Van Horn Aviation : pionnier dans la niche des pales de rotor composites

Comme beaucoup d'entreprises fabriquant des pièces composites, Van Horn Aviation (VHA, Tempe, AZ, USA) a abordé le matériau avec peu d'expérience mais une volonté intrinsèque d'aider les clients à résoudre leurs problèmes, une soif d'apprendre et l'envie de faire avancer l'entreprise. Ironiquement, pour VHA, tout a commencé par une pale — ou plus précisément, une pale de rotor.

De la conception à la fabrication intégrée

Jim Van Horn a fondé l'entreprise à Tempe en 2000, avec un plan simple : concevoir et fabriquer des pales de rotor métalliques de remplacement (queue et principal) pour hélicoptères encore en service mais plus produits. Bonne idée : le Bell UH‑1 Huey, l'un des hélicoptères les plus vendus au monde, n'était plus en production mais des milliers d'unités restaient en service. VHA a regardé la pale de queue de cet appareil et vu une opportunité lucrative non seulement de la remplacer, mais de la mieux remplacer. Plus VHA avançait dans la conception de pales, plus il apparaissait qu'un design optimal nécessitait des matériaux composites.

Un seul problème, selon Dean Rosenlof, président de VHA, arrivé peu après l'ouverture il y a 18 ans : « Nous n'avions aucune expérience en composites. Pour maîtriser notre destin, nous savions qu'il fallait internaliser cette capacité. Nous étions responsables de la conception ; nous devions l'être pour la fabrication. »

Comment un bureau d'études se transforme‑t‑il en fabricant composites sans expérience ? « Tout reposait sur l'approvisionnement matériaux et les fournisseurs », note Rosenlof. VHA a dépendu de quelques grands fournisseurs de matériaux composites pour lancer son expertise : Toray Composite Materials America Inc. (Tacoma, WA, USA), Evonik Foams Inc. (Theodore, AL, USA) et adhésifs 3M (St. Paul, MN, USA). Finalement, VHA a dû apprivoiser les composites par lui‑même et a progressivement bâti sa propre expertise.

VHA, précise Rosenlof, a passé plus d'une décennie à perfectionner ses capacités composites. Dans le processus, l'entreprise a bâti une réputation de conception et fabrication de pales de rotor de haute qualité, haute performance, haut rendement, dépassant les spécifications OEM. Résultat : VHA est fournisseur certifié Bell de pales de remplacement — une bénédiction du constructeur d'hélicoptères, jalousement gardée et hautement convoitée. Aujourd'hui, VHA a trois produits établis : pale principale pour Bell 206B3 Jet Ranger, pale de queue pour Bell 206B3/OH‑58 Jet Ranger, et pale de queue historique UH‑1 Huey.

Sur le plancher de production

Après une revue de la stratégie et du positionnement de VHA, Rosenlof emmène CW sur le plancher de production, où travaille la majeure partie des 28 employés. En chemin, il montre quelques ingénieurs conception, la « sauce secrète » de VHA. Il note que VHA est devenu particulièrement habile à optimiser divers paramètres de conception qui rendent ses produits remarquables : coefficient de portance et de traînée, moment de pas et vibrations.

Les pilotes d'hélicoptères, explique Rosenlof, sont très sensibles au « ressenti » qu'une pale de rotor transmet au pilotage et au vol, donc VHA consacre beaucoup de temps aux essais en vol pour valider les performances.

« Les pales en rotation sont un champ de tension — centrifuge », note‑t‑il. « Et un composite se comporte différemment dans ce champ qu'une pale métallique. » En fait, les pales de rotor d'hélicoptère sont l'une des rares structures composites au monde qui perdent en avantage en perdant du poids. Rosenlof appelle cela le « weight bogey » : une pale pas assez lourde se comporte différemment de l'alternative tout métal. De ce fait, toutes les pales de VHA sont surdimensionnées pour réinjecter du poids dans le système.

