Soudage de composites thermoplastiques

Contrairement aux composites réalisés avec un thermodur matrice, thermoplastique Les composites (TPC) ne nécessitent ni réactions chimiques complexes ni processus de durcissement longs. Les préimprégnés thermoplastiques ne nécessitent aucune réfrigération, offrant une durée de conservation pratiquement infinie. Les polymères utilisés dans les TPC aérospatiaux — polyphénylène sulfure (PPS), polyétherimide (PEI), polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK) et polyarylcétone (PAEK) — offrent une tolérance élevée aux dommages dans les pièces finies, ainsi qu'une résistance à l'humidité et aux produits chimiques et, ainsi, ne se dégrade pas dans des conditions chaudes/humides. Et ils peuvent être refondus, promettant des avantages en termes de réparation et de recyclabilité en fin de vie. Mais peut-être que le plus grand moteur pour l'utilisation de TPC dans le développement d'avions est la capacité d'assembler des composants via une liaison/soudure par fusion. Il présente une alternative intéressante aux méthodes conventionnelles - fixation mécanique et collage - utilisées pour assembler des pièces en composite thermodurcissable (TSC).

Comme défini dans l'article largement cité « Fusion Bonding/Welding of Thermoplastic Composites », par Ali Yousefpour, Conseil national de recherches Canada (Ottawa, ON, Canada), « Le processus de fusion-liage implique de chauffer et de fondre le polymère sur la liaison. surfaces des composants, puis presser ces surfaces ensemble pour la solidification et la consolidation du polymère. Le résultat est très différent de l'assemblage thermodurcissable.

« Vous créez une structure unifiée, telle qu'une nervure soudée à une peau », explique Arnt Offringa, responsable de la R&T des aérostructures pour GKN Fokker (Hoogeveen, Pays-Bas). « Lorsqu'on le regarde au microscope, on ne voit qu'un polymère homogène, c'est donc différent du collage. Il n'y a pas de ligne de séparation, pas de fente, pas de matériau de jonction identifiable tel qu'un adhésif. Il n'y a qu'un seul matériau, c'est pourquoi vous utilisez le même polymère des deux côtés de la soudure. Ainsi, les autorités accepteront une telle jointure sans attaches mécaniques. (Offringa utilise ici le mot « joindre » car le résultat du processus de soudage n'est pas un joint, mais une pièce solide.)

En fait, de telles structures TPC soudées volent depuis des décennies. Et bien que le soudage par résistance et le soudage par induction soient les deux méthodes les plus établies, d'autres, notamment le soudage par ultrasons, le soudage au laser et le soudage par conduction, sont de plus en plus utilisés avec les composites. Le développement de ces méthodes se poursuit alors que les promoteurs du soudage recherchent la fiabilité nécessaire dans les logiciels de simulation de processus prédictifs, un contrôle en ligne accru des variables du processus de soudage et l'extension des processus de soudage à la production de structures primaires d'avion.

Soudage par résistance

Avec KVE Composites Group (La Haye, Pays-Bas), GKN Fokker est un leader reconnu dans le développement du soudage TPC (voir CW visite de Fokker Aerostructures). « Nous avons commencé par le soudage par résistance au début des années 90 », explique Offringa. "L'élégance de cette méthode est que la chaleur est produite exactement à l'interface de soudure." Le courant électrique, passé à travers un élément résistif à l'interface de soudure, crée de la chaleur et fait fondre le polymère thermoplastique (Fig. 1). Cependant, cet élément résistif - un métal ou une fibre de carbone (CF) - reste dans la pièce finie. « Nous avons développé une méthode utilisant un treillis métallique recouvert de PPS comme élément résistif, puis certifié et piloté des trappes de train principal CF/PPS soudées par résistance sur le Fokker 50 avions à turbopropulseurs en 1998 », explique Offringa. "Cela a ensuite conduit à des conversations avec Airbus UK (Broughton, Chester, Royaume-Uni) et au développement de bords d'attaque fixes en fibre de verre/PPS pour les gros-porteurs A340/A350 puis A380." GKN Fokker a poursuivi ses recherches sur le soudage par résistance, principalement axées sur le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP).

