E-Props : fabrication, blindage, équilibrage, tracking

Toutes les pièces E-Props — pales, moyeux et cônes — sont fabriquées par RTM (Resin Transfer Molding). Ce procédé est utilisé par des constructeurs comme Airbus ou Boeing pour certaines pièces carbone critiques et ultra-légères des avions de ligne ; c'est l'une des meilleures méthodes disponibles pour produire des pièces composites de grande surface, aux formes complexes et à la finition soignée.

Le RTM offre plusieurs avantages décisifs par rapport aux autres procédés composites :

• très bonne qualité de surface
• taux de fibres très élevé
• large choix de renforts possibles
• pièces grandes, longues ou de forme complexe
• faible impact environnemental
• main-d'œuvre manuelle réduite
• aucun contact direct entre les opérateurs et les matières premières, bien meilleur pour leur santé

Le procédé suit un cycle de température strict : la cuisson des pièces carbone sous chaleur contrôlée améliore leurs propriétés mécaniques, en particulier leur résistance, y compris dans des conditions de haute température.

Concrètement, la tresse de carbone est d'abord découpée puis enfilée sur une âme en mousse préformée, comme une chaussette (voir le procédé HCF ci-dessous) ; l'ensemble est placé dans le moule, qui est refermé puis injecté sous pression de résine époxy, avant de suivre le cycle de cuisson en température. Après démoulage, chaque pièce est pesée avec précision à plusieurs étapes de sa fabrication — par exemple, sept pesées distinctes sont réalisées pour une seule hélice ULM/avion — puis passe par le contrôle dimensionnel et la finition sur les centres d'usinage 8 axes E-Props, présentés en détail sur la page Ateliers et Moyens de Production.

Toutes les pales E-Props sont réalisées en tresse de carbone et résine époxy. Le carbone offre un excellent compromis entre rigidité et masse, et l'usage d'un matériau unique est bien supérieur au mélange de matériaux — par exemple mélanger fibre de verre et carbone, une façon courante d'économiser sur le carbone, plus onéreux que la fibre de verre.

Le procédé HCF (Helical Continuous Fibers), développé spécifiquement par E-Props, donne à la pale 100% carbone + époxy une résistance exceptionnelle du bord d'attaque au bord de fuite, et du pied au saumon. Contrairement au procédé « demi-coquille » utilisé par la plupart des fabricants d'hélices composites, les fibres de carbone sont continues entre l'intrados et l'extrados : la tresse est tissée comme une chaussette autour de la pale. Cela augmente considérablement la résistance mécanique — aucun risque de délaminage du bord d'attaque, ni de fissuration des pales ou du moyeu.

Fabriquer une pièce carbone solide, c'est maximiser le taux de fibres et minimiser le taux de résine : la fibre est environ 50 fois plus résistante que la résine.

Les pièces E-Props ont un taux de fibre de carbone exceptionnellement élevé, de 63%, contre environ 40% pour une pale « demi-coquille » classique en fibre de verre collée en deux parties — un écart décisif, à la fois du fait du taux lui-même et parce que la fibre de carbone est intrinsèquement plus résistante que la fibre de verre.

La résine époxy est la résine de référence en aéronautique : très bonnes propriétés mécaniques et thermiques, haute résistance à la fatigue, bonne stabilité dimensionnelle, bonne tenue chimique et, surtout, excellente adhérence aux fibres de carbone. La résine époxy utilisée par E-Props intègre également un additif haute résistance aux UV (UVA et UVB).

Points clés de la fabrication des pales :

• âme en mousse avec longeron interne en caisson (D-Box)
• sur la gamme ULM/LSA, un insert annulaire en titane à l'intérieur du pied de pale
• construction 100% carbone — aucune pièce métallique, donc aucun risque de corrosion galvanique
• protection externe du bord d'attaque (voir section 2 ci-dessous)
• un numéro de référence unique sur chaque pale, avec puce RFID intégrée, pour une traçabilité complète
• des jeux de pales équilibrés ensemble selon une tolérance stricte de moment statique

Les moyeux E-Props sont réalisés en tissu de carbone et résine époxy. Le tissu de carbone offre une grande rigidité, une haute résistance à la traction, une faible masse, une bonne tenue chimique, une bonne résistance à la température et une faible dilatation thermique. E-Props n'utilise que du tissu de carbone fourni par de grands fabricants de l'industrie aérospatiale : plus onéreux, mais offrant une bien meilleure qualité et traçabilité. Le procédé RTM est également utilisé pour mouler les moyeux, extrêmement solides et très légers.

