[AEROTECH] Défis et opportunités des matériaux composites


Dans le cadre des rendez-vous d’affaire aéronautiques Aerotech Events, à Lyon le 2 février dernier, un symposium « Défis et opportunités des matériaux composites » était organisé.

Pour Jean-François Maire, Directeur du département « matériaux et structures composites » à l’ONERA, les matériaux composites ont la curieuse propriété d’être considérés comme des « matériaux nouveaux » depuis 40 ans, et cette spécificité pourrait se poursuivre encore pendant des décennies, puisque les combinaisons fibres/résines/procédés à disposition des concepteurs continuent à se multiplier.

Dans sa présentation « axes de recherches et domaines d’évolution possibles des composites », Jean-François Maire a listé 14 défis à relever.

  1. Penser composites – éviter l’approche « black métal », tenir compte des spécificités des composites dès la conception : ce sont des matériaux hétérogènes, anisotropes, sensibles aux chocs, généralement mis en œuvre par fabrication additive…
  2. Réduire les coûts, en abordant cet objectif par des thématiques scientifiques dignes d’intérêt pour les chercheurs : limiter les défauts, montrer que les défauts sont tolérables, mettre au point des méthodes d’optimisation, de dimensionnement, de caractérisation, de certification, utiliser les matières premières de façon optimale.
  3. Optimiser les procédés : par l’instrumentation et la simulation – prédire les déformées résiduelles et la position finale des fibres.
  4. Concevoir et optimiser les structures en intégrant les contraintes liées aux procédés.
  5. Revoir les méthodes de dimensionnement : l’approche qui applique des facteurs de sécurité sur les chargements et des abattements sur les propriétés des matériaux n’est pas optimale pour les composites. Il faudrait utiliser davantage des méthodes tenant compte de l’endommagement acceptable, ce qui reviendrait à davantage prendre en compte les propriétés de la résine au lieu de ne dimensionner que sur celles de la fibre.
  6. Repenser les essais : développer des essais spécifiques (hors plan), faire appel à la multi-instrumentation : repérer les points chauds en thermographie pour les essais de fatigue, utiliser l’émission acoustique ou la corrélation d’images pour remplacer les jauges, observer champ complet de déformation sur l’éprouvette…
  7. Baser la tolérance aux défauts (initiaux ou induits par la foudre ou les impacts) sur la simulation.
  8. Passer du diagnostic au pronostic avec le contrôle non destructif. La tomographie X est très chère, de nouveaux types de défauts apparaissent avec le tissage 3D : de nouvelles techniques de contrôle sont nécessaires.
  9. Prévoir la durée de vie : tenue en fatigue (expérience des éoliennes et des aubes de compresseur), tenue au feu, à la foudre…
  10. S’appuyer sur des outils numériques validés pour la certification : faire des essais plus pertinents et en réduire les coûts (utiliser des modèles d’endommagement pour préparer les essais de certification).
  11. Progresser sur les assemblages multi-matériaux : le collage structural remplacerait avantageusement le perçage (fibres cassées, forets couteux)… si on savait garantir la qualité des collages.
  12. Développer les structures hybrides : co-fabriquées avec du métal (risques de dilatation contrariée, corrosion galvanique), multi-résines (thermodurcissable/thermoplastique dans les zones exposées aux chocs), mélanges de fibres (patchs)…
  13. Mettre au point des matériaux composites plus chauds : des matériaux « tièdes » (300°C-800°C) à base de résines inorganiques, pas trop chères, et des matériaux très chauds (>1200°C) légers, à matrices céramiques ou oxyde/oxyde pour la rentrée atmosphérique des engins spatiaux
  14. Rendre les matériaux composites multifonctionnels : structures intelligentes, intégration de capteurs, propriétés de conduction, d’absorption, de transparence…

Dans la suite du symposium, Jean-Pierre Poitevin, Directeur de Safran Composites, a détaillé la démarche de maturation, sur plus de 15 ans, qui a abouti à la double certification du moteur LEAP avec aubes de soufflante et carter de rétention en composite. Le gain de masse obtenu sur chacune de ces pièces a fait boule de neige et permis d’économiser 450 kg sur un bimoteur.

Pour Jean-Christian Beucher, directeur de la R&T de Stelia Aerospace, l’application des composites aux structures aéronautiques peut être étendue en remplaçant les thermodurcissables par les thermoplastiques, le titane par les thermodurcissables et en améliorant le dimensionnement des thermodurcissables.

Jean-François Veauville, Directeur des Programmes Airbus du Groupe Hexcel, et Clément Casaliggi, en charge du programme A350 pour Hexcel, ont présenté les axes explorés pour réduire les coûts des composites et leur assurer une place dans les futurs avions à moyenne portée :

  • optimiser les procédés en autoclave : cycles plus rapides, moules à l’inertie plus faible,
  • surtout, développer les procédés hors autoclave : préformes sèches (UD avec voile, NCF, tissus 3D), injection de résine, cuisson en étuve. Hexcel a soutenu l’ouverture d’une chaire de simulation à l’École des Mines de Saint-Étienne pour comprendre les phénomènes liés aux flux de résine, aux porosités, aux déformations résiduelles…

Enfin, Ayce Celikel, directrice d’Envisa, a conclu le symposium avec une présentation consacrée au recyclage des avions. Même si les constructeurs ont mené des programmes de recherche pour démontrer qu’un pourcentage élevé des avions était recyclable, de fait, les avions sont très peu recyclés. L’âge de démantèlement diminue (12 ans actuellement) et le nombre d’appareils à démanteler explose. Les informations sur la composition des appareils (quels matériaux dans quelles zones) sont rarement accessibles.

Les composites posent un défi particulier, en raison de la difficulté à séparer leurs composants, et finissent très majoritairement en décharge. Ayce Celikel a invité les concepteurs à intégrer le recyclage dans leur démarche :

  • éviter les rivets et inserts métalliques
  • choisir des architectures de fibres plus faciles à recycler
  • utiliser des composites « verts », obtenus à partir de matériaux naturels

Elle a cependant noté que l’utilisation des composites était globalement positive pour l’environnement, en tenant compte de tout le cycle de vie de l’avion, puisqu’ils contribuent, en l’allégeant, à réduire sa consommation de carburant et ses émissions de gaz à effet de serre.


A propos de Magalie Castaing

Après 10 ans d’ingénierie mécanique dans le secteur de la défense, j’ai créé une entreprise de développement web : Kasutan. Le Journal du composite est l’intersection de mes différents métiers : ingénierie, langues et internet.