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26 novembre 2024

Découvrez comment Greene Tweed utilise la technologie des composites thermoplastiques discontinus pour remodeler la fabrication aérospatiale

Aviation Week Network a organisé une conversation avec Travis Mease et Sébastien Kohler chez Greene, Tweed and Co, un fabricant de composants vieux de 160 ans qui fournit des solutions fiables pour répondre aux exigences de performance critiques de l'industrie.

Rencontrez les experts :

Travis Mease est le chef de produit thermoplastique de Greene Tweed pour les composites structurels, spécialisé dans les applications de fibres coupées. Il dirige le développement de la stratégie produit et l'exécution de la feuille de route technologique, conduisant l'expansion des composites thermoplastiques sur les marchés émergents.

Sébastien Kohler est scientifique chez Greene Tweed, où il travaille sur les matériaux composites structurels et techniques. Il fait partie d'une équipe interfonctionnelle qui développe de nouveaux matériaux composites, de nouveaux procédés et de nouvelles pièces, avec une attention particulière pour l'industrie aérospatiale.

Voir notre webinaire : L'adoption des composites thermoplastiques pour une industrie aéronautique en pleine transformation

Q AW : Quels sont les avantages des composites à fibres longues discontinues (DLF) dans la fabrication aérospatiale ?

A TM : L'un des principaux avantages du composite thermoplastique Xycomp à fibres longues discontinues (DLF) de GT est son processus de moulage par compression hautement automatisé, qui prend en charge à la fois les géométries complexes et la production en grand volume pour les applications aérospatiales. Nous pouvons produire de manière répétée des pièces de haute qualité conformes aux normes GD&T, en traitant souvent plusieurs composants sur la même palette afin d'augmenter le rendement avec une interaction minimale de l'opérateur. Greene Tweed a introduit une automatisation supplémentaire tout au long de ce processus, y compris le pesage des charges de matériaux, la manipulation des presses et des moules, ainsi que des capacités avancées telles que le renforcement par placement automatique de fibres (AFP) et l'ébavurage par cobot. Cela permet de réduire le travail tactile tout en augmentant la qualité, le rendement et la fiabilité. Par rapport aux composants en aluminium, ce procédé permet de réaliser des économies de poids de 30 à 50 % en fonction du degré d'optimisation de ces composants en aluminium, tout en restant compétitif en termes de coûts par rapport aux pièces sophistiquées et lourdement usinées.

A SK : Les composites DLF constituent un excellent moyen terme entre le moulage par injection, qui offre une grande complexité de formes mais de faibles propriétés mécaniques, et les composites traditionnels à fibres continues, qui offrent d'excellentes propriétés mais une capacité limitée de drapage autour de formes complexes. Le DLF permet généralement d'obtenir environ 75 % de la rigidité d'un stratifié quasi-isotrope et la moitié de sa résistance. Il est donc idéal pour remplacer les pièces métalliques de forme complexe, en particulier les composants en aluminium usinés. Les avantages peuvent être encore plus significatifs dans certaines applications en raison de la grande sensibilité à la chaleur de la microstructure de nombreux alliages d'aluminium typiques de qualité aérospatiale. Cela entraîne une baisse significative de la résistance, alors que notre DLF est plus stable dans sa plage de fonctionnement, avec une capacité à supporter des contraintes élevées continues jusqu'à au moins 180°C. Dans certains cas, nous avons même remplacé des composants en titane ou en acier, ce qui a permis de réaliser des économies de poids encore plus substantielles.

Q AW : Examinons un cas d'utilisation spécifique. Comment le poids et les performances d'une aube de stator DLF avec un bord d'attaque métallique se comparent-ils à ceux d'une aube entièrement en aluminium ?

A SK : Nous avons identifié les aubes directrices extérieures des jets d'affaires - une pièce de forme complexe - comme une excellente application pour DLF. Ces pièces sont non structurelles, entièrement flottantes, et nous pouvons les mouler avec le pied comme un seul composant moulé en filet. Cependant, la résistance à l'impact de la grêle représentait un défi de taille. Le cas de charge d'un impact de grêle à grande vitesse implique à la fois un écrasement local sous le point d'impact et une flexion en trois points de l'aube, ce qui rend l'épaisseur du profil du profil aérodynamique cruciale. L'augmentation de l'épaisseur de la pale pourrait améliorer la résistance à l'impact de la grêle, mais cela n'était pas possible en raison des exigences de la géométrie fixe. Après avoir exploré diverses approches d'hybridation avec des matériaux composites DLF et à fibres continues, nous avons mis au point un bord d'attaque métallique qui offre une excellente protection. Nous l'avons validé par des essais approfondis sur notre propre banc d'essai d'impact de la grêle en Suisse. La conception co-moulée qui en résulte - combinant un bord d'attaque métallique avec une aube directrice moulée en filet - offre une solution rentable qui permet de réaliser des économies de poids significatives : initialement de quatre à six livres par moteur, elles sont maintenant de huit à dix livres par moteur dans la version la plus récente.

