Les experts appellent à une plus grande automatisation pour répondre à la demande aéronautique à venir

Les besoins commerciaux seuls sur 20 ans suggèrent un doublement des taux de production

Avant que la pandémie de coronavirus ne bouleverse la vie normale et n'arrête essentiellement les avions de ligne commerciaux, l'industrie aéronautique avait un besoin projeté de 40 000 nouveaux aéronefs — avions, hélicoptères, taxis aériens et véhicules aériens sans pilote — dans les 20 prochaines années. Le volume inclut les remplacements pour les appareils qui vieillissent hors service après une durée de vie moyenne de 25-30 ans et s'ajoute à un arriéré d'environ huit ans.

Si la demande de vol reprend son niveau précédent une fois les restrictions liées à la pandémie levées, la seule façon de satisfaire le besoin projeté est par une automatisation accrue, disent certains experts de l'industrie.

Contrairement à beaucoup d'autres secteurs, l'industrie aéronautique est un domaine où le travail manuel est courant car il n'y a pas de processus de fabrication alternatifs actuels qui soient faisables. Mais en considérant l'enregistrement par Statista d'augmentations année sur année de la demande de 2006-2019 pour le trafic passagers aérien mondial (les augmentations allaient de 2,4 % à 8,1 %, sauf 2009 au pic de la Grande Récession) et d'autres facteurs, une plus grande efficacité est obligatoire si l'industrie veut suivre.

Les chercheurs essaient de comprendre comment automatiser certains processus, comme le drapage manuel. Mais il y a d'autres mesures automatisées actuellement disponibles, incluant la projection d'instructions d'assemblage sur les postes de travail et pour les processus automatisés de scellement, fixation, marquage et manutention de matériaux.

Les besoins de l'aviation commerciale seule nécessiteraient un doublement effectif des taux de production, dit John D. Russell, chef de la branche technologie des structures au Laboratoire de Recherche de l'Air Force.

En plus des avions commerciaux, l'armée explore des aéronefs « attritable » qui pourraient être produits par milliers.

Finalement, le concept de taxi aérien gagne du terrain auprès des firmes aéronautiques traditionnelles et d'entreprises comme Uber et nécessiterait encore plus de production.

« Pour n'importe lequel de ces cas individuellement, j'entends de mes contacts dans l'industrie que les États-Unis n'ont pas la capacité actuellement », dit Russell, avertissant que son information est d'avant que le virus ne frappe mondialement. « Si les trois se réalisent en même temps, l'industrie va devoir être créative pour résoudre le problème de capacité.

La grande alternative que j'entends est l'utilisation de l'automatisation pour augmenter la productivité et le débit, surtout pour l'aviation commerciale. Les entreprises recherchent n'importe quelle façon dont l'automatisation peut améliorer les choses, de la fabrication de pièces à l'assemblage. J'entends que le coût capital pour l'automatisation est moins que celui pour ajouter de nouvelles lignes de production. »

Russell dit qu'il ne serait pas surpris de voir l'industrie des taxis aériens regarder offshore pour la production car le prix du véhicule est susceptible d'être un gros driver pour leur modèle d'affaires. Il doute qu'on voie de l'offshoring pour l'aviation commerciale car l'industrie serait susceptible de s'en tenir aux relations fournisseurs établies en raison du haut niveau de compétence impliqué pour la main-d'œuvre. Évidemment, l'offshoring ne serait pas une option pour tout véhicule militaire, note-t-il.

Livrer 40 000 aéronefs en 20 ans nécessiterait de produire 2 000 avions par an, ce qui est bien plus élevé que les livraisons avant la pandémie.

Un arriéré de livraisons a été créé quand les fabricants n'ont pas pu outiller assez vite pour répondre à la demande accrue créée par une hausse du transport aérien.

En plus, les consommateurs voient maintenant le voyage aérien comme une nécessité au lieu d'un luxe et ont les moyens de payer pour les voyages personnels.

En résultat, les compagnies aériennes commerciales ont étendu leurs offres pour offrir à ces consommateurs avides de vol de la flexibilité dans les heures de décollage.

Boeing avait un arriéré de 5 049 aéronefs au 1er mai, tandis que les commandes en attente d'Airbus s'empilaient à 7 650 au 31 mars.

