Comment la fibre de carbone accélère l'avenir des taxis aériens eVTOL

Ce billet répond à un article de janvier 2019 dans le magazine WIRED, qui affirme que la production de composites en fibre de carbone freine le développement d'aéronefs à décollage et atterrissage verticaux électriques (EV/VTOL) pour la mobilité urbaine et le marché des taxis aériens. Je vais débattre de cela, mais aussi proposer une technologie potentiellement disruptive, alors lisez jusqu'au bout.

Bien que j'applaudisse l'auteur pour couvrir cette industrie en rapide émergence, et pour souligner la nécessité de concevoir en pensant à la fabricabilité, il induit en erreur par moments, très probablement parce qu'il n'est pas très éduqué sur l'industrie des composites. Par exemple :

Bien que cela soit techniquement vrai, Airbus monte en cadence à 60 A320/mois d'ici mi-2019 et Boeing est en route pour 57 avions/mois pour le B737, aussi en 2019. Pour l'A320, cela signifie produire trois ensembles de dérive verticale en plastique renforcé de fibre de carbone (PRFC) de 6,3 m de haut par jour et aussi trois plans horizontaux de 12,45 m d'envergure en PRFC par jour.

Assemblage automatisé FLEXMONT pour produire des dérives verticales PRFC pour A320 (haut) et Pultrusion RTM (14 cm/min) pour longerons d'aile d'A350 (bas). SOURCE : Fraunhofer et CTC Stade.

De plus, Airbus a qualifié une technologie après l'autre — beaucoup utilisant des composites, toutes visant 60-70 avions par mois — pour la prochaine itération de l'A320, appelée A320 Neo Plus. Ces technologies composites couvrent un portefeuille incluant le moulage par transfert de résine (RTM), le moulage par compression de compound de moulage en feuille (SMC) et les composites thermoplastiques (TPC) qui ont des temps de cycle facilement capables de 700+ avions par an. Certaines des technologies les plus récentes en développement réduisent les temps de cycle des pièces PRFC de 4 heures à 15 minutes ou moins. La plupart des nouvelles technologies qualifiées par Airbus sont fortement automatisées, tout comme les nouvelles méthodes d'assemblage.

L'industrie automobile a également ouvert la voie vers une production de masse plus élevée que ce que les eVTOL nécessiteront (WIRED citait une demande projetée de 23 000 véhicules d'ici 2035). BMW augmente la production de ses modèles i3 et i8 — tous deux dotés de cellules passagers entièrement en PRFC — de 130 à 200 unités/jour et le fournisseur Audi Voith Composites produit le panneau arrière PRFC pour l'A8 à un taux de 150-300 unités/jour. Notez que les modules BMW i3 et i8 sont très similaires à la structure aérienne montrée ci-dessous pour l'Airbus Helicopters EC 135 — les deux fabricants fixent ensuite des extérieurs et composants intérieurs sur cette structure.

Les structures de carrosserie BMW i3 et i8 sont très similaires à celle de l'Airbus Helicopters EC135.
SOURCE : Milestones of the Leading-Edge Cluster – Review and Future Prospects, MAI Carbon, pp 36-7 (haut), BMW et Airbus Helicopter (bas).

Pendant ce temps, le panneau arrière de l'Audi A8 est fabriqué avec un temps de cycle de 5 minutes en utilisant RTM et placement automatisé de bande de fibre de carbone sèche, adaptée en longueur et orientation de fibre pour répondre à des charges spécifiques, variant d'une base de 6 plis (1,5 mm d'épaisseur) jusqu'à 19 plis (3,7 mm d'épaisseur) où un renfort local est ajouté pour répondre à des charges ponctuelles élevées. Cette seule pièce fournit 33 % de la rigidité torsionnelle de la cellule de propulsion à 50 % du poids vs un assemblage de trois à cinq pièces d'aluminium soudées.

Le panneau arrière en PRFC de l'Audi A8 2019 est fabriqué en 5 minutes à partir de bande de fibre de carbone. SOURCE : Audi et Voith Composites.

Thermoplastiques

Mais ces exemples n'exploitent même pas la technologie thermoplastique, favorisée comme choix pour le nouvel avion moyen-courrier de Boeing (NMA), qui devrait être annoncé avant le 2T 2019. Les pièces thermoplastiques volent sur des avions depuis les années 1990, tandis que le développement s'est poursuivi, avec Airbus et des fournisseurs européens de rang 1 prototypant des sections d'aile et de fuselage toujours plus grandes (avec raidisseurs intégrés), jusqu'à des démonstrateurs de fuselage grandeur nature cette année. Notez que les composites thermoplastiques permettent aussi le soudage, offrant d'autres opportunités d'éliminer fixations et assemblages.