Par-dessus cela, « Les gens de l'aérospatiale détestent le changement », dit‑il, signifiant qu'un passage d'une pale métallique à une pale composite doit idéalement préserver les caractéristiques de performance auxquelles le pilote est habitué. C'est un équilibre délicat, que VHA gère habilement. La ligne de fond reste la sécurité, et l'entreprise y a excellé. « Les échecs pendant les tests et le développement nous aident à redessiner de meilleures pales », dit Rosenlof. « Nous sommes bons là‑dedans. Quand nous allons sur le marché, nous devons d'abord ne pas nuire à l'avion et à l'équipage, puis chercher des améliorations de performance. C'est notre travail. »

La visite quitte les ingénieurs et arrive dans la zone de production des pales de rotor. Comme dans beaucoup d'ateliers composites, la fabrication chez VHA commence par la découpe de plis, sur une table de découpe automatisée plane de 3 m fournie par Eastman Machine (Buffalo, NY, USA). La plupart du préimprégné utilisé est la version unidirectionnelle du Torayca 2510, basé sur la fibre de carbone Toray T700G 12K. Pour la couche externe des pales, VHA utilise la version tissé uni du Torayca 2510, basée sur la fibre Toray T700S 12K. Rosenlof dit que VHA a eu de bonnes expériences avec le préimprégné 2510, traitable en autoclave ou hors autoclave, fourni par Toray comme produit standard, facilement disponible.

Les plis, sortis de la table, sont kités et préparés pour le drapage, étape suivante, réalisée dans une salle blanche adjacente. Toutes les pales de VHA ont une construction sandwich : cœur mousse Evonik Rohacell entouré de plis UD Torayca. VHA usinait initialement les cœurs en interne, mais a fini par sous‑traiter à Evonik, qui le fait à Mobile, AL, USA.

Le drapage est manuel. Les pales principales sont drapées dans un grand moule composite au centre de la salle. Les pales de queue sont posées sur des établis verticaux. Le positionnement des plis est guidé par des repères sur le moule. Pour les zones où la fibre de carbone est en contact direct avec la mousse (doublures, longerons), des zones évidées précoupées dans la mousse guident le placement. VHA utilise des contre‑moules (cauls) sur toutes ses pales, y compris, par endroits, le caoutchouc non silicone non durci Airpad d'Airtech (Huntington Beach, CA, USA), formable en feuilles de pression et mandrins flexibles.

Chaque pale fabriquée par VHA inclut un raccord en titane pour fixer la pale au mât de rotor, pièce critique de chaque drapage. Fabriqués en interne par VHA, ces raccords nécessitent des renforts de plis additionnels autour d'eux pour maintenir l'intégrité de la pale.

Les drapages finis sont transférés vers l'un des deux autoclaves de VHA, chacun long d'environ 7,3 m. Le préimprégné époxy Torayca utilisé par VHA nécessite une polymérisation standard à 121 °C.

Après polymérisation, les pales passent en atelier d'usinage, où elles sont tronçonnées aux dimensions finales. C'est aussi là que VHA fabrique presque toutes les pièces métalliques utilisées dans les pales : raccords titane et bandes d'abrasion nickel pour le bord d'attaque. VHA exploite deux centres d'usinage verticaux CNC, deux horizontaux et une découpeuse à jet d'eau OMAX (Kent, WA, USA). Trois CNC viennent de Haas Automation (Oxnard, CA, USA) ; un de DMG Mori Seiki (Nagoya, Japon).

Enfin, VHA soumet ses pales à des tests rigoureux, avec divers bancs et machines pour évaluer équilibre, résistance et rigidité. VHA possède aussi son propre hélicoptère Bell 206B pour évaluer les propriétés dynamiques des pales, dont le « ressenti » si important pour les pilotes.

Interrogé sur l'inspection non destructive (IND), Rosenlof note que VHA n'en fait pas. « Nous avons une qualité dépendante du processus », dit‑il. « Nous surveillons température, pression et temps, et tant que nous restons dans les specs, nous faisons de bonnes pales. » Rosenlof souligne aussi que beaucoup du contrôle processus/qualité de VHA se concentre sur les tolérances de la surface supérieure de la pale, côté « fonctionnel » le plus critique pour la performance.

Prochaines étapes

Le travail de VHA sur les pales n'est pas fini. L'entreprise développe déjà de nouveaux produits : pales de queue et principales pour le biturbine deux pales Bell 212, et le biturbine quatre pales classe Huey Bell 412. Rosenlof ajoute que VHA travaille sur des technologies de co‑polymérisation pour gagner en efficacité de fabrication.

Au terme de la visite, Rosenlof note que bien que VHA soit une opération relativement petite (30 personnes au total, direction et main‑d'œuvre), l'entreprise a créé une niche unique, en internalisant boldement et confiantement la fabrication composites. Cette niche, aussi robuste soit‑elle, ne s'est pas construite simplement et, en ce sens, est bien méritée. « Nous sommes », plaisante‑t‑il, « un succès du jour au lendemain de 18 ans. »