La filière composite à l'Aérospatiale
Dans cette annexe, nous présenterons la filière des pièces composites. Cette présentation permettra d'avoir une vue d'ensemble sur tout le processus de conception et de fabrication des pièces composites tel qu'il existe à l'Aérospatiale.
Introduction
La révolution industrielle fut l'âge de l'acier, et plus proche de nous, le développement de la pétrochimie a marqué l'âge des plastiques. Il semblerait que nous entrions maintenant dans une nouvelle erre marquée par la maîtrise et l'utilisation massive d'un nouveau type de matériaux : les matériaux composites.
On peut donner pour les matériaux composites la définition suivante [Weiss & Bord 83].
Un matériau composite résulte d'un assemblage intime d'au moins deux corps non miscibles à structure différente dont les qualités individuelles se combinent et se complètent en donnant un matériau hétérogène dont les performances globales sont améliorées.
Les matériaux composites sont en fait déjà largement présents dans la nature : l'os, le bois sont des matériaux composites. Ils sont constitués de fibres supportant les contraintes, noyées et liées entre elles par des tissus dont le rôle est de distribuer les contraintes et de protéger de l'environnement extérieur.
Les matériaux composites présentent de nombreux avantages :
- possibilité d'adapter le matériau aux fonctions de la pièce
- optimisation possible sur le poids, les contraintes
- définition de pièces multi-fonctionnelles et donc simplification des mécanismes
- obtention de performances nouvelles telle que :
· allégement sans concession sur d'autres propriétés
· tenue mécanique particulière (fatigue, résilience, ...)
· résistance chimique, tenue électrique, ...
Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'aéronautique car ils permettent d'alléger considérablement le poids des pièces d'une part, et de simplifier les méthodes de fabrication, d'autre part. Outre l'allégement apporté par les solutions composites, il est souvent possible avec cette technologie de procéder à des intégrations de fonctions conduisant à une diminution très importante du nombre de pièces à assembler. Par exemple, un rotor d'hélicoptère qui autrefois nécessitait plus de 300 pièces différentes est aujourd'hui réalisé en seulement 70 pièces grâce aux matériaux composites (rotor starflex).
De plus, les pièces composites présentent une résistance à l'érosion, aux chocs et aux hautes températures que jamais les matériaux classiques n'ont égalées.
Elles offrent enfin l'intéressante capacité à pouvoir se réparer assez facilement.
Quelques exemples de l'utilisation des matériaux composites dans l'industrie aérospatiale : le nez d'Hermes (en composite carbone-carbone), la voilure externe de l'ATR 72 entièrement en composite, 24% de composite sur le Rafale, 25% sur l'hélicoptère Dauphin, et 90% sont annoncés pour le bombardier furtif B2.
Les trois principales Filières
On peut distinguer trois grandes filières dans la fabrication des pièces composites : la filière des pièces tissu, la filière des pièces nappées, et la filière des pièces bobinées ou tissées. Ces trois filières se distinguent essentiellement par la forme et la nature des matériaux utilisés.
La filière tissu : comme son nom l'indique, utilise les matériaux composites sous formes de rouleaux de tissus dans lesquel sont débités les différentes découpes servant à constituer une pièce.
La filière nappe : elle met en oeuvres de fines bandelettes de fibres unidirectionnelles appelées nappes. Elle est apparue pour pouvoir automatiser la fabrication de pièce de grande taille et forme développable ou quasi développable.
La filière bobiné/tissé : on construit directement une pièce à partir de simples fils. Elle est utilisée pour fabriquer des pièces de grandes tailles ou présentant des formes complexes. Par exemple : réservoirs d'Ariane ou nez d'Hermes.
La mise en uvre d'une filière plutôt qu'une autre dépend de la pièce à réaliser. En effet, compte tenu de la nature des pièces, de leur géométrie (surfaces, développabilité, etc...) certaines méthodes de fabrication seront plus appropriées que d'autres.
Vue d'ensemble de la filière composite
On retrouve ici les différentes étapes du cycle de vie d'un produit. Les différentes filières se distinguant plus particulièrement au niveau de leurs procédés de fabrication, nous allons tout d'abord présenter ici les grandes lignes du cycle de vie, communes aux trois filières.
Spécification
C'est dès le stade des études préliminaires sur l'ensemble d'un appareil qu'est prise la décision de fabriquer certains de ces éléments en matériaux composites, en fonction des formes à réaliser, des efforts généraux dans l'appareil, des moyens industriels et des matériaux existants.