La technologie a évolué. Premium AEROTEC (Augsbourg, Allemagne) a présenté un démonstrateur de cloison à pression arrière Airbus (Toulouse France) A320 au salon aéronautique ILA de Berlin 2018. La cloison comprend huit segments de tissu CF/PPS emboutis assemblés par soudage par résistance. « Nous utilisons le soudage par résistance depuis un certain temps », explique le Dr Michael Kupke, directeur du Centre de technologie de production légère (ZLP) du Centre aérospatial allemand (DLR) à Augsbourg. « Pour le démonstrateur Premium AEROTEC, nous avons étendu la longueur de la ligne de soudure à 1,5 m.

ZLP a choisi un élément résistif en fibre de carbone par rapport à un maillage en acier inoxydable traditionnel. "Pour le soudage par induction, il est difficile d'obtenir la température et l'énergie où vous le souhaitez et pas ailleurs dans la pièce", affirme Kupke. "Pour le soudage par résistance, cela est résolu de manière inhérente, mais l'inconvénient, jusqu'à présent, a été que la résistance reste dans la pièce." L'utilisation d'une résistance en fibre de carbone atténue cet inconvénient.

La méthode de base, cependant, reste la même. « Vous appliquez une tension et exercez une pression sur les deux parties pour obtenir une bonne consolidation », ajoute-t-il. « Pour les pièces plus petites, l'effecteur final robotique applique la pression, mais pour les pièces plus grandes, vous auriez besoin d'un gabarit pour fournir une pression de serrage. » Le gabarit de la cloison de pression arrière de l'A320 est un « pont de soudure » en métal courbé construit par Premium AEROTEC (Fig. 2). Il tourne pour se positionner au-dessus de chacune des huit lignes de soudure et applique la pression nécessaire via 10 cylindres pneumatiques à l'intérieur.

En plus du PPS, l'équipe DLR ZLP de Kupke a validé que ce processus fonctionne également pour le tissu en fibre de carbone/PEEK. « Si vous pouvez utiliser PEEK, vous pouvez vous adapter au PEKK, PAEK et PEI », ajoute-t-il. « Nous devrions également pouvoir souder des rubans unidirectionnels (UD) », note-t-il également (les défis associés au soudage des rubans UD sont expliqués ci-dessous). Kupke dit qu'il n'y a pas de limite à l'épaisseur de la pièce à souder, "elle peut être de 3 mm ou 30 mm, mais il faut faire attention à la gestion thermique au niveau de la ligne de soudure."

Il dit que la prochaine étape sera de développer une gamme d'éléments résistifs CF optimisés. « Nous n’avons utilisé que des matériaux standard pour le moment. » Kupke souligne qu'il ne s'agissait que d'un démonstrateur, pas d'un processus industriel. « Pour s'industrialiser, nous le ferions un peu différemment. Le processus de soudage pour chaque joint dans la cloison de l'A320 a pris 4 minutes, cependant, seulement 90 secondes de courant de soudage ont été appliquées. Le temps restant était destiné au chauffage et au refroidissement du thermoplastique PPS sur la ligne de soudure. Avec l'industrialisation, nous pensons que le temps total serait plus rapide et que le soudage ne prendrait toujours que 60 à 90 secondes par joint de 1,5 m. »

Soudage par induction

KVE a commencé à travailler avec le soudage par induction au début des années 2000. La technique de base consiste à déplacer une bobine d'induction le long de la ligne de soudure. La bobine induit des courants de Foucault dans le stratifié CFRP intrinsèquement conducteur, qui génèrent de la chaleur et font fondre le thermoplastique. « Nous avons commencé avec des coupons de cisaillement à un seul tour, en suivant l'approche par blocs de construction, et avons progressé vers les joints en L, les joints en T, puis les structures de base et enfin les ascenseurs et les gouvernails », se souvient le directeur général de KVE, Harm van Engelen.