Avant la pandémie, une reprise de la compétition entre Boeing et Airbus était attendue pour résulter en des livraisons record de leurs plateformes monocouloir très populaires et une croissance de 9,4 % en production en 2019. Boeing et Airbus étaient projetés pour produire plus de 1 750 aéronefs l'an dernier, en hausse de 1 606 unités en 2018, selon un communiqué de mi-juin 2019 de la firme de recherche et analyse Frost & Sullivan.

D'août, cependant, d'autres réduisaient ces chiffres.

La production aéronautique mondiale avait chuté d'un quart après l'immobilisation du 737 Max de Boeing en mars 2019 suite à deux accidents mortels, selon un article du Guardian. ADS, le groupe de lobby aérospatial britannique, a dit que 88 aéronefs avaient été livrés en juillet 2019, en baisse de 24 % sur les livraisons du même mois l'année précédente, la chute étant largement due au ralentissement de production des monocouloirs comme le 737.

À la fin de l'an dernier, Airbus et Boeing combinés avaient livré 1 243 aéronefs.

L'industrie agit pour augmenter ces chiffres.

« Les deux plus grands fabricants d'aéronefs commerciaux, Boeing et Airbus, mettent tous les deux beaucoup d'argent additionnel dans l'augmentation du taux de production », dit Bill Bigot, vice-président du développement commercial pour l'aérospatiale et défense chez JR Automation.

Fin de l'an dernier à Hambourg, Allemagne, Airbus a implémenté sa ligne d'assemblage de structure de fuselage A320 Family hautement automatisée.

La nouvelle installation comprend 20 robots, un nouveau concept logistique, un positionnement automatisé par mesure laser, ainsi qu'un système d'acquisition de données numériques, selon l'entreprise.

En plus de l'utilisation de robots, Airbus implémente aussi de nouvelles méthodes et technologies en logistique de matériaux et pièces pour optimiser la production, améliorer l'ergonomie et raccourcir les délais. Cela inclut la séparation des niveaux logistique et production, le réapprovisionnement matériel orienté demande et l'utilisation de véhicules à guidage autonome.

À peu près au même moment, cependant, Boeing a mis fin à un effort d'automatisation totale de quatre ans à son usine d'Everett, Washington, qui utilisait des bras robotiques pour insérer des fixations sur deux sections principales de fuselage de ses 777 et 777X, optant plutôt pour l'insertion manuelle par des mécaniciens qualifiés.

Les robots forent encore les trous pour les fixations sur un système automatisé « flex track », résultant en un processus combiné humain-robotique, selon des rapports publiés.

L'effort peut payer à la fin, cependant.

Les efforts échoués d'utiliser la robotique ont enseigné à Boeing de précieuses leçons de sa « première plongée très profonde dans ce type de technologie », a dit Jason Clark, un vice-président de Boeing supervisant la production 777X, au Los Angeles Times. « Ça nous a appris comment concevoir pour l'automatisation », était cité Clark dans un article de novembre.

La nouvelle méthode crée moins d'usure sur les travailleurs depuis que les machines développées par Electroimpact Inc. gèrent une des tâches les plus physiquement exigeantes de l'assemblage de fuselage : percer des trous à travers le métal, selon l'article du Times.

Aussi, « Nous avons redessiné des portions de la construction pour remplacer les rivets par des formes de fixations moins difficiles, améliorant encore l'ergonomie », a dit un porte-parole de l'entreprise.

Toutes les mesures pour augmenter la production n'incluent pas de nouvelles lignes et robots.

Dans son usine de North Charleston, Caroline du Sud, Boeing : a équipé les mécaniciens d'exosquelettes conçus pour réduire la tension du travail soutenu en hauteur ; a déployé des clés dynamométriques intelligentes Bluetooth pour s'assurer que les travailleurs appliquent le couple correct à un écrou, et utilise la réalité virtuelle pour les mécaniciens pour tester de nouveaux outils, selon Reuters.

Les robots peuvent-ils prendre le relais du drapage manuel ?

Avant que toute structure de fuselage ne soit expédiée à Hambourg ou aux usines de Boeing dans l'État de Washington, elles sont fabriquées dans des processus de fabrication de composites automatisés (ACM), incluant le placement de fibres automatisé et le drapage de bande automatisé.

