes à 180 °C avec un post-durcissement sous vide additionnel après pour enlever le stress thermique et assurer les propriétés mécaniques », note Rittenschober, ajoutant que les propriétés étaient assez bonnes, et comparables à la pièce LP-RTM.

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

Développement processus et démonstrateurs CTC

Outre l'outillage et le processus, le projet porte HP-RTM incluait aussi une utilisation innovante du format de fibres. « Nous avons commencé avec textiles tissés déjà qualifiés par Airbus et avons eu beaucoup de succès », se rappelle Schiller. « Puis on a continué avec NCF et textiles plus innovants. » Ces derniers incluaient placement de fibres sèches et intercalaire avec couches spread tow pour ténacité accrue, mais ce dernier a présenté des problèmes d'empaquetage serré de fibres et couches, causant une perméabilité pauvre et entravant l'infiltration de résine. « Il y a aussi des développements pour adresser cela, comme NCF avec fibres spéciales pour améliorer la perméabilité », ajoute-t-il.

Concernant les pressions pour HP-RTM, Schiller souligne que la décision d'utiliser le processus a été pilotée plus par la technologie de mélange de l'industrie polyuréthane que par les hautes pressions de processus. « Nous utilisons HP-RTM juste pour avoir un bon mélange de résines hautement réactives », explique-t-il. « Il peut y avoir quelque pression plus haute dans le moule, mais c'est un effet secondaire de l'injection rapide. Pour pièces auto avec temps de cycle 2 minutes, elles doivent infiltrer la préforme sèche avec résine bien plus vite que nous. Notre temps de polymérisation 15 minutes permet plus de temps pour l'infiltration de résine, ce qui baisse aussi la pression dans le moule. »

La tonnage de presse, pendant ce temps, dépend de la taille de pièce. « Faire des pièces jusqu'à 2 mètres marche bien (environ 1 500 tonnes) mais pièces de 4-6 mètres requièrent de calculer le business case car l'investissement presse devient très haut », dit Schiller. CTC a exposé un longeron CFRP de 1,5 m par 0,5 m représentant toute structure primaire aérospatiale possible au JEC World en 2018. Il recevra aussi une presse à plus haute tonnage à la fin 2019.

Résines 2K et assurance qualité capteurs

Schiller observe que toutes les structures aéronautiques RTM précédentes n'ont utilisé que des systèmes 1K mélangés par le fournisseur, qui certifie alors le mélange et porte la responsabilité de s'assurer que la résine répond aux exigences de qualification. « Maintenant on considère des systèmes 2K, mais le défi est d'assurer la qualité du mélange », explique-t-il. Les systèmes 1K pré-mélangés requièrent expédition et stockage au froid pour prévenir la réaction jusqu'au traitement de pièce. Ainsi, avantages des systèmes 2K incluent élimination de cette dépense ainsi que réactivité plus haute pour traitement plus rapide. Un problème, cependant, est que l'assurance qualité (AQ) sera transférée du fournisseur résine au fabricant de pièces. « Cette AQ requiert détection du ratio de mélange et de la qualité de la résine mélangée. Les deux sont nécessaires pour la qualification Airbus d'un nouveau matériau. Donc, cela signifie mesures des deux composants juste avant mélange et de la résine après mélange. Aujourd'hui, on a seulement des capteurs avant la tête de mélange, montrant combien de résine et combien de durcisseur sont dosés dans le mélange. Ce n'est pas assez pour la qualification. »

Alpex, pendant ce temps, travaille à développer un système qualité en ligne pour fournir la vérification de 100 % résine correctement mélangée qu'Airbus requiert. « Nous avons travaillé avec capteurs dans le moule Netzsch depuis le début de ce développement », note Rittenschober. « Maintenant que Netzsch est partenaire avec Kistler (Winterthour, Suisse), nouvelle technologie est disponible. On peut surveiller température, pression et polymérisation de la résine depuis un capteur unique, qu'on inclut dans le moule. »

« Alpex dit d'utiliser capteurs dans le moule, et les fournisseurs équipement mélange/injection disent que les capteurs devraient être dans leurs systèmes », dit Schiller. « Les deux ont raison. » Mais il note qu'il y a aussi un besoin d'amélioration dans le second. « Dans le HP-RTM auto, le ratio de mélange résine est mesuré sur le processus complet, donc c'est une moyenne », explique Schiller. « Cependant, j'ai besoin de cette mesure à chaque point discret pendant le processus, pour savoir que le ratio de mélange est toujours correct, même pour la dernière demi-seconde pendant l'injection. On a besoin de 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 AQ en parallèle à l'évaluation de résines 2K en applications aérospatiales, et avec les fournisseurs machines, on a identifié des systèmes de capteurs qui promettent une résolution suffisante. Ils seront validés cette année. »

Alpex teste aussi un nouveau capteur piézoélectrique hybride multifonctionnel développé par Aerospace & Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Autriche). Placé sur le moule RTM, il agit comme capteur de pression pour surveiller le front d'écoulement de résine dans le moule. Une fois la préforme imprégnée par la résine et la polymérisation commence, le changement dans le spectre d'impédance est utilisé par le capteur pour déterminer le degré de polymérisation. Une fois la polymérisation complète, les capteurs piézoélectriques sont co-polymérisés sur la surface de la pièce pour être utilisés pour la surveillance de santé structurelle soit en mode passif comme capteurs d'émission acoustique, soit en mode actif utilisant ondes ultrasonores guidées. Ils ont été démontrés pour la surveillance d'impact et dommages sur pièces finies.

Notez que ces données de processus peuvent être analysées par des systèmes de production intelligents Industrie 4.0 pour identifier des voies pour améliorations supplémentaires en qualité et efficacité. Ces données de processus peuvent aussi être journalisées pour le jumeau numérique de chaque pièce.

Potentiel futur

Rittenschober dit que le seul vrai obstacle pour la technologie HP-RTM est la certification : « Nous démontrons avec Airbus Helicopters que ce processus peut marcher, mais quelqu'un doit le certifier. » Schiller est d'accord que c'est toujours un obstacle de trouver qui sera le premier, mais il a aussi calculé des business cases pour beaucoup de pièces sur la dernière année. « Pour 200 pièces par an, ça n'a pas de sens. Cependant, pour pièces sur l'A320, par exemple, ça devient attractif. Chaque mois, on voit une cible de cadence plus haute pour le programme A320. Beaucoup de ces pièces ont été conçues dans les années 1980 et sont produites manuellement, donc elles pourraient facilement être rendues bien plus efficaces avec HP-RTM. »

Avec les temps de cycle de pièce de 20 minutes démontrés par CTC, le HP-RTM pourrait aussi être attractif pour le marché des avions à décollage et atterrissage verticaux électriques (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, dit Rittenschober. « Nous croyons que le HP-RTM a un réel potentiel pour aider à résoudre certains des problèmes avec une production plus rentable, industrialisée de structures aéro CFRP. » Schiller est d'accord, notant que pour beaucoup des applications A320 ciblées, il y a de nombreuses pièces CFRP par jeu de pièces. « Ainsi, le bénéfice d'un processus plus efficace commence à s'accumuler. Si on peut mettre la première application en production, alors il y en aura d'autres. »

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