L'entreprise a développé en parallèle des simulations informatiques. « La simulation vous aide à prédire quelle sera la température à la surface extérieure et au niveau de la ligne de soudure », explique-t-il. « Vous devez concentrer la chaleur dans la ligne de soudure, mais pas surchauffer les sections adjacentes. La surface supérieure chauffe plus rapidement que l'interface, vous devez donc vous débarrasser de cette chaleur. KVE a breveté non seulement la technologie de gestion de la chaleur et les matériaux d'outillage qui en résultent, mais également son approche basée sur l'outillage pour maintenir la pression pendant le soudage, et son contrôle robotique de la bobine d'induction et de la tête de soudage, qu'il a développé en 2005.

« Cela a fourni une alternative au soudage par résistance pour CFRP qui ne nécessitait pas de suscepteur ou de bande de soudage », explique Offringa de GKN Fokker. « Nous avons obtenu une licence pour la technologie KVE et l'avons implémentée sur le Gulfstream G650 les ascenseurs et le gouvernail, qui volent depuis 2008. » KVE a été un partenaire clé dans le développement et l'industrialisation du procédé robotisé de soudage par induction. Une technique raffinée de deuxième génération est utilisée pour les gouvernes de profondeur et le gouvernail du Dassault Falcon 5X . Van Engelen note que le soudage pour le G650 a été automatisé mais complété en plusieurs étapes. « Pour les Dassault, ça se fait d'un seul coup, ajoute-t-il. « Toutes les pièces sont placées dans les outils, puis deux élévateurs et un gouvernail sont soudés en une seule équipe pendant la nuit. »

En 2008, KVE avait commencé les tests de cisaillement à un tour (SLS) du ruban UD CF/PEKK et produisait des démonstrateurs pour le programme TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure). En 2010, elle avait terminé des simulations 3D de stratifiés UD CF soudés par induction avec protection contre la foudre (LSP) et avait travaillé avec des stratifiés épais (≤5 mm pour UD PEEK et PEKK, ≤15 mm pour tissu en fibre de carbone/PPS). KVE avait également conçu et construit un gouvernail TPC pour The Boeing Co. (Chicago, IL, US) Phantom Eye UAV, que Boeing a ensuite commencé à produire en 2011. En 2014, la société avait produit des démonstrateurs UD CF/PEKK soudés par induction et travaille maintenant avec plusieurs équipementiers et fournisseurs de niveau 1 pour aider à qualifier cette technologie pour d'autres structures d'avions.

Passer du tissu au ruban UD

Le soudage par induction est bien adapté au tissu en fibre de carbone, dit Offringa, "mais avec le ruban UD, il y a un nouvel ensemble de défis pour atteindre des vitesses de production."

Comme l'a expliqué le Dr Michel van Tooren, directeur du SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, qui fait partie du McNair Center de l'Université de Caroline du Sud (Columbia, SC, US), « Pour l'induction dans les stratifiés CFRP, vous avez besoin de fibres à deux angles différents - de préférence des angles aussi éloignés que possible - pour que les courants de Foucault soient générés. L'orientation perpendiculaire 0° et 90° des fibres dans le tissu tissé est idéale, permettant de générer des courants de Foucault dans chaque pli du stratifié. Avec les piles de stratifiés UD, cependant, il est courant d'avoir des plis à 45° intercalés de sorte que la différence d'angle soit plus petite. « Le mécanisme de chauffage par courants de Foucault est affecté car ces directions ne sont pas perpendiculaires , ajoute Maarten Labordus, responsable R&D chez KVE. « Il n'y a pas non plus de croisement de fibres distinct entre les plis, ils sont simplement superposés. Ainsi, vous avez besoin de plus de puissance pour induire du courant par rapport aux stratifiés en tissu. »

Cependant, ajouter plus de puissance ne facilite pas la gestion du processus de soudage. L'équilibrage de la puissance électrique et de la température sur la ligne de soudure n'est pas simple car le processus de soudage par induction change non seulement avec la séquence d'empilement, mais aussi avec l'épaisseur du stratifié et la géométrie de la pièce. « Nous examinons donc les paramètres du processus et la manière dont la chaleur est générée dans les matériaux », explique Sebastiaan Wijskamp, ​​directeur technique de TPRC. « Nous voulons avoir des directives et des outils de conception pour prédire les performances de soudage à l'avance. Si vous souhaitez passer de Fabric à UD, comment pouvez-vous le faire rapidement sans avoir à passer par un processus d'essais et d'erreurs ? Idéalement, des simulations basées sur les propriétés de conductivité électrique et thermique des fibres et des polymères, même pour un certain drapage, et prenant également en compte la géométrie des pièces, vous permettraient de concevoir votre procédé de soudage par pièce. Nous menons des recherches en collaboration avec KVE et Michel van Tooren au McNair Center pour développer la compréhension fondamentale de ces directives et outils. »

