L'aube de soufflante du moteur sans carénage Rise est l'une des révélations du stand Safran au Salon du Bourget, qui démarre ce 16 juin. Mais c'est quelques jours plus tôt, au cœur de l’Essonne, à Itteville, que Safran Tech a dévoilé à la presse les secrets de fabrication de cette pièce en composites. Inaugurée en 2014, la plateforme technologique Safran Composites développe des matériaux composites à matrice organique dans le but de diminuer la masse des aéronefs et réduire leur consommation énergétique. C'est ici que les aubes de soufflante des projets LEAP et RISE ont notamment été conçues.
« A l’entrée en service du LEAP en 2016 (le moteur d’avions monocouloirs à consommation en carburant réduite, conçu par la co-entreprise de Safran Aircraft Engines et General Electric, CFM, ndlr), nous considérons que nous avions dix ans d’avance technologique sur les matériaux composites tissés en 3D. Le placement de fibres automatisé est une autre technologie sur laquelle nous considérons avoir une avance importante. Notre raison d’être, c’est de maintenir cette avance vis-à-vis de la concurrence », se congratule en préambule à la visite Frédéric Fossé, directeur de Safran Composites.
En 2021 et dans la continuité de LEAP, CFM lance le programme de démonstration RISE, un moteur d’avion qui, de par son architecture « open fan » (sans carénage, le cylindre dans lequel est placé le réacteur) et l’utilisation de matériaux innovants – tels que les composites – permettrait de réduire de 20% la consommation de carburant. En utilisant en outre des carburants durables, les émissions de CO2 seraient réduites jusqu’à 80 %, d’après Delphine Dijoud, directrice technique adjointe de Safran Aircraft Engines et impliquée dans le programme RISE depuis son lancement.
Anthony Guerra, Safran Au sein de Safran Composites, la plateforme technologique de Safran dédiée aux matériaux composites pour l'aviation, la conception des aubes de moteurs commence par le tissage des fibres de carbone.
Etude de la matière à toutes les échelles
Le rez-de-chaussée du bâtiment de 10 000 m² est presque entièrement divisé entre les différents laboratoires et ateliers du centre de R&T. Première étape, les laboratoires physico-chimique et de mécanique, où est étudiée la matière « à toutes ses échelles, de l’atomique à l’échelle macro d’une pièce », nous informe Eric Dalbiès, directeur de la recherche, de la technologie et de l’innovation au sein du groupe Safran. Les résines utilisées pour fabriquer les composites organiques, et les réactions de polymérisation permettant la formation de ces matériaux sont analysées dans le laboratoire physicochimique. Les composites sont notamment utilisés pour fabriquer les aubes de soufflante de RISE.
Les résultats de ces travaux sont ensuite exploités dans une véritable « salle de torture », nous présente Florian Conejos, responsable de l’équipe Simulation mécanique. Des éprouvettes, de petites pièces-échantillons de matériaux composites, subissent des essais en tous genres : traction, fatigue, et impacts de pains en gélatine (pour simuler les interactions avec des oiseaux). « Nous développons une brique technologique importante, qui est celle de l’optimisation des propriétés mécaniques de ces matériaux par intelligence artificielle », explique Florian Conejos. « Nous cherchons à optimiser les propriétés mécaniques que peut avoir la pièce étudiée ». Par ailleurs, les ingénieurs du laboratoire sont capables, par simulations numériques, de réduire les heures de tests imposées à chaque éprouvette.
5000 bobines de fibres de carbone pour le tissage
Une très large partie de l’étage est allouée à l’atelier de réalisation des aubes de LEAP et, demain, de celles de RISE. C’est la technologie de matériaux composites 3D RTM, brevetée par Safran il y a plus de 20 ans déjà, qui est ici utilisée. Pour le programme RISE, de nouveaux procédés sont mis au point. Objectif : concevoir des aubes grandes de 1,6 m, soit deux fois plus hautes que celles de LEAP, tout en améliorant les paramètres de poids et de robustesse.
C’est par un procédé de tissage, dans des machines similaires aux métiers à tisser Jacquard popularisées au 19e siècle, que sont liées les fibres de carbone, des tresses de 12 000 fils de carbones plus fins que des cheveux, composant les aubes des moteurs. Aujourd’hui, et après 25 ans de maturation dans les laboratoires de Safran, le tissage des fibres de carbone s’effectue à l’aide de 5000 bobines. Le groupe possède une maîtrise et une autonomie totale de production du tissage, nous souffle-t-on.
Anthony Guerra, Safran La pièce tissée, d’abord plate, est découpée par jet d’eau. Dans un moule sous vide, les ingénieurs injectent à la pièce de la résine époxy. Cela permet notamment de chasser l’air des éventuelles porosités apparentes au sein des fibres de carbone. La pièce est ensuite courbée, en forme de pale. Enfin, le bord d’attaque de l’aube est ajouté ainsi qu’un film de protection.
Contrôlabilité des pièces prise en compte dès le début de conception
Enfin, dans une dernière salle, sont menés les contrôles non destructifs des pièces fabriquées au sein du site Safran Composites. « Nous développons ici beaucoup de nouveaux matériaux et de nouveaux procédés. Et la contrôlabilité des pièces aéronautiques est souvent une limite », déplore Samuel Maillard, ingénieur de recherche Safran Tech. « Nous travaillons à Safran Composites de manière très intégrée, dès le début de conception des pièces, pour s’assurer de leur contrôlabilité. Cela a notamment été le cas sur une de nos premières réussites, les aubes du moteur LEAP, qui sont aujourd’hui contrôlées par tomographie, l’équivalent d’un scanner médical appliqué à des pièces industrielles ».
L’ingénieur et son équipe ont, en parallèle, développé une méthode de contrôle innovante par thermographie infrarouge des panneaux acoustiques d’éléments inverseurs de poussée (dispositifs permettant le ralentissement des aéronefs). Des lampes flash produisent de la chaleur sur la pièce inspectée, et sa diffusion sur la pièce est ensuite observée par caméra infrarouge. Cela permet aux ingénieurs d’identifier les éventuels délaminages et autres défauts de fabrication.
Durées d'analyse divisées par 3
« Nous avons aussi développé un système de réalité augmentée permettant, à partir de coordonnées d’une image prise en thermographie infrarouge, de déterminer les coordonnées du défaut dans la pièce, et ainsi de projeter le défaut directement sur la pièce. L’opérateur peut alors effectuer des contrôles supplémentaires aux endroits critiques, dans des conditions d’ergonomie de travail intéressantes et confirmer la présence des défauts », rajoute Samuel Maillard.
L’ingénieur conclut ensuite en précisant que les durées d’analyse ont, grâce à ces méthodes nouvelles, été divisées par 3. « Notre prochain challenge, avec nos collègues de Safran Tech et Safran AI, porte sur la mise en œuvre de l’aide à la sanction automatique : les opérateurs passent aujourd’hui 80 à 90 % de leur temps à inspecter des zones sans défauts », se projette-t-il.
