Boeing dévoile la première section de fuselage composite pour le 787 Dreamliner

En 2003, lorsque The Boeing Co. (Chicago, IL, USA) a annoncé le développement de son futur 787, l'accent a été mis sur l'utilisation inédite de composites carbone pour le fuselage, les ailes, l'empennage et autres structures majeures, remplaçant l'aluminium standard depuis des décennies. Presque aussi notable fut la décision de Boeing de sous-traiter la fabrication de ces structures à un réseau mondial de fournisseurs livrant des sous-ensembles complets, assemblés sur la ligne finale d'Everett (WA, USA). Parmi ces fournisseurs : Mitsubishi Heavy Industries et Kawasaki Heavy Industries (Tokyo, Japon), Alenia Aeronautica (Naples, Italie) et, surtout aux États-Unis, Spirit AeroSystems.

Spirit AeroSystems : maître d'œuvre de la Section 41

Spirit a été choisi pour fabriquer l'ensemble du fuselage avant du 787 — la Section 41 — comprenant le poste de pilotage, ses vitrages, deux portes, neuf hublots passagers et tout l'avionique, les sièges et le câblage. Longue de 12,8 m pour 6,2 m de diamètre, la Section 41 est sans doute la plus complexe des sections de fuselage.

Ce choix n'a rien d'étonnant. L'histoire de Spirit remonte à 1927, quand Lloyd Stearman a déplacé sa Stearman Aviation Co. de Californie à Wichita. Deux ans plus tard, Boeing (alors United Aircraft and Transport Corp.) a acquis Stearman. L'usine de Wichita a produit des avions militaires emblématiques : B‑29 Superfortress, B‑47 Stratojet et B‑52 Stratofortress.

En 2005, au lancement du développement de la production du 787, le campus de Wichita avait été vendu par Boeing et renommé Spirit AeroSystems. Eric Hein, directeur senior R&D et ManTech, affirme que l'entreprise — désormais présente aux USA (Kansas, Oklahoma, Caroline du Nord), en Écosse, France et Malaisie — possède la plus grande capacité de fabrication aéronautique commerciale au monde. Outre le 787, Spirit construit des structures majeures (majoritairement métalliques) pour les Boeing 737, 747, 767, 777 ; les Airbus A320, A350 (aussi riches en composites) et A380 ; le Bombardier CSeries ; le Mitsubishi MRJ ; l'hélicoptère Sikorsky CH‑53K et le convertible Bell V‑280. Spirit a réalisé 7 milliards $ de chiffre d'affaires en 2017 et dispose d'un carnet de commandes de 46 milliards $.

Un fuselage monolithique

La visite de CW est guidée par José Sanchez, directeur senior des opérations 787 chez Spirit. Spirit construit sa portion de fuselage 787 comme une structure monolithique, combinant un procédé automatisé de pose de fibres/rubans avec des longerons co-polymérisés pour former un baril en une pièce. (Notons qu'Airbus a conçu plus tard l'A350 XWB avec un fuselage en panneaux composites, pas en une pièce ; Spirit fabrique les panneaux de fuselage A350 à Kinston, NC, USA, et les assemble en France.)

Les composites pour les structures primaires du 787 proviennent de Toray Industries (Tokyo, Japon) : préimprégné Torayca série 3900, fibre de carbone T800S à module intermédiaire, résine durcie. Le préimprégné est fourni sous forme de ruban UD, ruban fendu (pour pose automatisée) et tissus tissés.

La conception du fuselage 787 impose deux opérations de base : découpe/formage des longerons et pose de fibres pour le revêtement. L'enjeu est de combiner longerons et peau pour obtenir une structure co-polymérisée. Spirit et Boeing accordent donc une importance cruciale à la fabrication des longerons, première étape de la visite.

Cette ligne hautement automatisée utilise une table de découpe American GFM (Chesapeake, VA, USA) pour tailler le préimprégné Torayca série 3900 en plis. Ceux-ci sont transférés sur une table de kitting, où ils sont empilés manuellement, guidés par un laser LAP Laser (Erlanger, KY, USA), puis préparés pour le formage. Sanchez souligne que cette ligne incarne une grande partie de la propriété intellectuelle de Spirit pour la Section 41 et est critique pour l'usine.

