Là où l'art et la science du tressage se rencontrent

Dans l'industrie des composites, il existe quelques processus de fabrication qui, à première vue, semblent relativement simples et faciles à réaliser. Le tressage des renforts en fibres est, sans doute, l'un d'entre eux. Le tressage, en fait, est effectué par un bon nombre de fabricants. En effet, acquérir et utiliser un tresseur pour fabriquer des préformes, des manchons et/ou des tissus en fibre de carbone ou en fibre de verre peut se faire sans un investissement monumental en argent ou en temps.

Cependant, peu d'entreprises dans le monde ont fait du tressage l'objectif de tous de leur attention, de leur expertise, de leur investissement et de leur stratégie. Encore moins nombreux sont ceux qui bénéficient de la réputation établie par A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, États-Unis) pour son excellence technique et artistique et sa vaste expérience avec pratiquement tous les renforts en fibres utilisés aujourd'hui.

Qu'est-ce qu'il y a dans le nom ?

L'A&P est dérivé d'Atkins &Pearce Manufacturing Co., fondée en 1817 pour produire des machines de traitement du coton. Atkins &Pearce a finalement commencé à tresser du coton pour une variété de marchés finaux. Cela s'est poursuivi jusqu'au milieu du XIXe siècle et jusqu'au XXe siècle. En 1986, alors que l'industrie des composites modernes commençait à prendre forme, Atkins &Pearce a vu une opportunité d'appliquer son savoir-faire en tressage à la fabrication de composites et a créé A&P Technology en tant qu'unité de R&D pour évaluer le tressage de fibres techniques. L'activité A&P Technology s'est développée au cours de la décennie suivante et, en 1995, est devenue une filiale en propriété exclusive d'Atkins &Pearce. En 1997, l'entreprise a franchi une étape supplémentaire en transformant A&P Technology en une entreprise indépendante. Aujourd'hui, elle est détenue à 100 % par son président, Andrew Head.

A&P Technology est réparti sur cinq bâtiments sur un campus situé à l'est de la région métropolitaine de Cincinnati. Les visiteurs sont accueillis au Tech Center de 1 255 m2, un bâtiment situé près de l'entrée principale du campus. C'est ici que Pam Schneider, COO, et Mike Braley, VP, Application Engineering, ont accueilli CW pour cette tournée. Schneider fait remonter ses racines A&P il y a plus de 30 ans à la fondation de l'entreprise. Braley a rejoint A&P il y a plus de 20 ans, en provenance de GE Aviation (Evendale, OH, États-Unis), l'un des clients de longue date d'A&P.

Assis au dernier étage du Tech Center, parmi des échantillons de pièces dérivées des contrats de tressage d'A&P, ainsi que des photos héritées des débuts d'Atkins &Pearce, Schneider explique que le succès d'A&P découle principalement de sa capacité à concevoir des solutions matérielles personnalisées pour répondre à une myriade de exigences mécaniques et physiques. Et cela est possible parce que l'équipement de tressage d'A&P est développé et fabriqué en interne, ce qui signifie que l'entreprise est intimement liée à sa technologie, du concept au développement en passant par la fabrication.

Braley affirme que le tressage des renforts en fibres offre un ensemble de capacités matérielles que l'on ne trouve nulle part ailleurs dans l'industrie des composites. « En gros, dit-il, nous pouvons modifier l'architecture de la fibre pour répondre à n'importe quelle dimension spécifique et à toutes les exigences mécaniques spécifiques. »

Tresse 101

Comprendre cette déclaration nécessite une compréhension du tressage lui-même. Au niveau le plus élémentaire, une tresse est un système de fibres continues, mécaniquement imbriquées, de deux ou trois orientations. Le fil est enroulé autour d'une bobine cylindrique et la bobine est montée sur un support. Plusieurs supports sont ensuite attachés à une plaque de tressage avec une piste en serpentin qui guide les supports. Le fil est tiré de chaque support jusqu'au plan de formation au-dessus de la piste de tressage. La tresse peut être orientée horizontalement ou verticalement, et sa taille (nombre de porteurs) dicte le diamètre de la partie tressée finie.

