Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique "Electronique de pilotage ventilateurs" HALT tests on in-board electronic products "Electronic fans monitoring" Philippe Delbosc1, Pascal Mexe2, Georges Burgaud2 1 Technofan - Toulouse, 2Adetel - Ecully Résumé Les essais aggravés et en particulier les essais dit "HALT" sont relativement récents en Europe. Compte tenu de la controverse qu'ils suscitent, il est important de partager l'expérience de ceux qui se sont lancés dans leur utilisation. Cette communication se veut le reflet d'une campagne d'essais HALT réussie. Elle a été réalisée sur un produit destiné à l'aéronautique. Cette campagne a été pour l'entreprise Technofan l'opportunité d'acquérir la compétence dans ce domaine et elle dispose aujourd'hui d'un outil qui permet de concevoir des produits fiables et robustes tout en minimisant la durée de développement. Abstract Aggravated tests and in particular HALT tests are relatively new in Europe. Because of the controversy surrounding HALT, it is important to share the knowledge of those involved in their use. This paper is the result of a successful HALT campaign which was carried out on a product destined for the aerospace industry. This campaign was the opportunity for the company Technofan to obtain the necessary skills in this field, which now has at its disposal a tool allowing reliable and robust product design, while minimising development time. 1. INTRODUCTION Technofan, filiale du groupe Snecma et équipementier en aéronautique, accède aujourd'hui au rang de systémier. La prise en compte de systèmes complets et les exigences accrues dans le domaine de l'aéronautique obligent à développer des produits robustes. Pour ce faire, Technofan a investi dans les essais aggravés, plus précisément dans une campagne d'essais HALT, avec comme objectif d'évaluer la pertinence de tels essais. L'expérimentation présentée ici est la première réalisée par Technofan et a été parfaitement réussie grâce à la collaboration concepteur essayeur. Elle servira de base pour la mise en œuvre de ce type d'essais sur d'autres produits. 2. LE CONTEXTE 2.1. Le produit "ventilateur" La nécessité de contrôle et de pilotage d'un produit tel qu'un ventilateur utilisé en aéronautique a conduit à lui intégrer ces fonctions de contrôle et pilotage et en fait aujourd'hui un produit novateur. Le ventilateur, objet de cette campagne d’essais, comporte en effet 2 cartes électroniques dont les fonctions principales sont : pour la "carte puissance" de fournir les tensions d'alimentation au moteur et à la "carte commande", pour la "carte commande" de gérer entre autres le fonctionnement du moteur, les signaux d'état et de défauts. La particularité de cette électronique est qu'elle est située dans la veine du ventilateur, ce qui a permis d’utiliser la circulation de l’air produit par le ventilateur pour son refroidissement, mais en contre partie la rend très exposée à la pollution directe (humidité, poussière, brouillard salin …). Le ventilateur est donc à un niveau important de contrainte pendant son utilisation. 2.2. L'évolution des produits et métiers de TECHNOFAN Technofan, dans le domaine de l'aéronautique, en tant que systémier, fournit des systèmes complets de ventilation (programme A380) et, en tant qu'équipementier, conçoit et fabrique entre autres produits des ventilateurs. Astelab 2003 34 - 1 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs Au fil de l’évolution des exigences des avionneurs, les ventilateurs, dont la fonction essentielle est de fournir un débit d’air (refroidissement), ont du intégrer des fonctions complémentaires : gestion de vitesse (débit) : bi-vitesse, consigne variable, régulation de vitesse, … gestion de sécurité intrinsèque : sécurité thermique, détection de sous-vitesse et de sous-tension, seuils de courant, détection et transmission de l'information de défaut, … Dans le cadre de la fourniture de systèmes complets de ventilation dont la disponibilité opérationnelle doit être maximale, les ventilateurs intègrent de nouvelles fonctions : gestion des consignes : consigne débit et/ou vitesse d’air gestion surveillance système : surveillance débit d’air, température d’air, consommation courant… communication : échange avec les calculateurs de l'avion. La source d’alimentation utilisée varie en fonction de la puissance nécessaire au fonctionnement du ventilateur et implique une adaptation des technologies (moteurs, électroniques de commande et contrôle) en fonction de la puissance : Pour une faible puissance absorbée, on utilise le réseau continu de 28 Volts. Pour une puissance absorbée moyenne, on utilise le réseau monophasé (115V / 400Hz). Pour une puissance absorbée importante, on utilise le réseau triphasé (200V/400Hz). De plus de nouvelles exigences techniques sont également imposées par l’évolution des réseaux d’alimentation : le programme A380 intègre un réseau à fréquence variable : 115 V / 200V 360 Hz à 800 Hz. De par ces nouvelles exigences, et à travers l’évolution des ventilateurs Technofan, ce sont les métiers qui ont évolué. L’électronique était quasi inexistante sur les premières générations de ventilateurs. Elle prend aujourd’hui une part majeure dans un équipement. Aux métiers d'électromécaniciens, de mécaniciens est venu s'ajouter celui d'électronicien, impliquant ses méthodes de travail spécifiques. 