« Nous quantifions tous ces facteurs - UD vs. tissu, séquence d'empilement, zones de plus de résine et moins de résine - et établissons leur relation, puis nous l'ajoutons au modèle de soudage général », explique Labordus (Fig. 3) . Les zones à forte teneur en résine agissent comme un isolant, retardant la chaleur, tandis que les zones où la teneur en résine est plus faible (et la teneur en fibres est plus élevée) facilitent le chauffage. "Au début, nous étions à 40 % sur nos prévisions de soudage avec UD, mais maintenant nous sommes à moins de 10 % et nous nous rapprochons de nos niveaux de haute précision pour le tissu CF/PPS", ajoute Labordus.

Van Tooren est également proche de pouvoir prédire performances de soudage par induction pour les stratifiés UD. « D'ici fin 2018, nous disposerons d'un outil de simulation qui fonctionne pour des géométries relativement simples, aidant à identifier la forme de bobine, la puissance, la vitesse du robot et le profil de chauffe nécessaires pour une application donnée. Cette capacité de prédiction est développée en parallèle avec des tests physiques pour soutenir l'utilisation de composants TPC soudés dans des structures primaires plus grandes pour les futurs avions. Le laboratoire de Van Tooren est un partenaire de recherche avec KVE et l'un des quatre sites - avec l'installation de KVE à La Haye, le Centre aérospatial des Pays-Bas (NLR, Amsterdam) et le Centre de recherche sur les composites ThermoPlastic (TPRC, Enschede, Pays-Bas) - qui a installé un configuration standardisée de soudage par induction développée par KVE (Fig. 4) pour soutenir la qualification des processus chez les équipementiers et les fournisseurs de niveau 1 (voir « Nouveaux horizons dans le soudage des composites thermoplastiques »).

Bobines d'induction sur mesure

Une approche alternative de soudage par induction a été utilisée par Composite Integrity (Porcelette, France) pour développer le procédé de « soudage par induction dynamique » utilisé pour joindre les longerons de ruban CF/PEKK UD et les peaux de fuselage dans la démonstration de la structure Arches TP de STELIA Aerospace (Toulouse, France) projet, dévoilé au salon du Bourget 2017 (Fig. 5). Composite Integrity est la division composites de l'Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, France). « Nous nous appuyons sur plus de 100 ans d'expérience d'IS Groupe dans le soudage des métaux pour concevoir et fabriquer nos propres bobines d'induction optimisées pour chaque matériau, épaisseur et forme de pièce, y compris des bobines spécifiques pour le tissu tissé, le tissu non frisé et l'UD », explique l'activité Composite Integrity. responsable du développement Jérôme Raynal. "Le problème majeur avec UD est qu'il n'y a pas de nœuds de soudage pour générer du courant d'induction, nous avons donc besoin d'une bobine spécifique - dans ce cas, une multi-bobine."

Fondé sous le nom de Pôle de Plasturgie de l'Est (PPE) il y a 25 ans, Composite Integrity est un leader dans le moulage par transfert de résine (RTM) et les structures d'avions infusées de résine époxy avec les entreprises aérospatiales françaises. Intégrée au Groupe IS en 2016, elle a développé avec Aviacomp (Launaguet, France) la technologie de soudage de co-consolidation utilisée dans les portes d'accès carburant TPC de l'Airbus A350. « Les composants résistifs à la surface des pièces composites intérieures et extérieures moulées transmettent de la chaleur à la ligne de soudure », explique Raynal.