A TM : Ces exigences de performance sont particulièrement critiques car chaque moteur contient généralement 55 à 60 aubes placées directement derrière les pales du ventilateur. Elles sont donc soumises à des exigences importantes en matière d'impact et de durabilité. Nous sommes conscients des forces et des limites de la technologie DLF de Xycomp, c'est pourquoi nous innovons continuellement et travaillons à l'élaboration de DLF 2.0, qui relèvera certains de ces défis.

A TM : La certification peut constituer une barrière importante à l'entrée lors de l'introduction de nouveaux matériaux dans l'aérospatiale. Les matériaux doivent être entièrement caractérisés, c'est pourquoi nous travaillons avec des matériaux entièrement testés et validés plutôt que d'en expérimenter de nouveaux. Ceci est essentiel dans des secteurs tels que la mobilité aérienne avancée (AAM), où les entreprises, en raison des engagements des investisseurs et des délais serrés, ont besoin de solutions matérielles entièrement validées. L'un des principaux avantages de Greene Tweed réside dans le fait que nous proposons une offre complète qui comprend non seulement la caractérisation des matériaux, mais aussi des capacités d'analyse prédictive de la conception - et que nous avons un historique de performances éprouvé. Cela permet de réduire les risques, de raccourcir les délais et de diminuer les coûts pour nos clients, car nous pouvons prédire avec précision comment ces matériaux se comporteront dans les scénarios d'essai.

A SK : Le processus de certification implique un vaste ensemble d'essais portant sur de multiples paramètres. Nous effectuons des essais complets sur des coupons dans diverses conditions environnementales et de chargement, en utilisant différents lots de matériaux et configurations de pièces. Grâce à la capacité offerte par DLF de faire varier l'épaisseur des pièces et d'incorporer des nervures de renforcement complexes, nous avons également caractérisé les performances sur différentes épaisseurs de matériaux. Il en résulte une matrice d'essais étendue - environ 200 panneaux avec cinq à sept échantillons chacun, y compris la caractérisation de la fatigue, qui implique de longs essais. Cette vaste base de données sur les propriétés et les performances des matériaux est inestimable pour nos clients, car ils peuvent utiliser nos données admissibles pour leurs propres processus de certification, ce qui leur évite d'avoir à reproduire eux-mêmes ces essais.

Q AW : Sur la base de l'expérience de Greene Tweed, quelles sont les considérations relatives à la recyclabilité des composites thermoplastiques ?

A SK : Le processus de certification implique un vaste ensemble d'essais portant sur de multiples paramètres. Nous effectuons des essais complets sur des coupons dans diverses conditions environnementales et de chargement, en utilisant différents lots de matériaux et configurations de pièces. Grâce à la capacité offerte par DLF de faire varier l'épaisseur des pièces et d'incorporer des nervures de renforcement complexes, nous avons également caractérisé les performances sur différentes épaisseurs de matériaux. Il en résulte une matrice d'essais étendue - environ 200 panneaux avec cinq à sept échantillons chacun, y compris la caractérisation de la fatigue, qui implique de longs essais. Cette vaste base de données sur les propriétés et les performances des matériaux est inestimable pour nos clients, car ils peuvent utiliser nos données admissibles pour leurs propres processus de certification, ce qui leur évite d'avoir à reproduire eux-mêmes ces essais.