Conception et Définition
La conception d'une pièce élémentaire s'effectue à la fois en forme pour le dessin proprement dit et à plat pour la définition des lois d'épaisseur et la définition du tableau de drapage.
Après validation de la pièce grâce à un calcul par éléments finis, toutes les informations sont finalement synthétisées et regroupées dans la liasse des dessins définissant la pièce. Cette liasse est alors stockée dans la base de données SDA, devenant ainsi le document de référence pour toutes les phases suivantes du cycle de vie.
La définition de la pièce va ensuite permettre la conception et la fabrication de l'outillage, celui-ci est le support sur lequel vont être déposées les découpes. Il est généré à partir des connaissances sur la géométrie de la pièce par un logiciel (CADDS). Un peigne est généré à l'aide d'un autre logiciel (PANOPLIE). Ce peigne sert de base à la fabrication du moule, qui sera terminé manuellement.
Fabrication
La fabrication de pièces composites est caractérisée par un double flux : un flux de matière liée à un flux d'outillage sur lequel seront réalisées les pièces. Ce double flux, et les différentes étapes de ce cycle sont globalement représentés dans la See Un atelier de fabrication de pièces composites .
Stockage
Pour pouvoir conserver toutes leurs caractéristiques mécaniques et chimiques, les matériaux sont conservés à basse température, et sous atmosphère contrôlée.
Destockage
Avant d'être utilisé, les matériaux doivent subir une opération de destockage, qui permet à la fois de le mettre à température de l'atelier et de vérifier leurs caractéristiques avant la fabrication.
Découpe
Les matériaux (tissus ou bandes) sont ensuite découpés et regroupés en palettes ou cassettes avant de rejoindre les postes de dépose.
Dépose (ou drapage)
La création de pièces à partir de tissus ou bandes préimprégnées s'effectue réellement lors de l'opération de dépose qui assure le positionnement et l'empilage des plis sur un outillage. La pièce se constitue ainsi de façon constructive par ajout de matière s'effectuant par superposition de couches successives sur l'outillage. La fabrication d'éléments en matériaux composites drapés fait appel à l'utilisation de nombreux produits auxiliaires dits d'environnement qui assurent diverses fonctions ( See Les produits d'environnement. ) :
- absorption de résine (pompage),
Les produits d'environnement.
Pour mieux démouler la pièce, un tissu, appelé démoulant d'outillage est placé entre la pièce et l'outillage. Lorsque les découpes ont été posées sur l'outillage, la pièce est placée sous vide à l'aide de vessies, afin que la pression atmosphérique permette de compacter les différentes couches entre elles. Pour pouvoir faire correctement le vide, il est nécessaire d'interposer un tissu de drainage entre la pièce et la vessie, et de poser un joint d'étanchéité entre la vessie et l'outillage. Il est également nécessaire de placer un séparateur (film démoulant) entre le préimprégné (pièce) et le film d'étanchéité (vessie). Enfin, à fin d'absorber les excédents de résine on utilise des tissus de pompage.
L'ensemble de ces opérations réalisées traditionnellement de façon manuelle, donne une importante valeur ajoutée à la pièce et induit des risques de défauts qui deviennent très coûteux dans un contexte industriel. Dans le but de supprimer cet aspect aléatoire et d'augmenter la productivité, Aérospatiale a développé différents systèmes automatisés ou mécanisés permettant, soit de remplacer l'opérateur sur des tâches très fastidieuses, soit de l'assister dans son travail.
Polymérisation
Après l'étape de dépose, la pièce à acquis sa forme, mais elle n'est encore qu'un empilage de couches sans aucune réelle cohésion, et encore uniquement maintenue par l'outillage. C'est la phase de polymérisation qui va donner à la pièce toute sa rigidité et ses caractéristiques mécaniques définitives.
Pour cela, les pièces sont placées dans un autoclave ( See Un autoclave. ), où elles vont subir une cuisson suivant un cycle de pression et de température très précis. Ces séquences de température et de pression sont calculées par un logiciel (SCOOP). Ce logiciel permet entre autres de simuler le comportement des pièces et de l'outillage dans l'autoclave en prenant compte leur inertie thermique.
