Les composites thermoplastiques prêts à révolutionner l'aviation commerciale

Les composites thermoplastiques (TPC) ne sont pas nouveaux dans le secteur aérospatial, mais les deux dernières années ont vu l'utilisation des thermoplastiques dans l'aviation commerciale atteindre un point de bascule. Alors que les TPC ont été utilisés depuis un certain temps pour des pièces plus petites telles que des clips et supports, ou des composants intérieurs plus petits, les thermoplastiques se sont frayé un chemin vers des structures d'avion plus grandes de manière incrémentale et semblent désormais prêts à jouer un rôle plus important dans l'avenir de l'aviation commerciale.

Mouvements stratégiques majeurs

En mars 2018, Toray Industries Inc. (Tokyo, Japon), le plus grand fabricant mondial de fibres de carbone, a acquis TenCate Advanced Composites (Morgan Hill, Californie, USA et Nijverdal, Pays-Bas) pour 930 millions d'euros (TenCate a depuis changé son nom pour Toray Advanced Composites). Cette acquisition semblait viser à renforcer les capacités thermoplastiques de Toray en prévision de la prochaine vague de développement d'avions commerciaux. Peu après cette annonce, Hexcel (Stamford, Connecticut, USA) et Arkema Inc. (King of Prussia, Pennsylvanie, USA) ont annoncé une alliance stratégique pour développer des solutions composites thermoplastiques pour l'aérospatiale, combinant l'expertise de Hexcel dans la fabrication de fibres de carbone avec celle d'Arkema dans les résines polyéthercétonecétone (PEKK). Et au cours de l'année, plusieurs autres pièces du puzzle des thermoplastiques semblaient s'emboîter.

En avril 2018, Premium Aerotec GmbH (Augsbourg, Allemagne) a dévoilé un démonstrateur de cloison de pression d'Airbus (Toulouse, France) A320 qu'il avait développé et fabriqué en utilisant de la fibre de carbone dans une matrice thermoplastique. Le démonstrateur, qui se compose de huit segments soudés, illustre comment la soudabilité des thermoplastiques a le potentiel de permettre des composants d'avion plus grands. (En savoir plus sur le démonstrateur de cloison de pression A320 de Premium Aerotec).

En août 2018, Solvay (Alpharetta, Géorgie, USA), Premium Aerotec et Faurecia Clean Mobility (Columbus, Ohio, USA) ont lancé IRG CosiMo (Groupe de recherche industriel : Composites pour la mobilité durable), un consortium axé sur le développement de matériaux et technologies de procédés visant à permettre la production à haut volume de composites thermoplastiques pour les marchés aérospatial et automobile. Le consortium combine des entreprises sur toute la chaîne de processus des composites thermoplastiques, des matériaux aux machines aux applications dans l'automobile et l'aérospatiale. (En savoir plus sur le consortium IRG CosiMo ici).

Solvay collabore avec GKN Fokker (Hoogeveen, Pays-Bas) pour faire progresser la technologie et l'adoption des TPC pour les grandes structures aérospatiales depuis juin 2017. L'entreprise a lancé la production de polymère PEKK en septembre 2017 et a ensuite doublé sa capacité de ruban thermoplastique UD qualifié en 2018. Début 2019, Solvay a mis en service un laboratoire de recherche TPC dédié à Alpharetta, Géorgie, USA, visant le développement de matériaux de nouvelle génération. Solvay prévoit de commencer la qualification d'une nouvelle ligne de ruban UD fin 2019.

Teijin Ltd. (Tokyo, Japon) a annoncé en janvier 2019 que sa fibre de carbone TENAX et son ruban préimprégné unidirectionnel carbone/thermoplastique (TENAX TPUD) ont été qualifiés par Boeing (Chicago, Illinois, USA) pour une utilisation comme matériau composite avancé intermédiaire pour des pièces structurelles primaires (Lire l'article complet ici).