2.3. L'évolution du marché Le marché de l'aéronautique est aujourd'hui dans une phase très concurrentielle, qui nécessite de la part des équipementiers et systémiers de devancer le marché et d'être prêts à relever de nouveaux défis : techniques : nouvelles méthodologies (conception, validation), nouvelles technologies, nouveaux procédés économiques : • maîtrise de tous les coûts ( conception, maintien en condition opérationnelle, réparation, …) • rentabilité de l'outil de production • juste à temps sur le marché ("time to market") Ces deux contraintes obligent l'industriel à être toujours plus vigilent sur la qualité de ses produits, à rechercher une fiabilité/disponibilité optimale et d’avoir de ce fait une meilleure maîtrise de l’ensemble des outils de conception et de validation. Technofan a donc été amené à s'intéresser tout particulièrement à ce que pouvait apporter de nouveaux types d’essais sur une nouvelle génération d’électronique de pilotage de ventilateur. 3. 3.1. L'ENJEU Pour le produit Les principaux changements concernant le produit sont donc au nombre de 3 : 1. l'intégration de nouvelles fonctions qui conduit à une conception différente : architecture de l’électronique différente, deux cartes montées en « mezzanine » pour s'adapter à un encombrement réduit, accessibilité à des points de mesure et à des potentiomètres pour le réglage de différents paramètres, * Ventilateurs bi-vitesse : PV petite vitesse et GV grande vitesse. 2. la prise en compte d'un profil de mission plus sévère : température ambiante de fonctionnement permanent de –40 °C à +85 °C, en non fonctionnement +100 °C / 30 min, environnement d’humidité externe (D0160D catégorie C), tenue aux chocs, vibrations, brouillard salin… 3. des exigences de fiabilité plus élevées. Astelab 2003 34 - 2 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs 3.1.1. Nouvelle conception Les électroniques de pilotage "non dédiées" sont généralisées à une famille de ventilateurs alimentés par le réseau continu 28 V: une seule référence d’électronique est donc gérée sur étagère (stock de production), elles sont réglées individuellement en fonction du ventilateur sur lequel est montée chaque électronique. Ce produit entre typiquement dans le cadre d’une stratégie industrielle visant à limiter le nombre de sous-ensembles à gérer sur le parc matériel et donc à réduire les coûts d'acquisition. Pour gagner en encombrement et en masse, l'électronique a été intégrée dans la veine d’air du ventilateur 3.1.2. Profil de mission L'électronique est très exposée à la pollution environnementale (située dans la veine d’air du ventilateur) : humidité, poussière, brouillard salin… Les conditions opérationnelles sont sévères : température ambiante comprise entre –40 °C et +85 °C, chocs, vibrations … La durée de vie demandée est importante, typiquement 20 ans 3.1.3. Haut niveau de fiabilité Le MTBF demandé est de plus en plus élevé (facteur 10) L'électronique doit intégrer de plus en plus de fonctionnalités et comporte donc plus de composants. Ce qui rend le niveau de fiabilité d'autant plus difficile à atteindre. 3.2. Pour l'entreprise Au niveau de l'entreprise, deux aspects majeurs sont à considérer : Les contraintes induites par le Client à travers les spécifications, les standards ou normes à appliquer, auxquels s'ajoutent les règles de l'art à respecter. La culture d'entreprise qui peut s'exercer dans les sens : o négatif, lorsque la nouvelle méthodologie se heurte à des habitudes bien ancrées ; o positif, lorsqu'elle est considérée comme un enrichissement. 3.2.1. Les contraintes induites par les Clients : les exigences produits sont de plus en plus élevées : exigences fonctionnelles, environnementales (évolution permanente des normes), opérationnelles (typiquement 2), de disponibilité … la mise sur le marché : les temps de développement de plus en plus court même pour les programmes aéronautiques importants le coût : les produits doivent être compétitifs et rentables très rapidement, ce qui n’est plus une exception aujourd’hui dans le secteur aéronautique. 