Elbit Systems : leader des solutions composites pour Israël et les USA

Elbit Systems Ltd. (Haïfa) est le premier contractant de défense israélien, avec un chiffre d'affaires de 3,3 milliards $ en 2017 et un carnet de commandes de plus de 7,5 milliards $ en 2018. Ses activités incluent systèmes et structures pour avions militaires et commerciaux, véhicules terrestres, sécurité intérieure et divers systèmes de renseignement, électronique et cyber. Sur ses 12 500 employés, près de 3 000 sont aux USA, travaillant avec sa filiale Elbit Systems of America, qui maintient plusieurs sites, dont dans l'Utah, le New Hampshire et Fort Worth, TX, USA. Et Elbit Cyclone s'est étendu à un site supplémentaire, appelé Aero‑Structure Technologies Cyclone (ATC), près de l'aéroport international de Tbilissi, Géorgie, construit en partenariat avec le gouvernement géorgien. La construction d'une installation de 12 000 m², équipée de deux autoclaves et de capacités usinage CNC et END, est achevée. « Nous travaillons maintenant à qualifier ce site auprès des grands OEM aéronautiques », dit Jonathan Hulaty, directeur senior développement commercial et marketing d'Elbit Cyclone.

Cyclone : centre de conception et production

La filiale Elbit Systems Cyclone est basée au nord d'Israël, et sert de centre de conception et production pour structures et assemblages aéronautiques métalliques et composites. L'entreprise se trouve sur le même site, près de Karmiel, où Cyclone a été créé en 1970, en un seul bâtiment, pour fournir des services de maintenance, réparation et révision (MRO) pour avions et hélicoptères de l'Armée de l'Air israélienne. Le vent spiralé généré par les pales d'hélicoptères en rotation a inspiré le nom original.

Cyclone avait établi une capacité composites dans les années 1980, et a commencé à travailler pour des clients hors Israël, construisant des portes métalliques pour les gros‑porteurs McDonnell Douglas DC‑10 et MD‑11, et des pièces pour les jets militaires F‑15 et F‑16 ainsi que le jet d'affaires Gulfstream G‑200.

Elbit a acquis Cyclone à la fin des années 1990, a investi dans l'entreprise, et d'ici 2010, elle avait triplé de taille. En 2017, Cyclone avait produit 11 000 portes en aluminium pour les 737 commerciaux de Boeing (Chicago, IL, USA), incluant portes d'accès arrière, les deux portes de galerie et les portes cargo avant et arrière. Elle a ensuite contracté directement avec Boeing pour la production d'assemblages de plancher composites et pièces de détail pour le 787 Dreamliner, et avec Spirit AeroSystems (Wichita, KS, USA) pour des pièces composites dans la Section 41 du fuselage de ce même avion. Elle fournit aussi les poutres de plancher passager pour la variante 787‑8. L'entreprise est maintenant reconnue comme Fournisseur Préféré Niveau Or Boeing, la plus haute distinction fournisseur de Boeing. Cyclone est l'une des rares à l'avoir obtenue et la première hors USA.

L'entreprise fournit aussi des pièces pour les jets d'affaires long‑courrier de Bombardier (Montréal, Canada) et diverses pièces pour trois variantes du F‑35 Lightning II ancré aux USA. Autres clients notables : Lockheed Martin, Sikorsky, GKN Aerospace, Textron, Triumph, Northrop Grumman et Bell Helicopter.

Hulaty, hôte de CW pour la visite, rappelle : « À la fin des années 1990, nous avions 400 employés. Maintenant, nous sommes cinq fois plus gros en ventes, avec 500 employés. C'est possible grâce à notre accent sur les processus lean. La plupart de ce que nous faisons est du build‑to‑print, ce qui peut ne pas sembler glorieux, mais cela représente une grande part de notre industrie. » Hulaty ajoute que les exigences de qualité, répétabilité et compétitivité, couplées aux investissements équipements et systèmes qualité nécessaires pour la production, rendent cette position de marché dure mais intéressante : « Être un fournisseur Tier composites aérospatial n'est pas pour les cœurs fragiles. »

Loin de faiblir, Cyclone a vu son activité composites dépasser sa métallurgie l'an dernier pour devenir la majorité de sa production, avec un partage environ 60/40. Hulaty prévoit que la croissance continuera : « Cette année, nous passerons probablement à 70 % composites. »