Au fur et à mesure que ces technologies et matériaux similaires progressent, une image de ce à quoi l'industrie aérospatiale pourrait ressembler dans les années et décennies à venir se dessine progressivement. Le rôle des TPC devient une partie de plus en plus importante de cette image.

Les fabricants s'intéressent à tirer parti des avantages de fabrication et des temps de traitement rapides des thermoplastiques, et à utiliser les TPC pour commencer à fabriquer des structures plus grandes telles que des panneaux de fuselage et des raidisseurs. De plus, les thermoplastiques offrent une ténacité à la rupture élevée ; de bonnes propriétés mécaniques ; la recyclabilité ; de faibles flamme, fumée et toxicité (FST), et peuvent être stockés à température ambiante. Et à mesure que les donneurs d'ordre et fournisseurs de rang 1 aérospatiaux deviennent plus familiers avec les thermoplastiques, ils sont utilisés pour des pièces plus complexes, des assemblages soudés et des structures primaires.

Selon Steve Mead, directeur général chez Toray Advanced Composites (anciennement TenCate), « [Les grands avionneurs] cherchent vraiment une solution matériau qui a les capacités de cadence de l'aluminium et les capacités de poids du matériau à base de fibre de carbone — les thermoplastiques comblent un peu cet écart. »

Traitabilité des TPC

Une grande partie de la raison pour laquelle les TPC trouvent leur place dans les programmes d'avions est leur traitabilité. Comme les thermoplastiques sont déjà entièrement polymérisés, ils ont des cadences de production plus rapides que les thermodurcissables, qui doivent subir une polymérisation.

« Quand vous regardez le temps qu'il faut pour faire une pièce thermodurcissable aujourd'hui et le comparez au temps qu'il faut pour faire une pièce en composite thermoplastique, [le thermoplastique] est environ 10 fois plus rapide », dit Mike Favaloro, président et CEO de CompositeTechs LLC (Amesbury, Mass., USA), un cabinet de conseil de l'industrie des composites.

Un grand avantage du placement automatisé de fibres (AFP) thermoplastique par rapport à l'AFP thermodurcissable — particulièrement compte tenu de l'absence de cycle de polymérisation — sont des cadences de production plus élevées dues à des temps de traitement plus rapides. Il y a des économies de coûts à trouver dans la stratification in-situ et la post-consolidation hors autoclave (OOA). De plus, retirer l'autoclave de l'équation permet le développement de structures plus grandes.

David Leach, directeur du développement commercial pour ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, USA), reconnaît que le coût unitaire des thermoplastiques dépasse celui des thermodurcissables, mais argue que les prix des matériaux TPC baisseront. De plus, dit-il, les efficacités de traitement offrent une opportunité de réduire les coûts aujourd'hui. Le consensus général dans l'industrie des composites est que les procédés thermoplastiques OOA, actuellement, offrent des économies de coûts de plus de 30 % par rapport aux thermodurcissables.

« Les thermoplastiques trouvent leur chemin dans les programmes même après que les avions sont entrés en production », souligne Leach. « C'est un témoignage des avantages de coûts des thermoplastiques. »

Le potentiel des polymères de matrice haute performance s'étend au-delà de ce qui est actuellement disponible sur le marché. Doug Brademeyer, responsable des Ultra-Polymères chez Solvay, dit que l'entreprise travaille à la fois en interne et avec des partenaires pour développer des polymères sur mesure adaptés aux différents procédés de fabrication.

« Nous sommes enthousiasmés par ces solutions PAEK sur mesure et pouvons les amener rapidement à la commercialisation dans nos actifs à échelle mondiale, basées sur les besoins clients », dit Brademeyer.

PAEK bas point de fusion

Avec les donneurs d'ordre et fournisseurs aéronautiques cherchant des cadences de production plus élevées et des temps de cycle plus courts, la traitabilité est clé. Le polyétheréthercétone (PEEK) a longtemps été le polymère thermoplastique favori car il a la plus grande base de données et est le plus largement qualifié. Mais selon Favaloro, le polyaryléthercétone bas point de fusion (LM PAEK) offre certains avantages, surtout pour les méthodes de traitement automatisées comme l'ATL.