Automated Dynamics, maintenant partie du groupe Trelleborg, a produit ce longeron de queue d'hélicoptère intégralement raidissé en CF/PEEK grandeur nature en 2012 en utilisant la consolidation in-situ lors du placement de fibre automatisé, éliminant les longs cycles d'autoclave ainsi que fixations et adhésifs.
SOURCE : Automated Dynamics, Trelleborg

La chaîne d'approvisionnement pour les matériaux et le traitement TPC s'est rapidement consolidée au cours des trois dernières années, avec tous les principaux fournisseurs de fibre de carbone produisant maintenant des bandes thermoplastiques et des pièces surmoulées à bas temps de cycle démontrées par plusieurs entreprises pour applications aérospatiales et automobiles. Le soudage thermoplastique a également été démontré par plusieurs entreprises.

Extrait de « Le surmoulage comme levier pour les composites, de l'aérospatial à l'automobile », interviewant Scott King chez le fabricant de composites CCP Gransden :

CCP Gransden a affiné sa technologie de thermoformage et surmoulage de composites thermoplastiques en une étape pour produire des composants légers, complexes avec généralement < 2 min temps de cycle, utilisant une large gamme de polymères et fibres. SOURCE : CCP Gransden

 

Technologies les plus récentes

Mais la technologie a progressé depuis 2014 pour inclure plusieurs développements intéressants :

Thermoplastiques surmoulés sur thermodurcissables

Le projet OPTO-Light à AZL Aachen a démontré le surmoulage de nervures et clips en composite thermoplastique (TPC) sur une pièce composite fibre de carbone/époxy.

Surmoulage + Pultrusions UD porteuses de charge

Le projet MAI Skelett a démontré des pultrusions TPC surmoulées en un processus en deux étapes de 75 secondes pour produire un élément structural de toit/pare-brise qui dépasse toutes les exigences de la pièce BMW i3 tout en intégrant attaches et clips, ainsi qu'en changeant le comportement au choc de fragile à ductile pour une résistance résiduelle BIW accrue.

Le partenaire de projet SGL Carbon fournit maintenant de la fibre de carbone avec un enduction appropriée pour des solutions mono-matrice utilisant PP ou famille PA6, incluant pultrusions, organofeuille et composé de surmoulage ainsi que expertise conception et processus pour développement de pièces, via leur Centre d'applications légères (LAC, Meitingen, Allemagne).

Le nouveau système de fixation breveté haute précision de BMW utilise des clips moulés par injection ou surmoulés (bas) et des billes imprimées en 3D (haut) sans fixations, trous percés ni adhésif. Les images du bas montrent comment ce système permet à la garniture intérieure imprimée en 3D personnalisée d'être « clipsée » dans le programme 2019 MINI Yours Customised.

SOURCE : Brevet DE 10 2013 214 269 B3 (haut)
https://www.youtube.com/watch?v=1pyxNKw-nf8 (bas)

Revenons à l'article WIRED et ses affirmations non informées :

Il est vrai que cette méthode de production PRFC a été utilisée pendant de nombreuses années, mais il est aussi vrai que les fabricants aéronautiques et automobiles sont déjà passés à des matériaux et procédés plus automatisés, quasi zéro déchet, ainsi qu'aux thermoplastiques avec avantages prouvés en élimination de fixations, recyclabilité/contenu recyclé et réparabilité.

En fin de compte, l'auteur de WIRED contredit sa thèse entière car le pionnier eVTOL ICON prévoit non seulement d'aller de l'avant avec sa structure aérienne PRFC mais aussi de fabriquer des pièces pour des avions plus grands. La fibre de carbone ne va évidemment pas clouer au sol les eVTOL mais joue déjà un rôle clé dans les entreprises qui poussent un ingénierie astucieuse pour une large gamme de véhicules futurs, tant dans les airs que sur la route. Utiliser la technologie la plus récente a du sens car tous ces nouveaux véhicules doivent être certifiés de toute façon.

Un point clé a été fait dans l'article par le PDG de BetaTechnologies Kyle Clark :

Le PDG de Blue Force Technologies Scott Bledsoe a également souligné l'importance d'avoir des équipes aérodynamique, propulsion, style, structures et fabrication, chacune avec une place égale à la table lors de chaque étape de conception et développement.

Mais peut-être la chose la plus importante est de rester à jour sur l'évolution de la fabrication des composites et de se connecter avec les nombreux fournisseurs de matériaux, équipements et technologies qui veulent partager leur expertise et aider à développer de futures applications. Contactez-nous à CompositesWorld car c'est ce que nous faisons — fournir des connexions et informations techniques fiables.