Maîtriser le renfort fibreux : l'art et la science du tressage

Dans l'industrie des composites, quelques procédés de fabrication semblent, au premier abord, relativement simples et faciles à mettre en œuvre. Le tressage de renforts fibreux est, sans doute, l'un d'eux. Le tressage est pratiqué par un bon nombre de fabricants. Acquérir et utiliser une tresseuse pour réaliser des préformes, gaines et/ou tissus en fibre de carbone ou de verre peut se faire sans investissement monumental en temps ou en argent.

Peu d'entreprises au monde, cependant, ont fait du tressage l'objet de toute leur attention, expertise, investissement et stratégie. Encore moins jouissent de la réputation établie par A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, USA) pour l'excellence technique et artistique et l'étendue de son expérience avec pratiquement tous les renforts fibreux utilisés aujourd'hui.

Qu'y a‑t‑il dans le nom ?

A&P vient d'Atkins & Pearce Manufacturing Co., fondée en 1817 pour produire des machines de traitement du coton. Atkins & Pearce a fini par tresser du coton pour divers marchés. Cela a duré du milieu du 19e siècle au 20e. En 1986, alors que l'industrie moderne des composites prenait forme, Atkins & Pearce a vu l'opportunité d'appliquer son savoir‑faire en tressage à la fabrication composites et a créé A&P Technology comme unité R&D pour évaluer le tressage de fibres techniques. L'activité d'A&P Technology a grandi pendant la décennie suivante et, en 1995, est devenue une filiale à 100 % d'Atkins & Pearce. En 1997, l'entreprise a franchi le pas supplémentaire de scinder A&P Technology en société indépendante. Aujourd'hui, elle est détenue à 100 % par son président, Andrew Head.

A&P Technology s'étend sur cinq bâtiments sur un campus situé à l'est de la zone métropolitaine de Cincinnati. Les visiteurs sont accueillis au Tech Center de 1 255 m², bâtiment près de l'entrée principale. C'est là que Pam Schneider, COO, et Mike Braley, VP ingénierie applicative, ont accueilli CW pour cette visite. Schneider trace ses racines chez A&P à plus de 30 ans, aux débuts de l'entreprise. Braley a rejoint A&P il y a plus de 20 ans, venant de GE Aviation (Evendale, OH, USA), l'un des clients historiques d'A&P.

Assis au dernier étage du Tech Center, parmi des échantillons de pièces issues des contrats de tressage d'A&P, ainsi que des photos d'archives des débuts d'Atkins & Pearce, Schneider explique que le succès d'A&P découle principalement de sa capacité à concevoir sur mesure des solutions matériaux pour répondre à une myriade d'exigences mécaniques et physiques. Ce qui est possible parce que les équipements de tressage d'A&P sont développés et fabriqués en interne, liant intimement l'entreprise à sa technologie, de la conception au développement jusqu'à la fabrication.

Braley affirme que le tressage de renforts fibreux offre un ensemble de capacités matériaux introuvable ailleurs dans l'industrie des composites. « En gros, nous pouvons modifier l'architecture fibreuse pour répondre à n'importe quelle dimension spécifique et n'importe quelle exigence mécanique spécifique. »

Le tressage 101

Comprendre cette affirmation demande de comprendre le tressage lui‑même. Au niveau le plus basique, une tresse est un système de fibres continues, mécaniquement imbriquées, de deux ou trois orientations. Le fil est enroulé sur une bobine cylindrique montée sur un porteur. Plusieurs porteurs sont attachés à une plaque de tresseuse à piste serpentine guidant les porteurs. Le fil est tiré de chaque porteur vers le plan de formation au‑dessus de la piste. La tresseuse peut être orientée horizontalement ou verticalement, et sa taille (nombre de porteurs) dicte le diamètre de la pièce tressée finale.

La géométrie de la tresse finale dépend de la forme et taille du mandrin, ainsi que de la configuration de la tresseuse, et sert à réaliser des gaines, préformes 2D et tissus plats. En tous cas, un tressage bien fait offre une structure fibreuse continue, homogène et uniformément répartie, conférant à la pièce composite finale une excellente résistance aux chocs et à la propagation des fissures.

La personnalisation de l'architecture textile évoquée par Braley est rendue possible par les variables ajustables pour une tresse : nombre de types de fibres (carbone, verre, aramide, naturelle, thermoplastique ou hybride), architecture (biaxiale, triaxiale, triax/biax ou unidirectionnelle), nombre de porteurs, angle de fil (fixe ou variable), tension de fil, vitesse de tressage et forme du mandrin.

A&P Technology, dit Schneider, exploite des tresseuses de 3 à 800 porteurs, avec plus de 40 tailles intermédiaires, produisant une gamme de préformes et produits en fibre de carbone, fibre de verre, fibre d'aramide et plus. La tresseuse à 800 porteurs est massive — plus de 13 m de diamètre — la plus grande au monde. La gamme de machines d'A&P évolue constamment, de nouvelles tailles étant ajoutées souvent pour répondre à des besoins clients spécifiques. En 2016, A&P a produit plus de 453,6 tonnes de produits tressés, avec une croissance annuelle de 15‑20 % attendue pour les prochaines années. Le plus grand marché final d'A&P est l'aérospatial, dit Schneider, mais l'entreprise fabrique aussi des produits tressés pour l'automobile, les loisirs et les infrastructures.