La géométrie de la tresse finie dépend de la forme et de la taille du mandrin, ainsi que de la configuration de la tresse, et est utilisée pour fabriquer des manchons, des préformes 2D et des tissus plats. Dans tous les cas, un tressage bien réalisé offre une structure fibreuse continue, homogène et uniformément répartie, qui confère à la pièce composite finie une excellente résistance aux chocs et à la propagation des fissures.

La personnalisation de l'architecture du tissu référencée par Braley est rendue possible par les variables qui peuvent être ajustées pour une tresse :nombre de types de fibres (carbone, verre, aramide, naturel, thermoplastique ou hybride), architecture (biaxiale, triaxiale, triax/biax ou unidirectionnel), nombre de porteurs, angle du fil (fixe ou variable), tension du fil, vitesse de tressage et forme du mandrin.

A&P Technology, explique Schneider, exploite des machines à tresser dont la taille va de 3 à 800 supports, avec plus de 40 tailles entre les deux, produisant une gamme de préformes et de produits utilisant de la fibre de carbone, de la fibre de verre, de la fibre aramide et plus encore. Le tresseur à 800 porteurs est massif – plus de 13 m de diamètre – le plus grand au monde. La gamme de machines d'A&P évolue constamment, avec de nouvelles tailles de machines ajoutées souvent pour répondre aux exigences spécifiques des clients. En 2016, A&P a produit plus de 453,6 MT de produits tressés, avec une croissance annuelle de 15 à 20 % attendue au cours des prochaines années. Le plus grand marché final d'A&P est l'aérospatiale, explique Schneider, mais la société fabrique également des produits tressés pour les applications automobiles, récréatives et d'infrastructure.

Braley affirme qu'A&P doit une grande partie de son succès à sa capacité à bien tresser et, ce faisant, à aider les clients à résoudre des problèmes difficiles. Le plus souvent, dit-il, les clients viendront chez A&P avec une pièce métallique défaillante d'une manière ou d'une autre, et toutes les autres solutions ont échoué. « Nous sommes extrêmement concentrés sur cela depuis très longtemps », dit-il à propos du tressage. « Nous avons l'équipement, l'histoire, les connaissances et l'expertise pour développer des solutions personnalisées. En fait », affirme-t-il, « certains de nos clients sont un peu dépassés par nos capacités personnalisées. »

Le premier arrêt de la visite après avoir quitté la zone d'affichage du Tech Center est en bas dans le laboratoire de prototypes, où la « tech » est réellement effectuée. A&P ne fabrique pas de pièces composites à vendre, mais a plutôt créé un espace permettant aux clients d'accélérer leurs processus de prototypage. Ici, A&P fait du prototypage pour clients, et construit également des outils de drapage et effectue des tests d'éclatement hydrauliques. Une grande table de superposition est également incluse, une petite tresse disponible dans le commerce, un équipement de test non destructif, un congélateur pour le stockage du préimprégné et un four Wisconsin (East Troy, WI, États-Unis).

Une variété de pièces à différents stades de fabrication et d'évaluation sont visibles partout. Parmi eux, un carter de soufflante de moteur à réaction de nouvelle génération, un engrenage composite pour un projet d'hélicoptère, un outil de nacelle et quelques produits propriétaires qui, curieusement, n'ont rien à voir avec les composites. Ceux-ci ne sont pas déplacés, cependant, déclare Braley :« Nous sommes conçus pour poursuivre des projets à haut risque et à haut rendement. Nous sommes toujours à la recherche d'opportunités pour mettre notre technologie à profit. »

Derrière des portes closes

De là, la visite se déroule à huis clos vers une zone CW est autorisé à visiter, étant entendu que toutes les observations spécifiques aux applications et aux machines resteront confidentielles. En fait, A&P n'autorise généralement pas les visites d'usines afin de protéger la nature exclusive des conceptions de ses clients et sa technologie de pointe. En fait, seul l'astronaute américain Neil Armstrong a fait un tour complet. CW visite, une rare exception, avait été organisée pour permettre à l'industrie qu'elle sert de mieux comprendre les vastes capacités d'A&P.