Maîtrise des pièces

La visite de CW commence dans la salle de conférence principale du site, où Hulaty donne une brève introduction. La production de Cyclone, explique‑t‑il, est répartie environ 50/50 entre militaire et commercial. Pièces composites commerciales : portes de train d'atterrissage, pièces de nacelle, revêtements, carénages, surfaces de commande, grilles de plancher structurelles. Composites militaires : revêtements, portes, réservoirs externes filament wound, pylônes, surfaces de commande, sponsons d'hélicoptères et entrées d'air moteurs.

Cyclone a aussi conçu l'aile externe et la poutre de queue pour un drone de moyenne altitude, longue endurance (MALE UAV) volant à 3 048‑9 144 m d'altitude pour des durées étendues (ex. 24‑48 heures). Cependant, Hulaty note que l'entreprise ne fait plus beaucoup d'UAV. « Les UAV sont généralement petits, utilisant du drapage humide, ce n'est pas notre expertise », explique‑t‑il. Il y a des UAV plus grands en préimprégné, mais généralement produits en petites quantités ou en interne par Boeing, General Atomics et autres grands OEM de défense. « Nous préférons la production en série longue de pièces préimprégnées vs programmes sporadiques. »

Les capacités pièces préimprégnées de Cyclone incluent décompactage sous vide de multiples drapages via formage à drapage chaud (HDF) et polymérisation autoclave. END et usinage CNC des pièces polymérisées sont réalisés sur site, et une expertise spéciale est la production à haut cadence d'assemblages complexes métal et composites. Cyclone a obtenu toutes les certifications de fabrication et qualité aérospatiale (ex. AS9100, Nadcap, ISO9001) et a développé des capacités en filament winding et moulage par transfert de résine (RTM).

Le RTM a, en fait, été la première introduction de CW à Cyclone. Le développement par l'entreprise d'une alternative unitaire tout‑composite aux portes passagers métalliques sur avions commerciaux a été présenté dans l'article CW 2013 « Couper le coût des aérostructures composites intégrées ». La technologie utilisait RTM et fixations composites à verrouillage géométrique pour obtenir une structure certifiable FAA avec très peu de fixations, 30 % gain de poids et 25‑35 % réduction coût vs aluminium et designs composites « aluminium noir ». La construction réussie d'une porte composite entièrement sans fixation et l'extension de la technologie à des surfaces de commande d'avion composites plus légères et moins chères a été décrite par CW en 2016 dans « Porte et surfaces de commande d'avion composites sans fixation ». Hulaty termine son introduction en montrant la porte sans fixation n°1, exposée dans la salle de conférence. La pièce est impressionnante, avec une finition de haute qualité. Puis il mène la sortie du bâtiment.

Drapage rationalisé et essais

Hulaty mène la visite en descendant une colline, puis tourne à gauche dans l'entrée du bâtiment de production composites de Cyclone. Plusieurs pièces sont exposées : carénages de patin de queue Boeing 767, winglet Beechcraft King Air et pièces composites F‑35. Après l'entrée, une salle blanche à accès restreint pour la production défense reste fermée à gauche. À droite, des ouvriers dans la salle blanche pour pièces Boeing 787 drapent du préimprégné pour une gamme de pièces, des petits clips et montants aux complexes poutres en J, I et C, ainsi que portes de train d'atterrissage avant multi‑pièces. Le préimprégné est découpé avec une découpeuse automatisée Bullmer Assyst (Wakefield, UK) et une machine guillotine pour couper les épaisseurs à n'importe quel angle. Le congélateur à préimprégné est adjacent à la salle blanche. Hulaty note que parfois des piles de préimprégné sont découpées, kitées et remises au congélateur. Des systèmes de projection laser Aligned Vision (Chelmsford, MA, USA) disséminés dans la salle blanche assistent le drapage manuel.