Parachèvement
Une fois la polymérisation effectuée, il reste à démouler la pièce. Le moule devra être nettoyé et reconditioné pour pouvoir être de nouveau réutilisé. La pièce quant à elle doit encore subir diverses opérations de finition telles que : perçage, ébavurage, détourage, ponçage.
Contrôle.
Une dernière étape de contrôle permet de vérifier que la pièce réalisée correspond bien aux spécifications du bureau d'études et ne présente pas de défauts structurels. Celui-ci peut s'effectuer par différentes méthodes utilisant des systèmes de contrôles non-destructifs (ultra-sons, taping), ou destructifs (carottages).
La filière tissu
Mise à plat
Lorsque les pièces ne sont pas développables en 2D (dômes d'avions, capotage moteur, etc.) on utilise une méthode manuelle pour faire la mise à plat des découpes.
Sur un modèle de la pièce, des développés sont tracés avec des gabarits correspondants à la pièce mise en forme ( See Mettre les découpes à plat. ). Mis à plat en pratiquant des "coups de ciseaux", ils sont digitalisés pour en tirer un fichier de contours.
Découpe par jet fluide.
Ce système utilise l'énergie cinétique d'un jet de liquide de faible diamètre projeté à très grande vitesse pour découper la matière. Pour que le jet ne subisse pas une diffusion importante, on augmente la viscosité du fluide par addition d'un polymère à longue chaîne dans l'eau, entraînant un écoulement quasi laminaire en sortie.
C'est à partir des coordonnés des points de contours que l'on programme la machine de découpe à jet d'eau DEJET 1300 ( See La machine de découpe DEJET. ). Cette machine permet de détourer par jet d'eau haute-pression les découpes de pièces composites à partir de rouleaux de tissu préimprégné, approvisionné en largeur maximum de 1270mm. Un système de marquage est intégré à la machine.
La machine de découpe DEJET.
La matière première, disponible sous forme de rouleaux, est découpée au fur et à mesure. Pour réduire au minimum le taux de chute, il convient d'imbriquer les pièces.
Les imbrications des découpes sont réalisées grâce au logiciel PANOPLIE, soit manuellement, soit automatiquement. (modules AUTOPAN/MANUPAN). On obtient donc une panoplie de découpes ( See Une panoplie de découpes. ).
Une panoplie de découpes.
Puis un robot saisit les découpes à l'aide d'un préhenseur et les dépose sur des palettes en respectant l'ordre de drapage, c'est à dire l'ordre dans lequel seront déposées les découpes ( See Saisie des découpes par le préhenseur. ).
Dépose.
La dépose des découpes reste encore une opération totalement manuelle. Le principal problème qui se pose alors est d'aider le compagnon à placer sa découpe sur l'outillage, et de lui permettre d'en vérifier le bon positionnement.
Il existe alors deux types de méthodes d'aide au drapage :
Aide au drapage par gabarit
Un gabarit en mylar est positionné sur l'outillage pour permettre de situer l'emplacement de la découpe. Le compagnon peut alors placer sa découpe ( See Utilisation du gabarit mylar pour la dépose. ).
Utilisation du gabarit mylar pour la dépose.
Cette méthode a pour inconvénient de nécessiter de nombreuses manipulations liées à l'utilisation des mylars. On a donc cherché à s'affranchir de celles-ci en projetant directement sur l'outillage le dessin des couches à déposer : soit par projection vidéo, soit par laser. C'est finalement cette seconde méthode qui semble donner les meilleurs résultats.
Aide au drapage laser
Un laser piloté par ordinateur trace sur l'outillage les contours de la découpe, ainsi que diverses informations telles que l'orientation ou le numéro de drapage. On rencontre alors le même type de problèmes que celui que nous avons vu pour passer des découpes en forme à celles des découpes a plat, c'est-à-dire le passage d'une surface à un espace tridimensionnel, avec en plus ici d'autres difficultés liées au système de projection.
Là encore, une approche résolument pragmatique à été adoptée : au lieu de se livrer à des calculs complexes, on passe par une phase d'apprentissage.
Dans cette première phase d'apprentissage, l'opérateur entre les coordonnées des points de contours grâce à un dispositif de pointage ( See Apprentissage d'une découpe. ). Ces coordonnées sont enregistrées dans un fichier associé à la pièce.
Apprentissage d'une découpe.
Au moment du drapage, il suffit de d'utiliser alors ce fichier pour afficher sur l'outillage le contour des découpes et leurs positions ( See Dépose d'une découpe sur le tracé laser. ).