« Le PEEK est traitable par estampage et moulage continu, mais le LM PAEK traite à une température plus basse, a une viscosité de travail plus faible qui permet un meilleur traitement automatisé, et a un degré de cristallinité plus faible qui réduit les contraintes résiduelles de moulage », dit-il. « L'objectif ultime est d'utiliser une machine ATL pour poser [le ruban] et c'est fini — vous avez besoin du bon degré de cristallinité, d'une bonne fenêtre et de bonnes vitesses de pose. »

Le LM PAEK a une large fenêtre de procédé de 350-385 °C. Pour référence, les températures de traitement du polysulfure de phénylène (PPS) varient de 330-350 °C, tandis que celles du polyéthercétonecétone (PEKK) et du PEEK sont respectivement de 380 °C et 400 °C.

« Le matériau a obtenu autant de traction grâce à sa traitabilité », dit Scott Unger, directeur technique chez Toray Advanced Composites. Toray Advanced Composites a collaboré avec Victrex (Lancashire, Royaume-Uni) pour produire Cetex TC1225, un ruban unidirectionnel utilisant du LM PAEK.

« L'intention avec le développement de TC1225 était de créer un produit qui traite facilement à des températures proches de celles utilisées pour le PPS, avait une position de coût favorable pour l'utilisateur final et avait les propriétés mécaniques et de résistance aux fluides du PEEK », dit Unger. « Avec le TC1225 LM PAEK, je pense que nous avons atteint tous ces objectifs. »

Le Cetex TC1225 est actuellement en cours de qualification par le Centre national pour la performance des matériaux avancés (NCAMP, Wichita, Kansas, USA). De plus, Toray dit qu'il y a deux qualifications basées sur des avionneurs majeures en cours pour le matériau, ainsi que quelques programmes de qualification basés sur des marchés émergents tels que les taxis aériens et la mobilité aérienne urbaine.

Les rubans utilisant du LM PAEK donnent selon les rapports des vitesses de pose améliorées. Tim Herr, directeur de l'SBU aérospatiale chez Victrex, dit : « Les taux de pose que nous pouvons atteindre pour l'AFP in-situ consolidée et l'AFP consolidée hors autoclave sont sans précédent. » Il indique que 60 mètres par minute peuvent être atteints sur des panneaux consolidés au four ; 20 mètres par minute seraient possibles avec la consolidation in-situ.

En termes de qualité, Unger affirme que le PAEK bas point de fusion offre la capacité d'obtenir la même qualité de stratifié en utilisant le placement de fibres in-situ qu'avec un stratifié placé par fibres qui a été mis dans un four de post-consolidation.

Collage des composites

La soudabilité des TPC est un grand avantage du matériau pour le développement d'avions. Le collage par fusion/soudage offre une alternative au fixation mécanique et à l'utilisation d'adhésifs, qui sont toutes deux des méthodes employées pour assembler des pièces en composites thermodurcissables.

Stephen Heinz, directeur du développement produit chez Solvay, dit : « L'assemblage et le soudage jouent un rôle majeur dans l'avenir de l'assemblage et ont le potentiel de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité des aérostructures. Des entreprises comme GKN Fokker prennent les devants dans la démonstration du soudage. »

« Avec les thermoplastiques, une orthogrille peut être grandement simplifiée par le « joint bout à bout » de la grille à la peau », explique Arnt Offringa, responsable du développement technologique composites thermoplastiques pour GKN Fokker. « La grille est maintenant composée de simples préformes plates qui sont co-consolidées avec le stratifié de peau pour former une coque raidie intégralement à faible coût. Les cadres sont soudés sur la grille. Ces soudures sont chargées en cisaillement, ce qui rend possible de supprimer tous les boulons. »

Bien que les structures thermoplastiques soudées aient été utilisées sur des avions depuis un certain temps, la technologie semble maintenant bien positionnée pour une utilisation dans les structures primaires. Mike Favaloro pense que les fabricants aérospatiaux et donneurs d'ordre gagnent en confiance avec les TPC, particulièrement avec le contrôle de procédé. « Sur un horizon de 10 ans, nous commencerons à le voir adopté beaucoup plus », dit-il.