Composite Integrity a commencé à travailler sur le projet STELIA Arches TP en 2015, permettant le soudage par induction de pièces courbes de la taille d'un fuselage. Le processus est décrit comme « dynamique » car le robot soude les longerons sur toute la longueur du fuselage et s'adapte aux formes 3D, y compris le mouvement dans la direction z pendant le soudage. « Tant les longerons que la peau du démonstrateur STELIA ont un changement d'épaisseur », explique Raynal. Un rail en aluminium sert de gabarit de fixation pour empêcher le mouvement du limon sur la peau lors de sa soudure. Pour le démonstrateur, une pression a été appliquée via deux rouleaux dans la tête de soudage. Ceux-ci se trouvent au-dessus de la bobine. Pendant le soudage, les rouleaux courent le long du longeron, à côté du rail de fixation pendant que la bobine se déplace sur la ligne de soudure.

« Nous avons maintenant développé une nouvelle tête de soudage en instance de brevet, qui utilise un seul rouleau et augmente les propriétés mécaniques de la ligne de soudure », note Raynal. "Nous avons également un dispositif de refroidissement soufflant de l'air sur la surface de soudage en pression pour être sûr que nous sommes en dessous de la température de cristallisation, il n'y a donc aucun risque de décompactage une fois la pression relâchée."

La disposition pour le refroidissement affecte également la cristallinité de la matrice thermoplastique au niveau de la ligne de soudure. «Nous testons pour mesurer que la cristallinité répond aux normes aérospatiales, puis établissons les paramètres correspondants pour le processus de soudage», explique Raynal. La vitesse est également un facteur. « Pour le démonstrateur, la vitesse était de 2 m/min, mais notre objectif est désormais de 5 m/min », précise-t-il. « La gestion du refroidissement et de la cristallinité du PEEK et du PEKK est plus compliquée, ce qui affecte la vitesse globale de soudage, mais nous avons de bons résultats avec les deux, en utilisant des feuilles organiques conventionnelles qualifiées par Airbus. » L'épaisseur maximale des pièces soudées jusqu'à présent est de 5 mm. "Nous l'avons démontré, qui correspond à peu près à l'épaisseur que vous auriez dans les composants structurels", observe Raynal. « Pour STELIA, nous avons utilisé la fibre de carbone comme conducteur sans métal dans l'interface, mais maintenant nous développons une technologie pour souder n'importe quelle fibre - fibre de verre, par exemple - sans treillis métallique également. Nous n'ajoutons pas de matériau à l'interface, mais nous pouvons souder UD à tissé et UD à UD, sans problème », affirme-t-il.

Soudage par ultrasons

La troisième technique la plus courante, le soudage par ultrasons, est une autre technologie avec laquelle GKN Fokker a accumulé une expérience significative. Le processus utilise une sonotrode pour générer des vibrations à haute fréquence (20-40 kHz) qui provoquent une chaleur de friction et une fusion au niveau des surfaces de soudure.

« C'est bon pour les soudures par points », déclare Offringa, notant que pour les avions Gulfstream, « nous avons utilisé le soudage par ultrasons pour joindre plus de 50 000 pièces en TPC moulées par injection aux panneaux de plancher. C'est très rapide et hautement automatisé, mais c'est une soudure par points, à un seul endroit. Pourtant, il voit un potentiel pour cette méthode dans la production d'un fuselage intégré, comme celui proposé dans le démonstrateur de fuselage multifonctionnel du programme Clean Sky 2 (voir « De nouveaux horizons dans le soudage des composites thermoplastiques »). "Les supports de fuselage sont souvent collés, rivetés ou boulonnés aux structures de fuselage composites thermodurcissables actuelles", observe Offringa. « Avec le soudage par ultrasons, vous pouvez obtenir une très bonne connexion avec des supports, qui sont souvent en thermoplastique non renforcé. »

Le soudage par ultrasons est utilisé avec les plastiques depuis plusieurs décennies, généralement avec des directeurs d'énergie à l'interface de soudure. Ces nervures triangulaires ou rectangulaires de résine pure, moulées dans les surfaces à souder, augmentent la génération de chaleur locale. Cependant, Irene Fernandez Villegas de l'Université de technologie de Delft (TU Delft, Delft, Pays-Bas) a montré que des films thermoplastiques non renforcés de 0,08 mm d'épaisseur peuvent être utilisés à leur place. "Elle travaille au développement du soudage par ultrasons continu", explique Offringa, et ce travail se poursuit au sein de Clean Sky 2.