A TM : Nous menons actuellement des travaux préliminaires avec des entreprises d'AAM et de grands OEM de l'aérospatiale pour explorer les options de recyclabilité. Nous testons de petites quantités de matériaux recyclés - provenant de la ferraille, des déchets ou, éventuellement, d'avions déclassés - afin d'évaluer leur compatibilité avec nos processus de moulage et de développer des recettes et des procédures appropriées. Après avoir exploré diverses approches d'hybridation avec des matériaux composites DLF et à fibres continues, nous avons mis au point un bord d'attaque métallique qui offre une excellente protection. Nous l'avons validé par des essais approfondis avec notre propre banc d'essai d'impact de grêle en Suisse. La conception co-moulée qui en résulte - combinant un bord d'attaque métallique avec une aube directrice moulée en filet - offre une solution rentable qui permet des économies de poids significatives : initialement de quatre à six livres par moteur, elles atteignent maintenant huit à dix livres par moteur dans la version la plus récente. A TM : Ces exigences de performance sont particulièrement critiques car chaque moteur contient généralement 55 à 60 aubes positionnées directement derrière les pales du ventilateur. Elles sont donc soumises à des contraintes importantes en termes d'impact et de durabilité. Nous sommes conscients des forces et des limites de la technologie DLF de Xycomp, c'est pourquoi nous innovons continuellement et travaillons à l'élaboration de DLF 2.0, qui relèvera certains de ces défis.

Q AW : Quels sont les défis en matière de réglementation et de certification associés aux nouveaux matériaux et procédés composites thermoplastiques dans l'aérospatiale ?

A TM : La certification peut constituer une barrière importante à l'entrée lors de l'introduction de nouveaux matériaux dans l'aérospatiale. Les matériaux doivent être entièrement caractérisés, c'est pourquoi nous travaillons avec des matériaux entièrement testés et validés plutôt que d'en expérimenter de nouveaux. Ceci est essentiel dans des secteurs tels que la mobilité aérienne avancée (AAM), où les entreprises, en raison des engagements des investisseurs et des délais serrés, ont besoin de solutions matérielles entièrement validées. L'un des principaux avantages de Greene Tweed réside dans le fait que nous proposons une offre complète qui comprend non seulement la caractérisation des matériaux, mais aussi des capacités d'analyse prédictive de la conception - et que nous avons un historique de performances éprouvé. Cela permet de réduire les risques, de raccourcir les délais et de diminuer les coûts pour nos clients, car nous pouvons prédire avec précision comment ces matériaux se comporteront dans les scénarios d'essai.

Q AW : Sur la base de l'expérience de Greene Tweed, quelles sont les considérations relatives à la recyclabilité des composites thermoplastiques ?

A TM : Nous menons actuellement des travaux préliminaires avec des entreprises d'AAM et de grands équipementiers aérospatiaux afin d'explorer les options de recyclabilité. Nous testons de petites quantités de matériaux recyclés - provenant de rebuts, de déchets ou, éventuellement, d'avions déclassés - afin d'évaluer leur compatibilité avec nos procédés de moulage et de mettre au point des recettes et des procédures appropriées. Il est intéressant de noter que certaines entreprises d'AAM commencent à voir la valeur des aspects environnementaux des matériaux recyclés au-delà des simples considérations de coût, et les considèrent plutôt comme une caractéristique commercialisable pour leurs plates-formes. Bien qu'il s'agisse encore d'un stade précoce, cela suggère une reconnaissance croissante de la proposition de valeur plus large des matériaux recyclables dans les applications aérospatiales.

A SK : Si les composites thermoplastiques sont théoriquement recyclables par refonte, leur mise en œuvre pratique dans l'aérospatiale se heurte à plusieurs difficultés, notamment en ce qui concerne les polymères de grande valeur et à haute température tels que le PEEK et le PEKK. L'intérêt commercial du recyclage de ces matériaux n'est pas encore totalement défini, en grande partie parce qu'il est difficile de justifier le prix élevé des versions recyclées de ces matériaux déjà onéreux. Les matériaux recyclés posent de nouveaux problèmes de certification, en particulier pour les pièces structurelles des avions. Cela conduit souvent à déclasser les matériaux recyclés pour les composants intérieurs non structurels ou même pour des applications non aérospatiales telles que les équipements sportifs. Nous soutenons déjà de telles activités dans les applications industrielles et médicales, où nous recyclons nos propres déchets. À l'avenir, nous nous attendons à ce que les réglementations et les incitations gouvernementales favorisent le développement de chaînes d'approvisionnement circulaires, obligeant les fabricants à qualifier les matériaux recyclés et à définir des flux de recyclage internes. Nos capacités techniques sont bien adaptées pour aider l'industrie à développer ces solutions de recyclage des composites thermoplastiques.

Innovateurs en solutions thermoplastiques depuis plus de 160 ans :

Approches novatrices des techniques de moulage par compression et de mise en forme des fibres :

Caractérisation et certification des matériaux inefficaces avec le soutien du NIAR :

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