Dépose d'une découpe sur le tracé laser.
Une fois l'ensemble de drapage réalisé, il ne reste plus qu'a cuire la piece dans un autoclave pour obtenir sa polymérisation ( See La polymérisation. ).
La filière nappe.
L'approche productique de l'Aérospatiale, basée sur l'utilisation de la technologie de groupe, a pour objectif l'automatisation et l'intégration des activités par famille de pièces. Cette approche a permis l'automatisation presque totale de la filière verticale des pièces composites quasi-planes réalisées par empilage de couches, ou drapage, de découpes de nappe unidirectionnelle telles que les panneaux et longerons de la voilure extrême ATR 72 ou les panneaux de la dérive Mirage 2000.
En effet, lorsqu'une surface est développable ou quasi développable, les opérations de découpe et de dépose peuvent être entièrement automatisées. Cette méthode de fabrication est utilisée lorsque les pièces ont une surface ou une longueur importante. (Par exemple la voilure externe de l'ATR 72: 8,50 m de long).
Cette intégration est basée sur le système de Machine à Draper (M.A.D.), qui constitue un système automatisé de découpe et de drapage de préimprégnés unidirectionnels. Ce système, commandé par les deux grands industriels de l'aéronautique Française, DASSAULT AVIATION et AEROSPATIALE, a été étudié pour atteindre les objectifs suivants :
- drapage de pièces de grandes dimensions difficilement réalisables manuellement.
- amélioration de la qualité par une meilleure reproductibilité.
- gain de productivité grâce à la diminution des temps de fabrication et à l'optimisation des effectifs de production.
- minimisation du taux de chutes
- intégration de toutes les phases de réalisation d'un matériau composite de la conception à la réalisation.
La machine à draper est un système se présentant sous deux phases et actuellement sous la forme de deux machines distinctes :
· une machine de préparation des découpes : ACCESS
ACCESS = Advenced Composite Casette Edit/Shear System
· une machine de dépose des découpes sur un outillage en forme : ATLAS
ATLAS = Advenced Tape LAying System
Découpe : ACCESS
A partir d'un rouleau de préimprégné de largeur définie, cette machine créée une cassette de découpe : les deux séparateurs sont pelés, le préimprégné est découpé, puis il est reconditionné entre un nouveau film séparateur et un film transparent mylar. Le tout est enroulé sur une cassette dans l'ordre inverse de la dépose à venir, ce qui prépare le travail de dépose. La cassette sera ensuite transférée sur la tête de dépose de la machine ATLAS. Actuellement, on utilise trois largeurs de préimprégné : 25 mm, 75 mm et 150 mm.
Dépose : ATLAS
La dépose s'effectue sur la machine ATLAS. Cette machine de dépose à commande numérique est un robot portique possédant cinq axes.
Les découpes issues de la cassette de découpe sont amenées en position sous le rouleau applicateur. Cette position est repérée par un trou réalisé dans le mylar pendant la phase de découpe. La pégosité du produit assure le maintient de l'extrémité de la découpe en place sur l'outillage, puis le déplacement programmé de la tête réalise la dépose de la découpe sur la surface en forme de l'outillage.
Intégration : PAOMAD
L'intégration avec les outils du bureau d'étude et les calculs de trajectoires de découpe et de dépose sont réalisés par le logiciel PAOMAD (Programmation Assistée par Ordinateur de Machine A Draper), développé par l'Aérospatiale.
Ce logiciel est destiné à la programmation de machines à draper. Il a permis de réaliser des pièces composites vitales sur un avion civil, l'ATR 72, ce qui constitue une première mondiale.
D'une part, PAOMAD automatise des tâches de préparation concernant les machines de découpe (DEJET 300 ou ACCESS) et drapage (manuel utilisant des mylars ou automatique avec ATLAS), et notamment la programmation commande numérique. Cette automatisation est nécessaire compte-tenu du grand nombre d'entités à définir et traiter (trois à quatre mille découpes, plusieurs dizaines de milliers de points pour les contours des découpes et les trajectoires de dépose pour un panneau ATR 72).
D'autre part, PAOMAD, par son intégration avec les outils de CAO du bureau d'études de la division avions, en particulier AEROLIS, assure la conformité à la définition de la pièce et permet une bonne réactivité de l'outil industriel. En effet, un panneau ATR 72 est programmé en moins de trois semaines, et est réalisé avec la machine à draper en trente heures environ, soit trois fois moins de temps que manuellement. Quant à elle, une modification de la définition peut être traitée en moins de 3 jours.