Dans son article de 2016, intitulé « Soudage par ultrasons intelligent de composites thermoplastiques », Villegas déclare qu'il est possible d'étendre le processus de soudage par ultrasons via un soudage séquentiel, c'est-à-dire en laissant une ligne continue de soudures par points adjacentes servir le même objectif qu'un cordon de soudure. Le soudage par points séquentiel à l'échelle du laboratoire a été utilisé dans le panneau de cellule TPC du démonstrateur Clean Sky EcoDesign, en utilisant des directeurs d'énergie plats pour souder une charnière CF/PEEK et des clips CF/PEKK aux cadres en C CF/PEEK (Fig. 6). Des comparaisons expérimentales avec des joints fixés mécaniquement lors d'essais de cisaillement à double recouvrement et de traction se sont révélées prometteuses. Le processus est exploré plus en détail dans les articles de 2018 par Tian Zhao, membre de l'équipe TU Delft de Villegas.

Kupke rapporte que DLR ZLP travaille également sur le soudage par ultrasons continu basé sur un robot. « Le soudage par points est l'état de l'art actuel, mais le nôtre est vraiment continu », dit-il. « Nous optimisons le processus sur un banc d'essai d'environ 1 m de long, en réalisant des études paramétriques en utilisant différents matériaux et configurations. Bien que la machine à souder et la commande numérique soient conçues pour un robot manipulateur, nous explorons toujours comment affiner la tête et quelle vitesse et énergie fonctionnent le mieux pour chaque matériau et épaisseur de stratifié. Notre objectif est de montrer que l'on peut faire des soudures très longues, comme les joints d'un fuselage.

Soudure laser

Bien que le soudage par transmission laser ait été abordé dans la revue de 2004 de Yousefpour sur les technologies de soudage TPC, il a depuis été considérablement avancé par Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH, Hanovre, Allemagne). Dans ce processus, la lumière laser est d'abord passée à travers une pièce qui est transparente ou partiellement transparente dans la gamme spectrale proche infrarouge (par exemple, un thermoplastique non renforcé ou une fibre de verre TPC). La lumière est ensuite absorbée par de la fibre de carbone ou des additifs conducteurs dans une seconde partie adjacente, transformant l'énergie laser en chaleur, ce qui crée la soudure entre les deux matériaux.

Offringa chez GKN Fokker souligne que de nombreux supports d'avions moulés par injection sont transparents au laser. Il voit un grand potentiel pour l'utilisation du soudage au laser pour réaliser l'assemblage de ces supports sur des structures de fuselage en CFRP sans trous, sans poussière ni attaches. Bien que le type de renfort et l'épaisseur du stratifié affectent la soudure, LZH a démontré de bons résultats avec les stratifiés PPS et polyétherimide (PEI) renforcés de fibres de verre et de carbone dans le projet de soudage par transmission laser de structures composites thermoplastiques (LaWoCS, 2010-2013), qui comprenait également KVE, TenCate Advanced Composites (Nijverdal, Pays-Bas), Unitech Aerospace (Yeovil, Royaume-Uni) et Element Materials Technology (Hitchin, Royaume-Uni). LZH a breveté cette technologie et a été finaliste du JEC World Innovation Award 2018 dans la catégorie des applications aérospatiales pour les « Panneaux de renforcement thermoplastiques modulaires », où une grille de renforcement CFRTP estampée est soudée au laser à une peau composite. Les partenaires du projet comprenaient les sociétés allemandes Fraunhofer ICT (Pfinztal), Airbus Operations (Hambourg), ElringKlinger (Dettingen an der Erms) et KMS Automation (Schramberg), ainsi que TenCate.