Points clés de la fabrication des moyeux :

• 100% tissu de carbone — aucune pièce métallique, donc aucun risque de corrosion galvanique
• un numéro de référence unique sur chaque composant du moyeu, avec puce RFID intégrée, pour une traçabilité complète
• le moyeu est équilibré avec son jeu de pales assorti, pour éviter toute vibration de l'hélice assemblée

Les cônes E-Props sont réalisés en tissu de carbone et résine époxy, également moulés par procédé RTM. Ils sont très légers et très robustes.

Points clés de la fabrication des cônes :

• construction 100% tissu de carbone
• un numéro de référence unique sur le cône et sur sa platine, avec puce RFID intégrée, pour une traçabilité complète
• le cône et sa platine sont équilibrés ensemble ; si nécessaire, une petite vis est fixée sur la platine pour un équilibrage parfait — cette vis ne doit jamais être retirée
• les cônes sont polis très finement, sans peinture ni vernis appliqués en usine

Chaque pièce — pale, composant de moyeu ou cône — porte sa propre puce RFID et/ou un QR-code imprimé individuel, ainsi qu'un numéro de référence unique, intégré dès les premières étapes de fabrication. La production elle-même est pilotée par les méthodes RFID et KANBAN, qui optimisent la qualité de fabrication, sécurisent et fluidifient les approvisionnements, et permettent un suivi en temps réel du processus de production. Ensemble, elles donnent à E-Props une traçabilité complète de chaque étape de fabrication, et des indicateurs de production fiables.

Depuis 2014, E-Props développe et exploite en interne son propre logiciel de gestion intégrée (ERP) : PALADIN. Alors qu'E-Props avance vers la certification EASA POA (Production Organisation Approval) Part-21G — qui exige une traçabilité parfaitement complète de chaque pièce et de chaque processus — PALADIN a été continuellement enrichi pour répondre à cette exigence, et est aujourd'hui utilisé quotidiennement dans toute l'usine.

Développer et maintenir un ERP complet entièrement en interne est inhabituel pour une entreprise de la taille d'E-Props, et représente un atout stratégique majeur pour l'équipe : un groupe dédié de quatre ingénieurs logiciels internes construit et améliore en continu PALADIN, en le maintenant parfaitement adapté au procédé de fabrication RTM/HCF propre à E-Props, plutôt que d'adapter la production aux contraintes d'un progiciel ERP générique du commerce.

PALADIN couvre, dans un seul système intégré :

• la planification et l'ordonnancement de la production
• le suivi de fabrication et la localisation en temps réel de chaque pièce sur le site de production, à chaque phase
• les demandes d'achat et le suivi des commandes fournisseurs
• la gestion des stocks
• la traçabilité complète des pièces et matières, par lot et par numéro de série individuel, via les puces RFID intégrées à chaque composant
• le suivi des pièces à chaque étape CNC — injection de résine, fours de cuisson, contrôle dimensionnel, finition
• les relevés de contrôle qualité pour chaque pièce et chaque étape de production
• l'affectation des pièces et des ensembles aux commandes clients
• l'administration des ventes : devis, facturation, suivi de commandes
• le suivi des expéditions
• la comptabilité, et la comptabilité analytique — le calcul du coût de revient réel de chaque pièce
• les ressources humaines : suivi des formations et pointage du personnel
• la gestion des équipements et le suivi de maintenance de toutes les machines de production
• la surveillance des systèmes de sécurité de l'usine, comme les sprinklers et les alarmes

Depuis octobre 2019, les hélices E-Props de la gamme V20 ont un bord d'attaque blindé en Titane de 5/10e d'épaisseur et de 40 cm de longueur (sur hélices de diamètre supérieur à 170 cm). E-Props utilise un procédé de formage superplastique du Titane, comme pour les bords d'attaque de l'avion Rafale.

Le Titane est le matériau idéal pour le blindage des pales, grâce à ses caractéristiques mécaniques :

• résistance spécifique surclassant l'Aluminium et l'Acier
• coefficients de dilatation et d'élasticité proches du composite carbone-époxy des pales E-Props
• exceptionnelle résistance à la corrosion, en particulier en atmosphère marine
• deux fois plus léger que l'Acier ou l'Inconel

Le Titane utilisé par E-Props est forgé à haute température dans des matrices spéciales. Tout est fabriqué dans les ateliers E-Props à Sisteron. Si le blindage Titane est abîmé, E-Props peut le remplacer sans changer toute la pale.