L'ACM est adapté pour des pièces moyennes ou grandes comme les fuselages, ailes et longerons qui sont aussi soit plates soit légèrement courbées.

Mais les petites et moyennes pièces en composite sont fabriquées par drapage manuel, un processus très inefficace qui gaspille beaucoup de matériau.

C'est un gros problème car ces pièces — clips, équerres, poutres en I et portes d'accès — peuvent représenter jusqu'à la moitié du poids d'une structure et se compter en milliers pour un seul avion.

« Aussi, ces pièces qui doivent être drapées manuellement doivent être découpées et dartées, pressées, peu importe », dit Les Cohen, consultant composites. « Cela veut dire que votre ratio achat-vol peut être un facteur de 2 : si vous travaillez avec un matériau à 40 $ la livre, c'est effectivement du matériau à 80 $ la livre. »

Une équipe de l'Université de Californie du Sud a récemment complété un projet de démonstration pour automatiser le drapage avec des bras robotiques.

Bien que ce ne soit pas de l'automatisation, il y a encore de la place pour améliorer les matériaux utilisés dans la construction d'avions.

L'industrie comprend que le temps qu'il faut pour autoclaver les pièces en cours dans les opérations de décompactage toutes les quelques couches avec le durcissement de la pièce finale prend beaucoup de temps. Les résines à durcissement rapide qui ont les propriétés des pièces durcies en autoclave mais sans le processus d'autoclave sont la réponse mais elles ne sont pas disponibles, dit Cohen. Avec des investissements moyennant jusqu'à cinq ans de temps et un coût estimé de 10 millions $ pour développer de nouveaux matériaux, sans garantie qu'ils seront acceptés, c'est compréhensible que ce défi soit non relevé, dit-il.

La 4e Révolution Industrielle lente à décoller dans l'aérospatial

L'Industrie 4.0, avec sa promesse de plus grande productivité et qualité, pourrait aussi aider à booster la production aéronautique, mais l'industrie a été lente à adopter le monde connecté, numérisé et piloté par les données de la quatrième révolution industrielle.

« Je dirais que ces choses commencent juste à être en ligne en production et à livrer des résultats. Nous y sommes très investis et nous en sommes juste au point où nous pouvons le déployer à un niveau programme et vraiment donner quelque chose à une usine qui affectera absolument leur efficacité », dit Andrew Purvis, chef de projet pour le drapage composite et l'automatisation chez Electroimpact Inc. « Quand vous commencez à obtenir les données et à les analyser, vous commencez à trouver beaucoup d'or dans cette montagne de données et beaucoup de fois des diamants, des choses qui font vraiment monter votre production. »

Mûr pour l'automatisation est le côté qualité de la production, dit Purvis.

Electroimpact intègre la surveillance qualité dans les systèmes avec une technologie d'inspection qui mesure tout ce que ses machines AFP font pendant qu'elles construisent ou impriment une pièce. L'inspection automatique active un processus que l'entreprise appelle « réglage continu ».

« Le système se maintient en fait en calibration en regardant ce qu'il fait, et se règle continuellement lui-même », dit-il. « Comme une machine AFP ou imprimante peut regarder la sortie avec une caméra ou capteurs et dire 'Hé, j'ai remarqué que vous commencez à dériver un peu donc je vais compenser'. »

À ce stade, adopter l'Industrie 4.0 est plus une aspiration qu'un accomplissement en partie à cause des implications de cybersécurité et de gestion de données, dit Mick Maher, président du cabinet de conseil Maher Associates.

« Je ne pense pas que l'industrie aérospatiale l'adopte plus lentement que n'importe quelle autre industrie », dit-il. « Je pense que l'Industrie 4.0 est encore trop immature pour lui confier les rênes à ce stade. Cela dit, l'automatisation est un composant clé de l'Industrie 4.0. Mais tout comme il y a des parties de l'automatisation qui sont matures, comme le placement de bande, placement de fibres, il y a encore beaucoup de développement requis. »

De gros gains à avoir

Randy Rounkles, qui a été directeur technique pour l'aérospatial chez JR Automation, était précédemment chez Spirit Aerosystems où il faisait partie d'une équipe pour déployer l'Industrie 4.0 début 2019.