Braley dit qu'A&P doit beaucoup de son succès à sa capacité à bien tresser et, ce faisant, à aider les clients à résoudre des problèmes difficiles. Souvent, les clients viennent chez A&P avec une pièce métallique qui faillit d'une certaine manière, toutes les autres solutions ayant échoué. « Nous sommes extrêmement concentrés sur cela depuis très longtemps », dit‑il du tressage. « Nous avons l'équipement, l'historique, la connaissance et l'expertise pour développer des solutions sur mesure. En fait, certains de nos clients sont un peu dépassés par nos capacités de personnalisation. »

Dans le laboratoire de prototypage

La première étape de la visite après la zone d'exposition du Tech Center est le laboratoire de prototypage au rez‑de‑chaussée, où se fait la « tech ». A&P ne fabrique pas de pièces composites à vendre, mais a créé un espace pour que les clients accélèrent leurs processus de prototypage. Ici, A&P fait du prototypage pour les clients, construit des outillages de drapage et réalise des essais d'éclatement hydrauliques. On y trouve aussi une grande table de drapage, une petite tresseuse commerciale, du matériel d'essais non destructifs, un congélateur pour stockage de préimprégné et un four Wisconsin Oven (East Troy, WI, USA) accessible.

On y voit une variété de pièces à divers stades de fabrication et d'évaluation. Parmi elles : un carénage de ventilateur de réacteur de nouvelle génération, un engrenage composite pour un projet hélicoptère, un outillage de nacelle et quelques produits propriétaires qui, curieusement, n'ont rien à voir avec les composites. Ce n'est pas déplacé, dit Braley : « Nous sommes conçus pour poursuivre des projets à haut risque, haut rendement. Nous cherchons toujours des opportunités pour mettre notre technologie au travail. »

Derrière portes closes

La visite passe ensuite derrière portes closes dans une zone que CW peut visiter à condition de garder confidentielles toutes observations spécifiques aux applications et machines. A&P, en fait, n'autorise généralement pas les visites d'usine pour protéger la nature propriétaires des conceptions clients et sa technologie de pointe. Seuls l'astronaute américain Neil Armstrong a eu droit à une visite complète. La visite de CW, exception rare, a été arrangée pour permettre à l'industrie servie de mieux comprendre les larges capacités d'A&P.

Prochain arrêt : le bâtiment Contrats Long Terme, une installation de 3 250 m² au nord du campus. C'est là qu'on trouve les systèmes d'A&P au travail, comme le nom l'implique, sur des projets de tressage pluriannuels — ceux qui, dit Braley, sont figés et ne peuvent changer. Le premier visible implique un ensemble impressionnant et complexe de tresseuses et mandrins fabriquant des préformes carbone pour des cadres de fuselage destinés au 787‑8 Dreamliner de Boeing (Chicago, IL, USA). A&P produit 290 cadres par avion pour Boeing, dont 161 uniques. En une équipe, un de ces systèmes tresseuse/mandrin produit quatre préformes, donnant huit cadres, opéré par l'un des logiciels les plus complexes et hautement ingénierisés jamais développés par l'entreprise.

Schneider et Braley montrent ensuite un grand îlot avec une tresseuse en fonctionnement pour réaliser des préformes de carénage de ventilateur en fibre de carbone pour le moteur GEnx de GE Aviation. Cette préforme sort de la tresseuse sous forme de cylindre, puis est montée vers une mezzanine au‑dessus, aplatie et fendue pour créer un tissu bicouche, enroulé sur une bobine et expédié à l'usine de moteurs à réaction de GE Aviation à Batesville, MS, USA. Braley insiste sur la criticité de la constance, car un carénage de ventilateur est conçu pour contenir un événement « blade out » (détachement d'une pale en fonctionnement, rare) et l'impact sur le carénage : « Chaque couche doit être, et est, identique. D'un point de vue impact, c'est extrêmement constant. » Outre le GEnx, A&P fournit des préformes de carénage tressées pour le GE CF6‑80C2, la famille HTF7000 de Honeywell Aerospace (Phoenix, AZ, USA) et le FJ44‑4 de Williams International (Commerce Township, MI, USA).

Suit une tresseuse à 336 porteurs, fabriquant des préformes carbone pour les moteurs LEAP 1B/2B ainsi que le GEnx. Vient ensuite un système complexe tressant fibres carbone et aramide pour des préformes d'aubages stator sur un moteur Honeywell. Cette tresseuse, dit‑on à CW, gère sept variantes de design, tout en fonctionnant entièrement sans supervision humaine.

