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Optimal tooling system design for large composite parts

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Un équipement optimal pour les grandes pièces composites

La production de grandes structures d'avion en matériaux composites complexes est un processus compliqué, dont la majeure partie s'effectue dans un grand autoclave, sous des conditions extrêmes. Des chercheurs ont réussi à trouver une solution pour améliorer l'efficacité et la rentabilité.

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L'industrie aéronautique repose de plus en plus sur les composites qui allient poids léger et excellente résistance mécanique. Réduire les coûts de production associés est une nécessité, en particulier concernant les pièces de très grande taille comme le fuselage qui ont besoin de très grands autoclaves. Des chercheurs ont lancé le projet OPTOCOM (Optimal tooling system design for large composite parts), financé par l'UE, pour relever le défi. La pièce étudiée était un panneau rigidifié de fuselage double courbure avec des raidisseurs d'environ deux mètres carrés traités simultanément. Les chercheurs ont conçu une grande machine-outil pour la fabrication. INVAR 36, un alliage composé à 36 % de nickel-fer et ayant un très faible taux de dilatation thermique, a été choisi comme matériau pour la machine-outil. Un système à matrice époxy HexPly M21 renforcé de fibres a été choisi pour la partie fuselage. Les grandes pièces complexes aux angles prononcés présentent un phénomène appelé ressort de rappel en raison de la nature plastique-élastique des matériaux. L'équipe a cherché à simuler de façon précise le ressort de rappel qui se produit après le séchage afin de le minimiser et de réduire les coûts de refaçonnage ou d'assemblage. Les scientifiques ont d'abord créé des modèles de méthode des éléments finis (FEM) simulant la distorsion et le ressort de rappel durant le processus de séchage, en s'appuyant sur des données expérimentales. Ils ont fourni de bons résultats qualitatifs et sont en cours d'optimisation. Puis, ils ont ciblé l'optimisation de la répartition de température du cycle de séchage pour obtenir une uniformité dans la pièce composite, moins de stress résiduel et moins de consommation d'énergie. Les modèles FEM ont servi à évaluer et optimiser les comportements thermiques du système d'outillage dans l'autoclave en vue d'augmenter la vitesse et de baisser les coûts et la consommation d'énergie de manière considérable. Les modèles et les données expérimentales ont confirmé que la machine-outil présentait une déformation très faible car elle était chauffée et refroidie de façon très uniforme. La machine-outil définitive a été conçue en tenant compte de son adaptabilité. Une analyse des coûts a démontré que le résultat du projet OPTOCOM réduit vraiment considérablement le temps d'autoclave, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie, les émissions et les temps de refaçonnage et d'assemblage. L'optimisation et la commercialisation à venir devraient grandement profiter à la position compétitive de l'industrie aéronautique de l'UE.

Mots‑clés

Pièces composites, avion, autoclave, outillage, fuselage, ressort de rappel

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