Soudage par conduction

Après avoir industrialisé le soudage par induction, GKN Fokker a développé le soudage par conduction (Fig. 7). « Il s'agit d'une nouvelle technologie », déclare Offringa. « Une sorte de fer chaud est utilisé pour conduire la chaleur à travers au moins une des pièces à assembler. Comme pour le soudage par résistance, le temps de traitement est indépendant de la longueur de soudure. Ainsi, que la jonction soit d'un demi-mètre ou de 10 m, le temps de traitement est le même pour les deux. En effet, les deux techniques utilisent l'électricité pour fournir de la chaleur sur toute la longueur en quelques secondes. Le panneau de fuselage orthogrille TPC présenté au JEC 2014 présentait un soudage par conduction. « Les cadres ont été soudés dans une deuxième étape à l'aide d'un robot avec un effecteur de soudage », explique Offringa. « Le panneau de fuselage était courbé et les cadres étaient assez courts. Cependant, cette méthode pourrait bien fonctionner pour souder des longerons de 6 à 10 m de long sur des revêtements de fuselage. »

Contrôle de processus en ligne et au-delà

Une étape clé dans la maturation du soudage TPC pour les structures de fuselage est la capacité de surveiller et de gérer le processus in situ. « À l'heure actuelle, notre processus de soudage par induction est préconfiguré », explique van Engelen chez KVE. « Nous utilisons des thermocouples dans la ligne de soudage pour calibrer le processus. Mais nous préférons mesurer la température dans la soudure et la renvoyer pour gérer la puissance de la bobine.

«Nos processus de soudage sont contrôlés numériquement et toutes les données de processus sont stockées», explique Offringa chez GKN Fokker, «mais nous nous dirigeons vers un contrôle de processus en ligne, basé sur la mesure de la température en temps réel.» Il pense que cela est possible pour le soudage par induction et par résistance d'ici quelques années, alors que le soudage par ultrasons est déjà assez proche. Villegas à TU Delft déclare que la surveillance du processus in-situ du soudage par ultrasons séquentiel est possible sur la base des courbes de puissance et de déplacement fournies par la machine à souder, qui permettent de définir rapidement les paramètres de traitement optimaux.

En plus du contrôle des processus, KVE travaille également sur l'inspection en ligne. « Si la soudure présente un problème, nous revenons simplement en arrière et la ressoudons », explique van Engelen.

« C'est pourquoi les composites thermoplastiques sont si bons », note Raynal chez Composite Integrity. « Le ressoudage ne leur fait pas de mal. Nous avons une technologie spécifique pour souder et de-souder avec une soudure par résistance pour démonter en injectant du courant. Son entreprise développe également l'inspection en ligne. « Nous aurons une cellule thermographique juste après la tête de soudage par induction et vérifierons la soudure par thermographie en direct », précise Raynal. Van Tooren poursuit également la surveillance et l'inspection des processus in situ, mais en utilisant des capteurs à fibre optique, y compris le système ODiSI de Luna (Roanoke, VA, États-Unis), qui fournit plus de 1 000 points de capteur par mètre.

TPRC et van Tooren ont chacun des projets en cours pour développer un contrôle de processus en ligne pour le soudage par induction de grandes structures incurvées et d'épaisseurs variables, y compris les accumulations de plis et les chutes dans les longerons. Van Tooren développe également le soudage par induction sous vide. « Cela devient comme un outillage souple pour la compression des deux surfaces à souder », dit-il, et vise actuellement des applications de réparation potentielles (voir « Nouveaux horizons dans le soudage des composites thermoplastiques »). Van Engelen’s list of KVE future developments also includes TPC repair, induction welding of glass fiber TPCs, nonaerospace applications and flux concentrators. “We are developing reflective materials to concentrate the electromagnetic field at the weldline,” he explains. “You want to put the energy here instead of at the part’s outer surface. With these flux concentrators, you direct the energy, similar to how you direct fiber where you want, using automated placement.”

“We are still developing all of the welding technologies,” Offringa sums up, “and exploring new ones. Most importantly, we don’t think there is a single technology with the most promise, but that each has its place.”

Wijskamp notes that with the recent Clean Sky 2 calls for proposals, it has become clear that Airbus wants to use welded TPCs in large airframe structures. “But we have seen this already in our 19 partners that have joined since 2009,” he adds.

Van Tooren believes that a welded, fastenerless, large component, if not a full fuselage, is within reach. “Preferably, on the Boeing New Midsize Airplane, but definitely the next aircraft.”