PAOMAD : intégration de la filière nappe.
PAOMAD travaille principalement à plat, i.e. en deux dimensions, ce qui est simple, à partir du fichier des contours des couches développées fourni par le bureau d'études. PAOMAD détermine des découpes à partir des contours des couches à plat et des orientations de fibre associées fournis par le bureau d'études.
Puis il génère les programmes de commande numérique des machines de découpe, avec notamment simulation de la découpe pour déceler à l'avance certaines impossibilités. Contrairement à son nom, PAOMAD permet de programmer non seulement la machine à draper mais aussi les DEJET 300 et les traceurs de mylars de drapage. Cette dernière gamme, la plus ancienne, reste utilisée pour les pièces qui ont des accidents locaux infaisables avec la machine à draper.
Pour le calcul des trajectoires de drapage, plus complexe car il nécessite des coordonnées tridimensionnelles, des fonctions du logiciel AEROLIS du bureau d'études avions sont utilisées: Les découpes à plat générées par PAOMAD sous la forme d'un fichier au format SET, sont projetées sur la surface aérodynamique tridimensionnelle par AEROLIS. Les trajectoires de dépose résultantes sont renvoyées à PAOMAD, qui réalise la prise en compte des épaisseurs pour l'approche et le ralentissement aux variations d'épaisseurs, puis un changement de repère pour prendre en compte la position de l'outillage.
Ces données sont ensuite traitées par les post-processeurs intégrés à PAOMAD dans le cas de la DEJET 300 et de la machine à draper de Suresnes, ou bien par les post-processeurs développés par BMO pour la machine à draper de Nantes, légèrement différente.
Enfin, PAOMAD fournit également un calcul des épaisseurs théoriques de peau pour le contrôle non destructif par ultra-sons (SIAM).
La filière bobinage/tissage
Bobinage ou enroulement filamentaire
Le procédé consiste à enrouler, par l'intermédiaire d'un guide-fil, des fibres préimprégnées de résine sur un mandrin de forme appropriée et extractible. Il est possible d'obtenir :
- des pièces non de révolution mais à formes convexes
Ensuite la structure est polymérisée en étuve. Pour les pièces hautes performances la polymérisation s'effectue en les faisant tourner pendant toute la durée de l'étuvage. Le moule est placé sur un axe. Pendant que le moule tourne autour de cet axe, le fil est déposé par une pointe se déplaçant sur un axe parallèle à l'axe de révolution ( See Principe du bobinage. ).
Principe du bobinage.
Cette technique permet de réaliser des pièces telles que :
- Réservoir de propulseur de fusée ( See Réservoir fabriqué par bobinage 2D. )
Tissage 3D
Ce processus permet par exemple de réaliser des matériaux de types carbone-carbone, constitués d'un substrat formé de fibres de graphites orientées suivant les trois directions orthogonales ( See Principe du tissage 3D. ), dont les vides sont remplis par du graphite obtenu par répétition d'un cycle d'imprégnation, de carbonisation et de graphitation de carbone. Le matériau ainsi élaboré présente, grâce à la présence de fibres de graphite, une très grande résistance mécanique (250 MPa).
Principe du procédé 3D de révolution
Le procédé se déroule essentiellement en deux phases ( See Principe du tissage 3D de révolution. ).
Principe du tissage 3D de révolution.
· Une phase de tissage au cours de laquelle des fils radiaux et circonférentiels sont insérés automatiquement entre des tiges métalliques flexibles qui sont orientées dans la direction longitudinale du substrat. C'est pendant cette phase que la forme finale du produit est obtenue (cylindre, cône ou forme complexe).
· Une phase de laçage au cours de laquelle les tiges métalliques sont automatiquement remplacées par du fil. Le substrat 3D est ainsi complet.
Cette méthode permet d'obtenir des pièces présentant de très hautes caractéristiques mécaniques et thermiques telles que : nez des corps de rentrée de missiles balistiques, ou tuyères de propulseurs à poudre.
Une dernière technique : le tissage 3D permet de créer des formes complexes non développables. Pour cela, on plante des épingles dans un moule en mousse, et un robot tisse le fil autour des épingles. Une fois le tissage terminé, on enlève les épingles et il est alors possible de polymériser la pièce.