Des pièces de poutres de plancher en plastique renforcé fibre de carbone (PRFC) sont drapées sur des mandrins métalliques mâles. Hulaty détaille le processus rationalisé : « Nous drapages d'abord les piles de préimprégné, puis les appliquons sur le mandrin. Cela fait gagner énormément de temps vs application pièce par pièce sur l'outillage. Les drapages sont ensuite recouverts, avec un caul PRFC de notre conception, qui assure 100 % de répétabilité des pièces. »

Une machine de formage à drapage chaud siège le long du mur du fond de la salle blanche, permettant le décompactage de nombreuses pièces par cycle. « Je ne sais pas comment on fait ce type de production de pièces préimprégnées à haut cadence sans formage à drapage chaud », dit Hulaty en référence à des pièces comme poutres et montants. Et pourtant, il reconnaît que cette étape n'est pas le goulot d'étranglement, ni l'autoclave. « L'usinage à la fin, après polymérisation, est le goulot », maintient‑il, expliquant que pour de longues pièces de poutres de plancher, il est plus rapide de draper une pile simple et l'usiner après polymérisation. « L'autoclave n'est pas le problème car nous pouvons empiler beaucoup de pièces pour polymériser en un cycle », ajoute‑t‑il. « Donc nous obtenons en fait un bon taux de production par cycle de polymérisation. »

Dans une grande zone adjacente, quatre autoclaves siègent le long du mur du fond. « Obtenir la bonne taille pour vos autoclaves est délicat », affirme Hulaty, « car vous essayez d'équilibrer taux de production et obtenir assez de pièces par cycle, sans avoir un volume trop grand à chauffer et refroidir, ce qui prend du temps. » Les autoclaves de 3 m de diamètre de Cyclone, fournis par Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, USA), vont de 5 m et 10 m de longueur au plus long, 11 m.

Une mezzanine au‑dessus de la baie d'autoclaves abrite un département d'assurance qualité essais. Ici, des machines Zwick (Ulm, Allemagne) ont des enceintes climatiques pour cyclage thermique, requis pour tester les matériaux utilisés sur surfaces de commande d'avion. « Ces machines font cyclage température et charge, selon specs OEM », dit Hulaty. « Nous faisons tous les essais en interne et pouvons qualifier les matériaux car presque tous nos clients ont visité et qualifié notre laboratoire. »

Il montre des micrographies d'un remplissage de rayon PRFC (« nouille ») fabriqué par Cyclone, utilisé dans diverses constructions de poutres préimprégnées. « C'est un problème très complexe quand vous faites des pièces où le flanc de la poutre doit se connecter à l'âme et qu'une nouille est utilisée pour permettre le transfert de charge et éviter les vides », explique Hulaty, menant la visite vers un second laboratoire d'essais, où de petits disques sont polis et placés dans des équipements Tegramin de Struers (Ballerup, Danemark). « Cela teste la cohérence de notre processus de drapage », souligne‑t‑il, insistant : « Nous testons nous‑mêmes, pas pour répondre à des exigences clients, mais pour nous assurer que nous faisons bien nos propres processus, en adhérant à nos propres standards de qualité. »

END et usinage

La visite continue vers un bâtiment adjacent, abritant l'assurance qualité finale (AQ) et les opérations d'usinage. La zone END à haut plafond abrite une grande machine à ultrasons par transmission traversante (TTU) de Matec Instrument Cos. (Northborough, MA, USA) à gauche, complète avec arroseur pour coupler les ondes sonores à la surface de la pièce. « Un côté de l'équipement TTU peut émettre et recevoir tandis que l'autre est récepteur seul », explique Hulaty. « Avec cela, nous pouvons scanner des pièces moyennes à grandes, comme un carénage ventral pour jet d'affaires, en une demi‑équipe de huit heures. » Il affirme que c'est le plus grand système TTU utilisé en Israël pour l'END, ajoutant : « Nous scannons chaque pièce composite que nous fabriquons. Les carénages peuvent parfois passer à une inspection statistique après un temps, car ce sont des structures secondaires, non critiques pour le vol, mais nous préférons quand même tout scanner. » Conformément à cette préférence, Hulaty note que Cyclone emploie deux techniciens END Niveau III pour composites.

En continuant dans le labo, à droite une autre machine d'essais ultrasonores automatisée (UT), celle‑ci de ScanMaster Systems Ltd. (Rosh‑Ha'ayin, Israël). Bien que les pièces composites soient immergées dans des cuves d'eau ici aussi, ce n'est pas pour un système C‑scan. Au lieu de cela, les cuves servent l'UT à réseau phasé, méthode très rapide offrant une précision supérieure au C‑scan, mais pour des formes plus simples.