En savoir plus sur la technologie de soudage dans l'article de Ginger Gardiner « Welding thermoplastic composites. »

Vers le sans-outillage

Une autre innovation à l'horizon qui pourrait accélérer l'utilisation des thermoplastiques est la fabrication de composites sans outillage. Le concept, comme son nom l'indique, élimine le besoin de moules et outillages traditionnels, les remplaçant par la robotique.

Le fabricant aérospatial General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, San Diego, Californie, USA) développe un tel procédé pour la fabrication de structures en composites thermoplastiques. Composite Automation LLC (Cape Coral, Floride, USA), utilisant l'équipement de Mikrosam (Prilep, Macédoine), a travaillé avec GA-ASI pour développer l'automatisation. Le procédé utilise deux robots à 6 axes travaillant ensemble pour placer du ruban thermoplastique. Un robot consiste en un système standard de placement de ruban unidirectionnel qui fournit un chauffage laser pour effectuer la consolidation in-situ du matériau thermoplastique. Le second robot fournit le support, travaillant en face de la coucheuse de ruban automatisée (ATL) pour fournir une surface d'outillage mobile contre laquelle l'ATL place le ruban. (Pour en savoir plus, voir « General Atomics Aeronautical developing tool-less thermoplastics composites process. »)

Recyclabilité

Un autre avantage des TPC est la recyclabilité. Comme les polymères thermoplastiques peuvent être refondus et reformés, plusieurs entreprises se tournent vers les TPC comme moyen de réutiliser les matériaux.

La collaboration inclut plusieurs partenaires industriels dans la chaîne de valeur, des matériaux, fabrication, conception et application, y compris GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Rheden, Pays-Bas), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Pays-Bas) et Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Pays-Bas).

Le bon matériau pour le bon travail

Alors, au milieu de l'effervescence autour de ces matériaux, la question qui se pose est : les TPC sont-ils arrivés ? Les fournisseurs de rang 1 et rang 2 aérospatiaux investissent dans les thermoplastiques. Il y a plus d'intérêt et d'investissement de la part de fournisseurs plus petits et moyens. Des consortiums comme IRG CosiMo regardent les marchés aérospatial et automobile pour faire progresser les technologies de procédés afin d'atteindre la production à haut volume.

« C'est la Trifecta », dit Mead, « Les donneurs d'ordre investissent, les gens de la machinerie investissent, le bon matériau a été développé. Tous les composants de la recette se mettent en place. »

Dans une perspective plus large, que signifie tout cela pour l'utilisation des matériaux sur les avions de nouvelle génération ? Après tout, de nombreux matériaux sont en concurrence pour une place sur l'avion du futur, et l'innovation ne ralentit pas — les composites thermodurcissables continuent d'évoluer ; l'aluminium et le titane continueront à jouer un rôle.

« À mesure que les avionneurs développent une base de qualification avec les thermoplastiques, ils ont maintenant un choix », dit Unger. « Et ce choix sera basé sur la sélection du bon matériau pour une application donnée qui répond aux exigences de cadence de production et de coûts pour le composant ou la structure en question. En regardant l'aviation commerciale de l'avenir, ce que je crois que vous verrez les avionneurs faire, c'est utiliser le bon matériau pour le bon travail. Si un matériau permet la structure la plus appropriée pour le moindre coût et répond aux exigences de cadence du programme, il gagnera sa place sur l'avion. »

Avec l'industrie de l'aviation commerciale projetée pour doubler dans les 20 prochaines années, répondre à la demande d'avions passagers et cargo nécessitera de nouvelles technologies et des cadences de fabrication sans précédent.

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