Le prochain arrêt est le bâtiment des contrats à long terme, une installation de 3 250 m2 située à la périphérie nord du campus. C'est ici que nous trouvons des systèmes A&P à l'œuvre, comme leur nom l'indique, sur des projets de tressage pour des projets pluriannuels - ceux qui, selon Braley, sont statiques et ne peuvent pas changer. La première vue concerne une gamme impressionnante et compliquée de tresseurs et de mandrins qui fabrique des préformes en fibre de carbone pour les cadres de fuselage destinés au Boeing 787-8 Dreamliner (Chicago, IL, US) . A&P fabrique 290 cadres par avion pour Boeing, dont 161 sont uniques. En une seule équipe, une de ces systèmes de tressage/mandrin A&P produit quatre préformes, à partir desquelles sont fabriquées huit cadres, et le système qui le fait est exploité par l'un des logiciels les plus complexes et les plus sophistiqués que la société ait jamais développés.

Schneider et Braley signalent ensuite une grande cellule de travail avec une tresse en fonctionnement pour fabriquer des préformes de carter de ventilateur en fibre de carbone pour le moteur GEnx de GE Aviation. Cette préforme se détache de la tresse sous forme de cylindre, qui est ensuite acheminée jusqu'à une mezzanine au-dessus de la tresse, aplatie et fendue pour créer un tissu à deux couches, enroulée sur une bobine puis expédiée à l'usine de moteurs à réaction de GE Aviation à Batesville, MS , États-Unis (voir « Visite de l'usine :GE Aviation »). Braley dit que la cohérence ici est critique, car un boîtier de ventilateur est conçu pour contenir un événement de « lame sortie », où une pale de ventilateur se détache pendant le fonctionnement (un événement rare) et a un impact sur le boîtier :« Chaque couche doit être, et est, la même ," il dit. "Du point de vue de l'impact, c'est extrêmement cohérent." En plus du GEnx, A&P fournit des préformes de carter de ventilateur tressées pour le GE CF6-80C2, la famille de moteurs HTF7000 de Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, US) et pour le moteur FJ44-4 de Williams International (Commerce Township, MI, US).

Vient ensuite un tresseur à 336 porteurs, fabriquant des préformes en fibre de carbone pour les moteurs LEAP 1B/2B, ainsi que le GEnx. Vient ensuite un système complexe de tressage de fibres de carbone et d'aramide pour fabriquer des préformes pour les aubes de stator sur un moteur Honeywell. Ce tresseur, CW est dit, s'adapte à sept variantes de conception, mais fonctionne entièrement sans surveillance humaine.

Schneider et Braley ouvrent la voie à la sortie du bâtiment LTC et se dirigent vers le bâtiment Core Products. Construit il y a à peine 2 ans, c'est le plus récent d'A&P. Il existe ici 20 tresseurs de tailles différentes (le plus grand équipé de 400 supports), des multiples de plusieurs tailles, et la majorité fonctionnent à un moment donné. Le « clac-clac » constant des transporteurs en rotation en fait l'une des installations les plus bruyantes du campus. Le tout nouvel équipement hébergé ici se concentre sur le tressage à grande vitesse des gaines pour une variété d'applications, y compris l'isolation des émissions de camionnage sur route, les structures d'aile d'avion, les prothèses, les bâtons de hockey et les battes de baseball.

Le prochain arrêt est le Fabrics Building, où A&P fabrique ses quatre tissus tressés standard, QISO, Bimax, ZERO et TX-45, pour une variété d'applications. QISO, sur le marché depuis environ cinq ans, est un tissu quasi-isotrope conçu pour l'outillage composite, la réparation d'infrastructures et les applications automobiles. Les combinaisons de matériaux varient en fonction de l'application et incluent la fibre de carbone de qualité aérospatiale et industrielle. Les tissus sont disponibles en plusieurs grammages et largeurs.

Le Bimax est un matériau stabilisé à ±45° couramment utilisé dans les bâtons de hockey, les grandes antennes paraboliques et les pièces automobiles. Le type de fibre ici est un hybride de carbone et de verre, avec des axiaux thermoplastiques ajoutés pour stabiliser l'architecture du tissu pendant le drapage. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, États-Unis), nous dit A&P, est passé de la fibre de carbone tissée au Bimax pour ses bâtons de hockey et, ce faisant, a réduit l'utilisation de matériaux de 7 %.