Les pales avec bord d'attaque en Titane (gamme V20) sont fabriquées spécifiquement : le moule intègre un emplacement, respectant le profil des pales, où E-Props vient coller le blindage. Les pales de la gamme V12 ne prévoient pas cet emplacement et ne peuvent donc pas recevoir de blindage Titane (voir Nanostrength ci-dessous).

Le Titane a le même coefficient de dilatation que le carbone des pales : il se dilate donc en même temps et ne se décolle pas. Sur des centaines de milliers de pales équipées de cette manière, pour des avions et des drones, E-Props n'a jamais eu à déplorer le moindre décollement de blindage.

En milieu marin, aucune corrosion galvanique ne peut se produire, contrairement à ce qui arrive entre l'aluminium et le carbone. La protection de bord d'attaque en Titane est ainsi la meilleure solution pour les hydravions : E-Props équipe notamment les ICON A5, Super Petrel, Aventura, Seamax, Borey, et de nombreux hydravions tractifs.

Toutes les hélices E-Props en carbone qui ne sont pas blindées Titane (hélices de paramoteurs, gamme V12) possèdent un blindage de bord d'attaque avec additif choc en Nanostrength® (produit ARKEMA, additifs nanostructurés à haute capacité d'absorption d'énergie cinétique) intégré dans la résine époxy.

Chez E-Props, ce blindage est injecté tout le long du bord d'attaque pendant la fabrication des pales, grâce au procédé RTM. Il est ainsi complètement intégré à la pale, sans risque de décollement, d'incompatibilité de matériaux ou de corrosion galvanique, et avec un parfait respect du profil. Il est plus résistant aux chocs qu'un blindage Acier ou Inconel de 5/10e, et beaucoup plus facile à réparer le cas échéant.

Le blindage Nanostrength® a été développé à l'origine pour des appareils à moteurs Rotax 914 équipés d'E-Props depuis 2008, ainsi que pour des hélices équipant des avions et des ULM en Afrique, sur des pistes non préparées en latérite.

Beaucoup de clients E-Props préfèrent ce blindage interne à un blindage Acier ou Inconel rapporté, pour plusieurs raisons : intégration dans la pale, sans risque de détachement ; pas d'Acier ni d'Inconel, donc aucun risque de corrosion galvanique ; renfort présent sur toute la longueur du bord d'attaque ; pas de masse supplémentaire en bout de pale, donc un moment d'inertie plus faible ; et possibilité de réparer facilement le bord d'attaque, même après un gros impact (quand un blindage métallique devrait être changé, voire toute la pale) : chaque pilote peut réaliser la réparation lui-même, avec un kit de réparation E-Props.

Dans des cas très spécifiques d'utilisation — hydravions et hydro-ULM, vols de très longue durée sous fortes pluies (type mousson) à haut régime moteur, ou en paramoteur en vol « barefoot » au ras de l'eau et de la plage (E-Props ne recommande pas ce type de vols extrêmes) — il peut être intéressant de poser une protection supplémentaire sur le bord d'attaque des pales non blindées en Titane.

Pour ces cas, E-Props recommande de poser un ruban de protection en polyuréthane. Fabriqué à partir d'un élastomère très hautes performances, ce matériau résiste particulièrement bien à l'érosion, à l'abrasion, aux perforations, aux dommages par impacts mineurs et aux déchirures. Sa formule résiste également aux ultraviolets ; son épaisseur est de 0,36 mm. Le modèle choisi par E-Props est utilisé sur des pales d'hélicoptères certifiés.

Ce ruban de protection n'impacte pas les performances aérodynamiques des pales : les nombreux essais menés par l'équipe E-Props montrent tous un écart de performance non mesurable entre une pale équipée de ce ruban et une pale non équipée. Il est transparent, adhésif d'un seul côté, et peut être peint ou appliqué sur des surfaces déjà peintes. Sa relative rigidité le rend très facile à poser et à changer. Ce matériau est disponible sur la boutique E-Props, en kits de différentes longueurs et largeurs.

Elles sont ultra-légères

Plus une hélice est légère, plus il est facile d'obtenir un bon équilibrage. La tolérance d'équilibrage préconisée par Rotax est de 0,5 g/m ; chez E-Props, la tolérance visée est de 0,2 g/m, pour éviter les vibrations et garantir douceur et confort d'utilisation.