Les longerons préformés sont placés par les opérateurs sur le mandrin de la Section 41, qui devient le centre de toutes les opérations composites. Le mandrin, en composite carbone/bismaleimide (BMI), comporte six segments, chacun divisé longitudinalement. Des rainures usinées sur toute la longueur accueillent les longerons, face plate vers l'extérieur.

Une fois tous les longerons en place, les opérateurs surfaçent le mandrin d'un tissu entrelacé de fils (IWWF) de Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, USA), assurant la protection contre la foudre de tout le fuselage 787. L'ensemble est ensuite enveloppé d'un film de mise sous vide, qui maintient l'IWWF et les longerons en place pendant le transfert au poste de pose automatisée de fibres (AFP), où le film est retiré.

La pose automatisée de fibres (AFP) à grande échelle

Peu de procédés symbolisent mieux l'usage des composites sur le 787 que le système AFP pour le revêtement de fuselage. L'AFP existait depuis des années, mais l'innovation du 787 réside dans l'échelle d'application : peu de structures composites AFP approchent la taille d'une seule section de fuselage 787.

Au démarrage de la production 787 à Wichita, l'AFP utilisait une machine à 32 bobines d'Ingersoll Machine Tools (Rockford, IL, USA). Mais au début des années 2000, Boeing a travaillé avec Electroimpact (Mukilteo, WA, USA) pour développer une nouvelle machine AFP à têtes modulaires interchangeables. Chaque tête stocke toutes les bobines de fibre pour un type d'opération et peut être échangée selon la largeur de ruban requise.

Spirit conserve sa machine Ingersoll d'origine en secours, mais a acquis deux machines Electroimpact pour la majeure partie de la fabrication de la peau de la Section 41. Chaque machine, équipée d'une tête à 16 bobines (rubans de 0,25 et 0,50 pouce / 6,35 et 12,7 mm), travaille de concert pour déposer le matériau sur le mandrin. Le mandrin est monté horizontalement et tourne sur un axe, tandis que les têtes parcourent chaque côté, posant des rubans en parcours courts et très prescrits. On voit aisément, sous les lumières vives de l'usine, la diversité des angles de rubans déjà déposés.

Sanchez ne révèle pas le temps nécessaire aux deux machines pour poser toutes les fibres d'une peau de fuselage, se contentant de dire qu'il est « très rapide ». Toute l'opération AFP est gérée par trois opérateurs : un en cabine de contrôle surplombant le mandrin, les deux autres au sol, lampes torches à la main, inspectant la surface des rubans préimprégnés à la recherche de gaps, recouvrements, irrégularités, plis et débris étrangers (FOD). Les défauts doivent être corrigés avant polymérisation.

Polymérisation et finition

Étape suivante pour la Section 41, après un nouvel emballage complet : l'autoclave. Spirit Wichita exploite deux énormes autoclaves Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, USA). La section est polymérisée nuitamment, puis débagée et le mandrin à six segments est démonté et retiré section par section par l'extrémité large du fuselage.

S'ensuivent plusieurs jours de passage de poste en poste vers l'achèvement : passage sur une fraiseuse-perceuse à portique 5 axes MTorres (Torres de Elorz, Espagne) pour percer les trous des cadres de fuselage, autres structures intérieures, ouvertures de portes, hublots et train d'atterrissage avant. Le fuselage subit aussi une inspection non destructive par ultrasons à écho d'impulsion, préparation peinture, peinture, pose des vitrages, installation des portes et de toutes les structures/systèmes intérieurs. Les premiers éléments intérieurs installés sont les cadres circulaires (métalliques et composites), fixés aux longerons et à la peau. Tout au long, la Section 41 est travaillée quille en haut ou en bas selon l'opération.

Lors de la visite de CW, une trentaine de postes étaient observés, chacun accueillant une Section 41 à un stade d'assemblage, chaque section quittant Wichita prête pour intégration immédiate sur la ligne finale Boeing à Everett. Boeing produit actuellement 12 787 par mois, avec un engagement de 14 par mois d'ici 2019 — un rythme inhabituellement élevé pour un gros-porteur.

Sanchez note que Spirit travaille sur la Section 41 — développement ou production — depuis près d'une décennie. Tous les bugs et particularités ont été identifiés et résolus. Atteindre ce rythme de 14 ensembles/mois ne posera pas de problème.