ZERO, le seul tissu non tressé d'A&P, a été conçu à l'origine pour le programme F-22. Ce tissu unidirectionnel non tissé n'a pratiquement pas de frisure et est proposé en plusieurs poids en onces.

Le TX-45 est le tout dernier tissu d'A&P, un sergé de ±45°, 193 g/m2, 2x2 livré sur papier support pour permettre une manipulation facile et une orientation cohérente des fibres. Braley dit que le TX-45 a été développé par A&P pour un client de l'aérospatiale intéressé par un substitut au préimprégné à armure toile ±45°.

Toujours dans le bâtiment Fabrics, A&P fabrique une préforme thermoplastique tressée pour la marque TiSeat (Titanium Seat) d'Expliseat (Paris, France). Pesant à peine 4 kg, Expliseat l'appelle le siège d'avion le plus léger au monde. Il comporte des préformes composites fabriquées en tressant des rubans thermoplastiques à fente étroite, qui, selon Braley, ont tendance à être plus rigides que le fil et, par conséquent, sont plus difficiles à tresser. TiSeat est équipé pour l'Airbus A320, ce qui permet à Airbus d'économiser environ 2 090 kg par avion par rapport aux matériaux et produits concurrents.

La plus grande structure du campus A&P est le Business Development Building, une installation de 7 430 m2 qui sert de centre de fabrication pour une variété de projets militaires, industriels et aérospatiaux, en particulier liés aux moteurs. Lors de la visite guidée, Braley signale des systèmes de tressage en cours de développement pour les entretoises de flux de moteur GE, un système de préforme de moteur GE9X en cours de qualification (le GE9X équipera le prochain Boeing 777X), des plis de carrosserie GEnx, un tresseur de carter de ventilateur pour un Williams moteur et une préforme de carter de ventilateur de moteur Honeywell.

Ici aussi, se trouve la salle d'automatisation, dans laquelle A&P évalue la robotique et les technologies similaires pour aider à accélérer les taux de production de tressage. Cela comprend un robot multi-axes pour assister le chargement du mandrin et le développement de techniques de surtressage plus avancées. Un logiciel de planification dynamique avec retour d'information en temps réel sur le tresseur et des systèmes de vision est également en cours d'évaluation, utilisé pour l'inspection en cours de fabrication. « Nous avons l'impression d'être à la pointe de la capacité de tressage », note Braley, « mais il y a toujours des possibilités d'amélioration, et nous devons y parvenir. »

En route en avant

De retour dans le centre technique, CW rencontre Andy Head, qui est universellement décrit comme le moteur technique et mécanique d'A&P. Lorsqu'on lui a demandé de décrire la place d'A&P dans la chaîne d'approvisionnement des composites, il énumère quatre points forts :un contrôle numérique puissant, une bonne conception numérique, d'excellentes capacités mécaniques internes et une flexibilité inhérente au processus de tressage lui-même.

Ce mélange de capacités, dit Head, a placé A&P dans une position unique dans l'industrie des composites :une source de solutions tressées avancées de haute technologie qui sont difficiles à trouver ailleurs en raison de la barrière élevée à l'entrée du tressage.

« Notre organisation est basée sur l'intérêt mutuel à assurer le succès de nos clients », ajoute-t-il. « Notre capacité à concevoir et construire des machines en interne nous permet de fournir à nos clients des solutions optimales dans un délai court. Cette flexibilité de conception place A&P à la pointe de la technologie de tressage, une position que nous prenons très au sérieux. »

« Il est vrai, dit Head, que notre position de source unique est unique, mais nous avons une longue histoire de prise en charge de programmes à grand volume, des programmes dont les exigences ne sont satisfaites que par nos machines. Nous sommes fiers de notre capacité non seulement à répondre à ces exigences, mais aussi à surpasser les attentes de nos clients en matière de qualité et de service. »

En regardant le chemin parcouru par A&P et l'accent mis aujourd'hui par l'industrie des composites sur la vitesse de fabrication, le temps de cycle, l'automatisation, le contrôle des processus et la cohérence, Schneider voit A&P bien aligné avec ces objectifs et prêt à répondre aux besoins de préformage dans l'aérospatiale , les secteurs automobile et industriel et au-delà. «Ça fait 20 ans, dit-elle, mais nous n’avons pas fini.»