3.2.2. La culture d'entreprise : l’organisation de Technofan comporte un département R&D dont les activités sont tournées vers la conception de nouveaux équipements associée à un processus qualité de développement rigoureux. Ce département intègre un service R&T (Recherches & Technologie) dont la veille technologique constitue un axe de travail important. de plus Technofan est, depuis longtemps, fortement attaché aux notions de satisfaction client, efficacité technique, rentabilité…. la conformité aux exigences normatives aéronautiques (DO160, ABD100…) et militaires (MIL-STD-461…) de l’ensemble des équipements a permis la maîtrise des essais de qualification. Ceci constitue un métier à part entière chez Technofan, qui est géré par un service Essais très attentif aux évolutions des normes, des méthodologies et moyens d’essais, la personnalisation des essais est un concept parfaitement intégré et prend en compte les différents profils de mission pour lesquels les ventilateurs Technofan sont conçus. Astelab 2003 34 - 3 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs 4. REPONSE APPORTEE Les bases de la problématique sont : une meilleure connaissance des produits pour vérifier leur adaptation aux exigences accrues, une accélération de la maturité produit pour répondre aux contraintes économiques, un meilleur niveau de fiabilité pour satisfaire les exigences de disponibilité. La réponse a été apportée par la mise en œuvre de la démarche dite "essais aggravés" qui s'est concrétisée par une campagne d'essais HALT, en s'appuyant sur : Une réflexion interne chez Technofan : acquisition de la démarche, décision d'application sur un produit nouvelle génération pour en tirer directement les bénéfices pour ensuite une généralisation d’une méthodologie d’essais applicable à l’ensemble des électroniques Technofan Un apport externe : expertise d'un concepteur en électronique (ADETEL), pour la démarche d’analyse produit (défaillances – contraintes), et pour la démarche de construction d’un programme d’essais. Essais HALT : La méthodologie HALT permet l’application des contraintes pouvant révéler un maximum de défaillances représentatives des conditions opérationnelles. Certaines contraintes du type humidité ou brouillard salin ne sont pas appliquées, les défaillances révélées par ces contraintes sont très minoritaires. Les avantages supplémentaires du HALT sont les suivants : • méthodologie qui se généralise notamment chez les avionneurs et commence à être reconnue • bonne connaissance du côté des essayeurs : l’expertise de SOPEMEA permet entre autre la modification des paramètres d’essais en temps réel. 5. MISE EN OEUVRE DU HALT 5.1. Construction d’un programme d’essais Pour être efficaces et rentables, les essais aggravés s'appuient sur une méthodologie de mise en œuvre structurée. Cette méthodologie doit être admise et comprise par les différents acteurs. Il est avant tout essentiel de connaître le comportement du produit, les risques attendus et ses réactions aux contraintes qui lui seront appliquées de façon à pouvoir statuer sur les défaillances qui seront trouvées et décider des actions à entreprendre. Cette connaissance est en effet nécessaire pour pouvoir établir le spectre prévisionnel de défaillances et leurs mécanismes de façon à déterminer quels seront ceux d'entre eux qu'il sera ou ne sera pas possible d'activer. On pourra alors déterminer les contraintes les plus appropriées à cette activation de manière à les appliquer dans les essais aggravés sous réserve de pouvoir disposer des moyens disponibles. La démarche complète se décompose ainsi en cinq séquences principales : l’analyse des défaillances potentielles, la sélection des contraintes applicables, l’élaboration du plan d’essais, la réalisation des essais, l’exploitation des résultats et la mise en œuvre des actions correctives. Cette démarche conduit à une définition des essais personnalisée à chaque produit et à chaque entreprise. L'analyse des défaillances potentielles a permis de mettre en évidence un certain nombre de défaillances possibles telles des claquages de composants, des ruptures de soudures, des dérives de composants, ... Il a alors été facile de vérifier que les contraintes utilisées dans les essais de type HALT étaient adaptées à l'excitation des mécanismes des défaillances redoutées. Le programme d'essais à pu ainsi être établi sur la base des caractéristiques des composants à risques, les résultats d'essais précédents et l'expertise du concepteur. Astelab 2003 34 - 4 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs 5.2. Préparation des essais La mise en œuvre des essais HALT nécessite de vérifier en permanence le bon fonctionnement du produit, objet de l'essai. Pour cela, il est donc nécessaire de prévoir des outillages permettant d'assurer le fonctionnement et le contrôle du produit. Il a donc été nécessaire de réaliser : Un interface électrique, Un interface mécanique, Des boîtiers de test, Des charges, Des boîtiers de contrôle L'importance des outillages est lié au fait que l’électronique est déportée de sa charge (le ventilateur). Ceci a représenté une difficulté et un investissement en soi qui est aujourd’hui une capitalisation pour Technofan L'agencement de ces outillages est représenté dans la figure ci-dessous. Astelab 2003 34 - 5 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs Table enceinte Equipement Interface mécanique Phases moteur Carte puissance J6 Faisceau avion J5 Carte command e Toron alimentation Enceinte de test tension phase Boîtier de test (simulation système) tension courant Monitoring U phase et N ventilateur vitesse Ventilateur (charge) Faisceau capteurs 0V 28V Monitoring I alim , U alim et températures équipement Alimentation Environnement