En passant devant des racks de pièces à divers stades du processus AQ, Hulaty signale l'outillage stocké à côté de la baie END. « Nous concevons et construisons la plupart de nos outillages en interne, métal et composite, mais certains clients préfèrent fournir les leurs. Nous pouvons aussi modifier le design d'outillage pour améliorer la production, bien sûr seulement avec accord client. »

Par une porte et un court couloir, la visite entre dans les opérations CNC, qui abritent deux centres d'usinage 5 axes jumeaux fournis par Breton (Castello di Godego, Italie), entreprise originaire de l'industrie de la pierre. « Les composants des machines Breton étaient construits avec protection contre la poussière de pierre », dit Trevor Hutson, responsable ingénierie CNC. « Ainsi, ils fonctionnent bien avec le PRFC. Nous avons trouvé que les CNC menuiserie n'étaient pas assez robustes pour nos besoins de production. »

Hulaty souligne que la température du bâtiment est maintenue à 26 °C ±1 °C. « Chaque machine s'arrête si l'un de ses paramètres est hors spec », explique‑t‑il. Les machines gèrent des pièces jusqu'à 5 m long et 2,2 m large avec 1 m de course en Z. Leur précision volumétrique est citée à 50 microns (0,002 pouce).

Une fois l'usinage terminé, une tête de machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est changée et effectue le MMT sur la pièce pour l'AQ final. Cela est rapporté et inclus avec la pièce via le système de contrôle numérique de la machine pour gagner du temps d'inspection. « Nous calibrons la sonde MMT, puis nous prenons les mesures de la pièce », dit Karin Hartman, ingénieure CNC, qui, avec Hutson, fonctionne comme seconde experte usinage CNC de Cyclone. « Cela donne des résultats en temps réel, donc nous pouvons gérer tout problème avant qu'il ne migre vers plus d'une pièce », ajoute Hutson. « Cela fait aussi gagner du temps, permettant tout re‑usinage immédiatement. »

Assemblage et R&D

Ici, la visite sort du bâtiment END/CNC pour remonter la colline vers le bâtiment qui abritait la salle de conférence, vers une structure adjacente, qui accueille les opérations d'assemblage. Hulaty signale les nombreux postes d'assemblage, qui produisent les poutres de plancher, poutre de poste de pilotage, poutre d'âme et baie équipement électronique (avionique) pour la Section 41 du 787. Ceux‑ci, avec la porte de puits de roue avant (NWWD), seront expédiés à Spirit AeroSystems aux USA, prêts à s'intégrer dans la ligne de production de la Section 41 787, la section avant du fuselage.

Examinant le poste d'assemblage d'âme en détail, Hulaty explique qu'il supporte le plancher cargo de la Section 41, fournissant un support transversal sous le ventre de l'avion. L'assemblage inclut deux poutres longitudinales plus six montants, tous assemblés à l'envers. Un simple gabarit rotatif maintient les pièces ensemble pour faciliter le fixation des montants.

« Les composites arrivent ici déjà percés », note Hulaty. « Seule la métal est percé dans ce bâtiment. » Le métal est aussi anodisé et peint au fond du bâtiment. Les instructions d'assemblage sont affichées sur un moniteur à chaque poste, avec un système standard. « Mais les instructions sont les nôtres », dit‑il. « Nous l'avons modifié pour qu'il parle aux modèles CAO CATIA de chaque pièce, et notre département ingénierie a créé les instructions d'assemblage. » Il explique que la couleur rouge indique un changement ou erreur faite dans le passé. « C'est un environnement quasi sans papier, permis par l'infrastructure écran tactile. Les fiches de route suivent la pièce électroniquement. »

Poursuivant, Hulaty montre un système anti‑missile pour avions commerciaux, appelé C‑MUSIC (commercial‑multi‑spectral infrared counter measure). Il a été développé par la division ISTAR d'Elbit Systems, et Cyclone a conçu la structure du système, y compris les allowables générés en interne. Bien que les mécanismes et la structure intérieure soient métalliques, son carénage/radome est composite.