La production cible héritée chez Spirit, une ancienne usine Boeing qui a été cédée en 2005, était de 21 aéronefs par mois basée sur ses limitations physiques et sa taille, dit Rounkles. Avant qu'il parte, la production mensuelle de l'usine était de 57 aéronefs, aidée par des quarts additionnels, plus d'employés et une automatisation accrue, spécifiquement dans la fixation.

« Un des (derniers) projets avant que je parte était la collecte de données Industrie 4.0 sur l'utilisation d'équipement et cela a réellement changé la face de cette entreprise en comprenant ce que leur équipement faisait et ce qu'il était capable de faire », dit Rounkles. « Et cela a eu un impact significatif sur les dépenses capital pour les taux futurs. »

« Tâtonner dans le digital »

Il y a de la recherche en cours à travers le monde sur l'application de l'Industrie 4.0 dans la fabrication aéronautique, mais l'adoption est lente et la production aéronautique actuelle est plus analogique que digitale, dit Russell de l'AFRL.

« Les entreprises tâtonnent dans le digital pour résoudre des points de douleur spécifiques, comme le suivi d'actifs, mais peu de fabricants ont un véritable environnement Industrie 4.0 à l'échelle de l'entreprise », dit-il.

En termes de l'état actuel des composants Industrie 4.0, la fabrication additive est regardée pour l'outillage et pièces non structurelles, certains processus sont automatisés avec l'utilisation de robots, et en ce qui concerne l'analytique de données, de la R&D a été faite pour lier les données d'inspection non destructive aux modèles originaux pour comprendre l'impact des défauts de fabrication sur la performance des pièces, dit Russell.

Dans la vidéo postée sur YouTube, un bras robotique Kuka avec un rouleau de bout de bras lisse la couche de pré-imprégné composite sur la couche précédente tandis que deux robots avec pinces tiennent le matériau tendu de chaque côté.

Combien d'artistes du drapage manuel ont souhaité cet équivalent d'une troisième main démontré dans l'enregistrement de la cellule robotique intelligente ?

La cellule, et toute la technologie derrière, est un projet de démonstration par Satyandra K. Gupta, professeur de génie mécanique et informatique à l'Université de Californie du Sud, ses collègues et ses étudiants. Ils ont fait la pièce basée sur des suggestions de Boeing, Lockheed Martin et United Technologies, avec l'objectif d'évaluer la faisabilité de l'automatisation. Les résultats de tests sur pièces faites avec leur automatisation robotique ont été envoyés aux trois entreprises, dit Gupta.

« Actuellement, le défi clé que tous font face dans l'aérospatial est une pénurie de main-d'œuvre », dit-il.

Avec des bras robotiques faisant le drapage, un opérateur humain pourrait superviser plusieurs cellules à la fois, explique-t-il. Cela n'augmenterait pas seulement la capacité, cela pourrait possiblement éliminer l'étape de décompactage dans le processus de fabrication de pièce tout en assurant la qualité.

C'est parce que, pour une pièce critique hypothétique faite de 100 couches de pré-imprégné, la pièce en cours doit être ensachée et subir une application de vide toutes les trois (ou cinq) couches pour s'assurer qu'il n'y a pas de vides, pour un total de 33 décompactages.

Mais avec des robots, la pression de l'outil robotique peut être mesurée, contrairement à la main humaine, donc la qualité est assurée, et le processus peut aller plus vite.

Automatiser le processus ne le rend pas seulement constant et rationalisé. Le drapage manuel est un travail fastidieux qui est physiquement exigeant.

Travaillant sur deux ans et demi, Gupta et son équipe ont intégré les bras robotiques avec outillage de bout de bras, vision par ordinateur, détection de force, algorithmes d'intelligence artificielle, contrôleurs avancés et interface homme-machine. Leurs pièces de démonstration consistaient en jusqu'à 15 couches de pré-imprégné carbone époxy standard.

La partie la plus difficile de leur travail était d'intégrer la vision par ordinateur en temps réel.

« Il faut que la caméra voie quels défauts se forment », dit Gupta. « (Maintenant) si le robot voit un pli parfois il va tirer la feuille par ici, puis par là … »

Quand la cellule rencontre un problème qu'elle ne peut pas corriger, elle alerte un opérateur humain avec un bip, email ou texto.

Mais seulement si nécessaire.

« Parfois tout le processus se passe sans accroc », dit Gupta.