de test de l’ONDULEUR 20A L'autre point important de la préparation des essais a été la définition et l'instrumentation de l'échantillon. Le nombre d’échantillons à tester doit être correctement identifié de sorte à être sur de pouvoir dérouler le programme d’essais dans sa globalité et surtout de révéler un maximum de défaillances en fonction des contraintes qui seront appliquées. La taille des électroniques Technofan permet en général de tester 2 équipements en même temps pour chaque essai. Ceci a pour avantages : de ne pas arrêter un test si une défaillance fonctionnelle ou « prématurée » intervient à gain de temps de test de bénéficier des résultats sur une population plus large d’équipements à une meilleure confiance pour globaliser les résultats minimiser au maximum les réparations à pas de soucis de ressources matérielles pour effectuer des réparations et également gain de temps de test L’inconvénient est que les ressources de test (outillage) sont doublées. Le nombre d’équipements prévu pour l’ONDULEUR 20A était de 8 : 2 pour les essais progressifs en température (froide et chaude) 2 pour les essais de vibration 2 pour les essais combinés 2 en réserve (rechange) Astelab 2003 34 - 6 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs Disposition du produit dans l'équipement d'essais Halt 7. COMMENTAIRES 7.1. Marges de robustesses révélées Ces essais nous apportent une meilleure connaissance des domaines de fonctionnement de l’onduleur 20A notamment des marges de robustesse par rapport aux limites spécifiées pour chaque contrainte : la marge de robustesse à froid de l’équipement est très satisfaisante. la marge à chaud est moins importante mais satisfaisante. la marge en cycle thermique est aussi très satisfaisante compte tenu des « chocs » appliqués (70 °C/min). les essais de vibration révèlent également une bonne marge. la marge en puissance est satisfaisante, en particulier avec une température amb iante de 90 °C. 7.2. Fiabilité Au vu des défaillances révélées par rapport aux défaillances suspectées, l’onduleur 20A se révèle fiable. Les marges de robustesses observées nous confortent dans la fiabilité de l’électronique pour une utilisation dans son domaine spécifié. Néanmoins le point le plus sensible est la contrainte de température chaude, la marge est faible compte tenu des 85 °C spécifiées, la température ambiante boîtier doit être maintenue inférieure à 100 °C (au niveau de la carte commande) pour conserver les performances nominales de l’électronique. La fiabilité est fortement dégradée dès que la température augmente au delà de cette limite. Des améliorations peuvent être faites pour renforcer la tenue mécanique de certains composants. Le durcissement des cartes avec un enduit spécifique a démontré son efficacité pour améliorer la tenue mécanique notamment lorsque l’électronique est soumise à des contraintes de vibration combinées à des chocs thermiques. Egalement le renfort des torons au niveau des connecteurs pourrait être envisagé, néanmoins cette défaillance est apparue pour un niveau de vibration de plus de 35 g, contrainte qui ne semble pas envisageable en fonctionnement normal. Astelab 2003 34 - 7 Essais HALT sur matériel embarqué aéronautique : électronique de pilotage ventilateurs 7.3. Apports et bénéfices pour l'entreprise Les résultats des essais sont exploitables immédiatement et/ou exploitables pour d’autres applications : pour connaître exactement les domaines de fonctionnement de l’électronique et vérifier notamment la conformité à la spécification technique, pour justifier d’un niveau de fiabilité et éventuellement remettre en cause des choix de conception, pour justifier vis à vis d’un client des marges de robustesse par rapport à une inquiétude sur un point de fonctionnement particulier, pour utiliser cette électronique dans un équipement la sollicitant de manière plus sévère (notamment en puissance), pour expliquer par extrapolation des pannes constatées sur des électroniques équivalentes suite à des conditions opérationnelles particulières (température ambiante élevée, …). Capitalisation : cette expérience a été capitalisée à travers le suivi de ces essais (1 semaine chez SOPEMEA) mais également par mise en place d’une instruction générale d’essais, permettant de généraliser à l’ensemble des électroniques Technofan la méthodologie d’essais HALT qui intègre également l’ensemble des pré requis nécessaires à la préparation des essais. La réussite de cette campagne d’essais, communiquée en interne dans la société, doit permettre l’intégration progressive de ce type démarche dans la culture d’entreprise. 7. CONCLUSION Technofan a pris toutes les mesures de ce que représente la mise en place d’une campagne d’essais HALT et des bénéfices qu’elle peut en retirer. L’expérience a été riche en retour, autant sur la phase préparatoire que pour les essais eux-mêmes et l’interprétation des résultats. La satisfaction est globale, et génère un vif intérêt pour ce type d’essais de la part de différents acteurs au sein même de Technofan. Astelab 2003 34 - 8