« Toutes les compagnies aériennes israéliennes doivent en être équipées », dit‑il. « C'est un système autonome monté sur le ventre de l'avion via un kit plug‑and‑play. Conçu pour contrer les missiles portables, tirés à l'épaule, chercheurs de chaleur, un laser est tiré sur le missile entrant si le système est activé. » Déployé pour la première fois sur un Boeing 737 en 2013, Hulaty dit que les systèmes C‑MUSIC ont des milliers d'heures opérationnelles sur avions commerciaux et ont été testés sur Embraer 170 et 190 ainsi que la plupart des plateformes Boeing commerciales et plusieurs modèles Airbus (Toulouse, France).

De l'autre côté de la rue, dans le laboratoire R&D, le couloir d'entrée expose une variété de pièces, dont certaines en titane imprimé 3D. CW apprend que ce dernier résulta des activités d'un consortium israélien mené par le chef R&D d'Elbit‑Cyclone Lior Zilberman. L'objectif du consortium était de faire progresser la fabrication additive pour la production d'aérostructures. « Nous sommes aussi intéressés par son potentiel pour augmenter nos capacités d'assemblage », dit Hulaty. Utilisations additionnelles peuvent inclure des pièces pour programmes de mise à niveau d'hélicoptères, qui sont notoirement de petites séries (ex. cinq hélicoptères), « donc l'outillage n'est pas une option abordable. » Autres pièces dans la vitrine R&D : une hélice marine en RTM et un winglet développé avec un client pour remplacer un assemblage nid d'abeille deux pièces par une pièce simple intégrée.

Le développement de structures composites unitarisées est devenu une force de Cyclone. Le winglet utilise du préimprégné carbone/époxy monolithique traité hors autoclave (OOA) pour réduire poids, coût et délai. Les mêmes avantages sont obtenus dans une surface de commande intégrée sans fixation, réalisée en un seul coup par RTM. Zilberman a aussi mené l'entreprise dans le développement de structures multifonctionnelles avec récupération d'énergie embarquée, capacité de morphing et systèmes de surveillance santé structurelle/END dans ailes rotatives et fixes, ainsi que ailes rotatives et fixes auto‑adaptatives composites.

Le laboratoire R&D comprend une salle de découpe, une salle d'usinage et une salle de développement RTM. Cette dernière contient une presse de 360 tonnes de Lauffer Pressen (Horb am Neckar, Allemagne) avec système de puissance 700 kW pour chauffer les moules pour pièces jusqu'à 2×2 m. Cyclone a travaillé avec Polymer G (Halutza, Israël) pour développer le système d'injection résine pour la technologie de porte passager intégrée sans fixation et surface de commande. Il y a aussi un grand four pour préchauffer les moules RTM et/ou post‑polymériser les pièces résine époxy.

Investissement pour la production future

À la fin de la visite, Hulaty note que la production et l'assemblage à haut cadence nécessitent de l'investissement. À travers la visite, nous avons vu des exemples dans les laboratoires d'essais et la capacité END de Cyclone, ainsi que son approche de l'usinage. L'entreprise a aussi implémenté le logiciel Total Production Optimization (TPO) de Plataine (Waltham, MA, USA), utilisé pour obtenir des économies de matériau à deux chiffres dans ses opérations de découpe préimprégné. TPO a remplacé la découpe et l'imbrication séquentielle précédentes par un système numérique automatisé optimisant les nids de découpe sur plusieurs pièces utilisant les mêmes matériaux. Ce système a aussi amélioré le rendement de fabrication et réduit le temps requis pour la découpe et la mise en place machine.

« Nous sommes en qui nos clients ont confiance pour livrer des pièces de haute qualité, mais nous devons aussi constamment chercher des moyens de gérer les coûts et permettre des taux de production accrus », dit Hulaty. Elbit Cyclone continue de chercher de nouvelles opportunités et voit un avenir brillant, bien que plein de défis. « Nous avons une stratégie ferme, qui se prouve, comme vu par la croissance de l'entreprise », dit Hulaty. « Cela dit, notre stratégie évolue constamment, s'adaptant aux changements de marché. » L'impression qui reste est une confiance pragmatique basée sur la connaissance et l'expérience, une entreprise qui continuera à transformer la promesse de la technologie avancée en production aérospatiale composites fiable.