R&D de nouvelle génération

La visite se poursuit dans un bâtiment voisin pour rencontrer Pierre Harter, directeur de la recherche avancée chez Spirit. Ancien ingénieur chez Adam Aircraft (Denver, CO, USA) et Bombardier (Montréal, Canada), diplômé de Wichita State University, Harter mène CW dans un bâtiment à l'apparence banale qui s'avère être le cœur de la R&D composites de Spirit.

Si la ligne de fabrication Section 41 est sophistiquée, elle repose sur une technologie de fabrication composites nouvelle il y a plus de dix ans. Les réalités de la qualification aéronautique (coût et temps) forcent Spirit et ses pairs à figer une technologie tôt et à la conserver pour la durée du programme. L'amélioration d'équipements et matériaux est donc souvent limitée, malgré les avancées récentes.

Le rôle de Harter est d'évaluer nouveaux matériaux et technologies composites émergents et de déterminer lesquels équiperont les avions de prochaine génération. Avec le 787 et l'A350 en production, toute la chaîne d'approvisionnement aéronautique anticipe le prochain grand programme commercial et s'assure d'acquérir les connaissances et l'expertise que les OEM exigeront.

La sagesse conventionnelle désigne le prochain programme comme le New Middle‑Market Airplane (NMA ou 797) de Boeing, remplaçant le 757, attendu vers 2025. Il utilisera certainement des composites, mais les questions pour la R&D de Spirit sont : combien ? Où ? Quel type ? Personne ne connaît les réponses, alors Harter et son équipe évaluent toutes les options. « Nous travaillons sur une variété de projets », dit Harter. « Hors autoclave, RTM rapide, thermoplastiques, outillage innovant, inspection en ligne, orientation de fibres. Nous voulons être prêts pour ce dont les OEM auront besoin. »

La pièce maîtresse du laboratoire composites de Spirit Wichita est une machine AFP Electroimpact à 16 bobines (rubans 0,125 ; 0,25 ; 0,5 pouce), utilisée pour des études comparatives sur l'inspection automatisée en ligne et divers autres travaux, dont le prototypage. L'objectif du système d'inspection automatisée, selon Harter, est d'éliminer le travail fastidieux et laborieux observé plus tôt : techniciens AFP scrutant la surface à la lampe torche pour détecter recouvrements, gaps, plis et FOD.

Spirit évalue un système LASERVISION d'Aligned Vision (Chelmsford, MA, USA), qui oblige à repenser ce qui est ou n'est pas un vrai défaut, « et à repenser comment nous caractérisons les défauts ». Le système pourrait être opérationnel en production d'ici fin d'année.

Au-delà de l'AFP, Spirit a divers projets à divers niveaux de maturité technologique (TRL) :

• Outil en polymère à mémoire de forme (TRL 6),
• Section de longeron en HiTape de Hexcel (Stamford, CT, USA) (fibre sèche) par RTM (TRL 6),
• Longeron infusé avec capteurs embarqués pour contrôle de processus in-situ, polymérisé au four ou autoclave (TRL 4),
• Cadre en AFP à fibres orientées et formage à chaud (TRL 6),
• Outillage imprimé en 3D sur la machine BAAM (Big Area Additive Manufacturing) de Wichita State University, fournie par Cincinnati Inc. (Harrison, OH, USA).

Autres axes de recherche : préformes piquées, AFP/ATL robotique, innovation de têtes AFP. Cette dernière a émergé d'un défi fin 2016 chez Spirit : doubler les taux de dépôt AFP en deux ans. Harter et ses collègues ont découvert qu'« une fois les processus robotiques optimisés, on bute sur les limites de la technologie tête/machine », le facteur limitant devenant l'efficacité de distribution des fils de fibre. Spirit collabore avec Electroimpact et les fournisseurs de matériaux sur des technologies pour augmenter le débit total.

Dernière étape de la visite : essais matériaux et composants. Spirit dispose de capacités robustes : 15 machines d'essais mécaniques (11‑50 kip) MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, USA), enceintes d'essais environnementaux, jauges de contrainte, systèmes de métrologie et grand volume pour essais composants à échelle réelle — structures d'ailes et inverseurs de poussée étaient en test de contrainte lors de la visite de CW.

Au terme de la visite, au vu des considérables capacités composites de Spirit, on se demande à quoi ressemblera la prochaine décennie pour ce majeur aérofabricant. Dans le monde aéronautique global, sa palette de capacités est, sans doute, sans égale. Spirit AeroSystems semble prêt pour l'avenir.