Sur des moteurs réductés comme les Rotax, l'hélice est montée sur le flasque du réducteur, et l'ensemble roulement / arbre / éventuel espaceur présente inévitablement un léger défaut de forme. Pour un défaut de forme courant de 0,1 mm, l'effet sur le balourd dépend directement de la masse de l'hélice :

Quand le balourd généré par les défauts de forme dépasse 0,5 g/m — ce qui est très souvent le cas chez les concurrents d'E-Props — certaines hélices du marché nécessitent un équilibrage dynamique sur l'avion après chaque montage/démontage (voir plus bas). Ce n'est pas le cas des E-Props, qui supportent bien ces défauts de forme grâce à leur légèreté.

Elles ont des pions de centrage et un espaceur intégrés, en carbone

Les hélices concurrentes utilisent des pions de centrage en acier et des espaceurs en aluminium, qui augmentent la dispersion de montage (erreur de centrage / coaxialité). Les E-Props ont des pions de centrage en carbone intégrés à l'espaceur, également en carbone : outre un gain de 125 g, ces pions carbone réduisent le jeu et améliorent la précision de montage.

L'espaceur carbone E-Props est 13 fois plus léger qu'un espaceur aluminium classique : 1,5 g/mm contre 20 g/mm. Pour un espaceur de 120 mm par exemple, le modèle aluminium traditionnel pèse 2 165 g contre seulement 180 g pour l'espaceur carbone E-Props — un gain de masse de 1,985 kg.

L'espaceur carbone E-Props évite les défauts de forme liés aux empilements d'espaceurs, de jeux de visserie et de pions de centrage, et facilite ainsi grandement l'équilibrage des hélices.

Elles sont fabriquées en très grande série, et toutes équilibrées avant expédition

La production annuelle d'E-Props dépasse 75000 pièces carbone par an. Chaque modèle de pale est produit en grande série, ce qui facilite l'obtention de pales ayant un moment statique très proche. Chaque hélice est ensuite soigneusement équilibrée par l'équipe E-Props — pales, moyeu et espaceur ensemble — sur des bancs d'équilibrage numériques haute précision, conçus et fabriqués en interne. Le système informatique impose une tolérance maximale de 0,2 g/m, et le contrôle qualité doit valider cette valeur avant d'autoriser l'expédition.

Dans une hélice, les pales n'ont pas forcément besoin d'avoir la même masse. Ce qui compte pour un équilibrage parfait, c'est la répartition de la masse tout au long de la pale : le moment statique, somme des produits des surfaces par le bras de levier normal à l'axe de référence.

Les masses P1 et P2 de chaque pale s'appliquent à des centres de gravité G1 et G2 qui ne sont pas nécessairement à égale distance du centre de rotation O de l'hélice. L'équilibrage doit être réalisé pour obtenir la relation P1 × d1 = P2 × d2. La tolérance maximum E-Props de moment statique est de 0,2 g/m.

Exemple réel, pour une bipale de 150 cm destinée à un moteur de 40 cv : la pale n°43806 pèse 348,58 g pour un moment statique de 83,43 g/m ; la pale n°48875 pèse 350,43 g pour un moment statique de 83,53 g/m. Les masses diffèrent de 1,85 g, mais l'écart de moment statique n'est que de 0,1 g/m, dans la tolérance : cette hélice est parfaitement équilibrée.

Chaque pale E-Props porte un numéro de série unique, visible sur la pale et enregistré dans sa puce RFID interne. Chaque pale est appairée avec une (ou plusieurs) autre pale : c'est cet ensemble appairé qui est équilibré. Monter des pales non appairées entre elles produit une hélice déséquilibrée. Les numéros de série prévus pour aller ensemble figurent sur la facture et le bon de livraison ; en cas de doute, l'équipe E-Props peut le confirmer par email, ou l'hélice peut être renvoyée pour vérification. Ne volez jamais avec une hélice E-Props dont les pales ne sont pas appairées.

Lorsque des vibrations apparaissent, on peut être tenté de vérifier si l'équilibrage de l'hélice reste bon une fois montée sur le moteur, en rotation (équilibrage dynamique). Les hélices E-Props étant particulièrement légères, la précision du positionnement sur le flasque moteur ne dégrade que très peu l'équilibrage global : l'équipe E-Props a testé l'équilibrage dynamique de ses modèles sans pouvoir mesurer la moindre différence ni apporter la moindre amélioration.

Il existe, depuis les années 1940, des dispositifs destinés à rétablir l'équilibrage dynamique des hélices en rotation. Sur un moteur géométriquement sain et une hélice bien équilibrée en statique, ce type de dispositif est inutile — seulement cher et lourd — et il faudrait de toute façon le refaire à chaque montage/démontage de l'hélice.