Schneider et Braley sortent du bâtiment LTC et se dirigent vers le bâtiment Produits Cœur. Construit il y a seulement 2 ans, c'est le plus récent d'A&P. On y trouve 20 tresseuses de tailles différentes (la plus grande à 400 porteurs), multiples de nombreuses tailles, la majorité tournant à tout moment. Le constant « clac‑clac » des porteurs rotatifs en fait l'une des installations les plus bruyantes du campus. L'équipement tout neuf se concentre sur le tressage haute vitesse de gaines pour diverses applications : isolation émissions poids lourds, structures d'ailes d'avions, prothèses, crosses de hockey et battes de baseball.

Prochain arrêt : le bâtiment Tissus, où A&P fabrique ses quatre tissus tressés standard : QISO, Bimax, ZERO et TX‑45, pour diverses applications. QISO, sur le marché depuis environ cinq ans, est un tissu quasi‑isotrope conçu pour outillage composite, réparation d'infrastructures et applications automobiles. Les combinaisons matériaux varient selon l'application et incluent fibres de carbone aéronautique et industrielle. Tissus disponibles en plusieurs grammages et largeurs.

Bimax est un matériau stabilisé ±45° couramment utilisé dans les crosses de hockey, grandes antennes radio et pièces automobiles. Le type de fibre est un hybride carbone/verre, avec axes thermoplastiques ajoutés pour stabiliser l'architecture lors du drapage. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, USA), nous dit A&P, a basculé de la fibre de carbone tissée au Bimax pour ses crosses de hockey, réduisant l'usage matériau de 7 %.

ZERO, le seul tissu non tressé d'A&P, a été conçu à l'origine pour le programme F‑22. Ce tissu non‑tissé unidirectionnel a virtuellement zéro ondulation et est proposé en divers grammages.

TX‑45 est le tissu le plus récent d'A&P, un ±45°, 193 g/m², sergé 2x2 livré sur papier porteur pour faciliter la manipulation et assurer une orientation fibre constante. Braley dit que TX‑45 a été développé par A&P pour un client aéronautique cherchant un substitut au préimprégné tissé uni ±45°.

Dans le bâtiment Tissus aussi, A&P fabrique une préforme tressée thermoplastique pour le TiSeat (Siège Titane) breveté d'Expliseat (Paris, France). Pesant seulement 4 kg, Expliseat l'appelle le siège d'avion le plus léger au monde. Il comporte des préformes composites réalisées par tressage de rubans thermoplastiques étroits fendus, que Braley dit plus rigides que le fil et donc plus difficiles à tresser. Le TiSeat est installé sur l'Airbus A320, faisant économiser à Airbus environ 2 090 kg par avion vs matériaux et produits concurrents.

La plus grande structure du campus A&P est le bâtiment Développement Commercial, 7 430 m², servant de plaque tournante de fabrication pour divers projets militaires, industriels et aérospatiaux — particulièrement moteurs. Lors de la visite, Braley signale des systèmes de tressage en développement pour entretoises de cheminée de flux GE, un système de préforme GE9X en qualification (le GE9X motorisera le futur Boeing 777X), plis de corps GEnx, tresseuse de carénage pour un moteur Williams et préforme de carénage pour moteur Honeywell.

On y trouve aussi la Salle Automatisation, où A&P évalue robotique et technologies similaires pour accélérer les cadences de tressage. Cela inclut un robot multi‑axes pour assister le chargement de mandrins et le développement de techniques de sur‑tressage plus avancées. Sont aussi à l'étude : logiciel d'ordonnancement dynamique avec retour temps réel des tresseuses et systèmes de vision pour inspection en cours de processus. « Nous avons l'impression d'être à l'avant‑garde de la capacité de tressage », note Braley, « mais il y a toujours place à l'amélioration, et nous devons la pousser. »

Aller de l'avant

De retour au Tech Center, CW rencontre Andy Head, universellement décrit comme la force technique et mécanique motrice d'A&P. Interrogé sur la place d'A&P dans la chaîne d'approvisionnement composites, il cite quatre forces : fort contrôle numérique, bonne conception numérique, excellente capacité mécanique interne et flexibilité inhérente au processus de tressage lui‑même.

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

« Notre organisation repose sur l'intérêt mutuellement convainquant de faire réussir notre client », ajoute‑t‑il. « Notre capacité à concevoir et construire nos machines en interne nous permet de fournir à nos clients des solutions optimales dans des délais courts. Cette flexibilité de conception place A&P à l'avant‑garde de la technologie du tressage, une position que nous prenons très au sérieux. »

« Admettons‑le », dit Head, « notre position de source unique est unique, mais nous avons une longue histoire de soutien à des programmes à gros volumes, aux exigences satisfaites uniquement par nos machines. Nous sommes fiers de non seulement répondre à ces exigences, mais de surpasser les attentes de nos clients en qualité et service. »

Regardant le chemin parcouru par A&P et la focalisation actuelle de l'industrie composites sur la vitesse de fabrication, temps de cycle, automatisation, contrôle processus et constance, Schneider voit A&P bien aligné avec ces objectifs et prêt à répondre aux besoins de préformage dans l'aérospatial, l'automobile, l'industrie et au‑delà. « Ce fut 20 ans formidables », dit‑elle, « mais nous n'avons pas fini. »