Regardez Maman, Pas de Mains ! (Outillage de bout de bras pour drapage pré-imprégné automatisé)

L'extension Rego-Fix ouverte il y a trois ans incorpore des fonctionnalités avancées de conservation d'énergie et ressources naturelles. Celles-ci incluent un système spécial d'échange d'air ventilé, chauffage aux granulés de bois, multiples unités de climatisation progressives, un toit « vert », et l'utilisation à la fois de lumière naturelle et contrôlée par capteurs.

Le système d'échange d'air ventilé échange l'air dans le nouveau bâtiment sept fois par heure. Il extrait la chaleur perdue du sol de fabrication — chaleur générée principalement par les gros équipements compresseurs d'air nécessaires pour les machines-outils de l'entreprise. Pendant les mois froids, qui comptent pour le reste de l'année, la chaleur perdue récupérée est ensuite utilisée pour réchauffer l'air frais entrant que le système tire de l'extérieur du bâtiment et fait circuler au sol de fabrication.

De plus, l'eau circulée dans un système fermé aide à garder les compresseurs d'air du sol de fabrication au frais pendant l'opération. Dans le processus de refroidissement, l'eau devient chaude, et cette eau chauffée est ensuite stockée dans un réservoir de 1849 gal (7007 l). Cette eau est utilisée pour aider davantage à chauffer le bâtiment via un système de chauffage intégré dans les sols des zones de bureaux du bâtiment.

L'installation incorpore aussi un système de chauffage de 390 kW qui brûle des granulés de bois au lieu de combustibles fossiles. Les granulés sont un sous-produit des industries du bois et de la fabrication de meubles, qui sont communes dans la région. Le système consomme de très petites quantités de granulés car il opère comme secours aux autres sources de chauffage et n'est utilisé que quand les températures extérieures sont extrêmement basses.

Pendant les étés, un système de climatisation progressif de type économie d'énergie, trois unités travaillant ensemble avec le système au sol et le système d'échange d'air, garde l'extension au frais. L'unité d'échange d'air tire la chaleur hors du bâtiment, et l'eau froide circule à travers le système au sol.

Si la température dans le bâtiment monte au-dessus d'un certain niveau, une des unités dans le système de climatisation progressif s'allumera pour soutenir le système au sol et l'unité d'échange d'air. Les unités de climatisation sont régulées en tr/min, donc si les niveaux de température continuent de monter, forçant la première unité de climatisation à dépasser sa limite, la seconde unité de climatisation dans le système s'activera. Et à son tour si la seconde unité atteint sa limite de tr/min, la troisième unité est activée. Une fois que le bâtiment commence à refroidir, les unités de climatisation individuelles s'éteindront en séquence inverse.

Les murs extérieurs du bâtiment sont complètement isolés. Contrairement aux designs de toit typiques, celui que Rego-Fix a choisi est assez inhabituel avec de hautes propriétés isolantes. Appelé toit « vert » ou « planté », il est couvert de terre qui a du gazon réel qui pousse dedans. En plus de sa valeur d'isolation, le toit capture l'eau de pluie qui est ensuite collectée dans un réservoir de 13 200 gal (50 000 l) et est utilisée pour les chasses d'eau dans les toilettes du bâtiment.

Combinées, toutes les fonctionnalités de chauffage et refroidissement du bâtiment fournissent des températures ambiantes stables et constantes dans la zone de fabrication. Cela a un bénéfice critique de fabrication. La température constante aide à maintenir une précision de machine-outil consistante pour produire les systèmes de porte-outils de haute précision de l'entreprise.

Pour plus d'économies d'énergie, le nouveau bâtiment de fabrication comporte de nombreuses grandes fenêtres à triple vitrage isolées qui laissent entrer une lumière naturelle abondante. En plus, les fenêtres sont équipées de stores qui s'ouvrent et ferment automatiquement. C'est une aide majeure pour garder le bâtiment frais en été. Tandis que les stores bloquent beaucoup de chaleur, ils sont perforés pour laisser passer la lumière.

Là où un éclairage additionnel est nécessaire, des lumières LED à économie d'énergie, avec activation par contrôle de mouvement, sont utilisées. Il n'y a pas d'interrupteurs muraux dans le bâtiment, et les lumières s'allument seulement quand les zones sont occupées puis s'éteignent quand elles ne le sont pas.