Il convient d'abord de s'assurer que tous les composants de l'hélice sont bien ceux d'origine : en cas de mélange avec des pièces provenant d'une autre hélice, l'équilibrage ne serait plus respecté. Chaque composant possède un numéro de série unique, indiqué sur le bon de livraison, la facture et la fiche d'identification de l'hélice.

Chaque hélice est équilibrée avec ses pales, son moyeu en deux parties (HH1&2 sur la gamme à pas réglable, HLP&HHP sur la gamme à pas variable) et son espaceur ; les cônes et leurs platines sont équilibrés à part.

Sur les hélices E-Props à pas réglable au sol (gammes Durandal et Excalibur), un écart de calage important entre les pales peut générer des vibrations : la tolérance maximum sur ces modèles est de 0,3°. C'est la première vérification à faire en cas de vibrations après le montage initial d'une hélice à pas réglable — la méthode de mesure est expliquée dans le manuel, sur le site, sur la fiche d'identification de l'hélice et en vidéo.

Sur les hélices à pas variable en vol, les vibrations éventuelles peuvent venir de la position des biellettes, qui doivent rester appairées avec leurs pales grâce aux gommettes de couleur — le montage doit suivre scrupuleusement le manuel et les vidéos. Il faut ensuite vérifier le serrage des vis de fixation sur le flasque moteur avec une clé dynamométrique : au premier montage, un léger tassement du carbone est possible, et un serrage mal réparti peut entraîner des vibrations. Le cône et sa platine, équilibrés ensemble, doivent être montés en respectant leur appairage ; si le cône est peint après livraison, son équilibrage doit être revérifié après peinture. Si des accessoires (cône, platine, prolongateur) ne sont pas fournis par E-Props, ils peuvent être mal équilibrés et nécessiter un rééquilibrage de l'ensemble.

Enfin, les hélices produisent un flux d'air hélicoïdal qui peut interagir avec la cellule ou d'autres surfaces de l'avion : changer d'hélice peut modifier ce flux et générer des vibrations différentes de celles ressenties auparavant.

Monter une E-Props ultra-légère et bien équilibrée peut faire apparaître des plages vibratoires du moteur auparavant masquées par les vibrations de l'ancienne hélice.

Autour de 1 800-2 000 tr/min, la cause principale est généralement une mauvaise synchronisation des carburateurs : dès qu'un moteur a au moins deux carburateurs, il faut les synchroniser pour équilibrer pressions et débits, avec des boisseaux/papillons positionnés identiquement sur leurs butées de ralenti. Autour de 2 500 tr/min, il peut s'agir d'un gicleur de ralenti qui n'appauvrit pas assez le mélange : il faut alors contrôler le réglage de la vis de richesse d'air (petite vis en laiton, côté gauche du carburateur).

Le réducteur peut également générer des vibrations en cas de jeu excessif entre les engrenages — une hélice lourde et à moment statique élevé use d'ailleurs plus vite les réducteurs. Les silent-blocs moteur, s'ils sont trop souples, trop rigides ou usés (ou contrefaits), peuvent aussi en être la cause : il convient alors de les remplacer.

Les vibrations ressenties peuvent aussi venir de l'aéronef, et devenir plus sensibles après le changement d'un équipement. Une fréquence vibratoire du moteur ou de l'hélice peut entrer en résonance avec une fréquence naturelle de la cellule (ailes, empennage) et amplifier le phénomène. Des commandes de vol mal réglées ou usées, ou des attaches de capot moteur desserrées, peuvent également transmettre des vibrations. La rotation des roues peut aussi générer un balourd : sur certains avions, comme le MCR, la roue avant doit être freinée au décollage pour éviter des vibrations, en particulier juste après.

Avant de s'inquiéter d'une vibration apparue après un changement d'hélice, il est essentiel d'établir un diagnostic : à quel régime moteur apparaît-elle (ralenti, décollage, montée, croisière, plein gaz, descente) ? Varie-t-elle avec la vitesse ou la configuration de vol ? Où est-elle le plus perceptible (siège, commandes de vol, instruments) ? Il faut ensuite inspecter l'hélice (numéros de série, position des éléments, écart de calage, serrage), les fixations moteur et les capots, la synchronisation des carburateurs et le gicleur de ralenti, et l'absence de jeu dans les gouvernes et tringleries. Si rien d'évident n'apparaît, certains ateliers de maintenance disposent d'équipements de mesure des fréquences vibratoires, à comparer aux fréquences caractéristiques du moteur et de ses composants ; s'il est possible de monter une autre hélice, cela permet aussi de voir si le phénomène se reproduit.