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Les composites chassent les métaux

ANTONY ANGRAND redaction@industrie-technologies.com

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L'Airbus A350 et le Boeing 787 représentent une nouvelle génération d'avions : les matériaux composites constituent plus de 50 % de chaque appareil. Les avantages qu'ils apportent en termes de performances et de masse sont indéniables, mais les composites restent coûteux à produire. L'arrivée de résines de nouvelle génération pourrait cependant changer la donne.

Finalement, il aura eu du bon ce premier choc pétrolier, en 1973. À partir de cette époque, les compagnies aériennes demandèrent aux avionneurs de concentrer leurs efforts sur la réduction de la masse des appareils, de manière à pouvoir diminuer la consommation de carburant. Ainsi sont apparus les matériaux composites sur les avions de ligne. « Dans les années 70, nous avons commencé à utiliser le carbone, le kevlar et l'aramide », explique Roland Thévenin, expert en structures composites chez Airbus, le pionnier en la matière, « Nous avons développé les composites, sur les structures secondaires pour commencer, puis sur les surfaces de contrôle, et en enfin sur les structures primaires, telles que la voilure ou le fuselage, comme c'est le cas sur l'A350. »

Le carbone époxy supérieur au titane

Les matériaux composites présentent des avantages indéniables par rapport aux alliages et métaux classiques employés en construction aéronautique. Ils sont notamment plus légers que l'aluminium. « Les gains de masse offrent aussi une plus grande souplesse en termes de conception. Sur le B787, ils ont permis la réalisation de hublots de plus grandes dimensions par exemple », souligne Mike Sinnett, chef de programme du Boeing B787. Plus denses, ils possèdent aussi une résistance mécanique élevée. « Le carbone époxy est la seule fibre qui a aujourd'hui des vertus mécaniques et de densité qui sont supérieures à celles du titane », analyse Christophe Champenois, responsable du pôle ingénierie des polymères et des composites au Cetim. Des qualités qui durent dans le temps, puisque les matériaux composites ne présentent pas de sensibilité à la corrosion. Cela les rend plus résistants à la fatigue comme aux chocs, un avantage majeur en termes de maintenance. Le choix en matériaux composites est restreint, car les acteurs industriels n'en changent vraiment que lorsqu'une rupture technologique intervient, apportant un réel intérêt. « De par la longue et coûteuse procédure d'essais et de qualification qu'ils doivent traverser, on ne cherche pas à étendre la gamme, confirme Christophe Champenois. Cependant, dans la gamme des carbones époxy, il existe une cinquantaine de références. » Les fibres de carbone ont différentes tailles, différents nombres de filaments par fibre, différentes origines.

Légers, robustes, flexibles... Aurait-on alors affaire à des matériaux miracles ? Pas tout à fait. Ces avantages sont contrebalancés par un procédé de fabrication beaucoup plus lourd et plus coûteux que celui des aciers et des alliages. Du point de vue de l'outillage nécessaire en premier lieu. La construction de l'A350 nécessite des outils en invar, un alliage au nickel dont le coefficient de dilatation est très faible mais qui est très cher. Les matériaux composites imposent aussi l'emploi d'autoclaves particuliers, pour la polymérisation. Celui employé pour la fabrication des différents éléments de l'A350 a des dimensions exceptionnelles : 27 mètres de long pour 8 mètres de diamètre et une masse de 320 tonnes. Il a fait partie d'un investissement à hauteur de 360 millions d'euros, réalisé pour les infrastructures de production.

Une fois ce matériel acquis, la fabrication des pièces en composites est également tributaire d'une procédure spécifique, qui comporte une montée en température et une mise sous pression contrôlées. « L'application de la pression nécessaire lors du processus de polymérisation nécessite de disposer de réservoirs de gaz inerte importants. D'une manière générale, tout ce qui concerne le système de production de la structure de l'appareil reste très coûteux », souligne Roland Thévenin. La fabrication des matériaux composites est également plus longue que celle des pièces en alliage. « Cela fait partie des domaines dans lesquels nous devons nous améliorer », ajoute l'expert. Le cycle de polymérisation, avec montée en température et contrôle précis de celle-ci, s'étend en moyenne sur deux heures. Il passe à deux heures et demie dès qu'il ne s'agit plus seulement de réaliser une pièce plate, comme un panneau de fuselage, et que la structure de la pièce est plus complexe.

L'arrivée de résines thermodurcissables

Une barrière technologique qui devrait bientôt tomber. Des procédés et des matériaux qui ne nécessitent pas d'autoclave se développent. Ils exigent des températures et des pressions moins importantes. « Cela entraînera une diminution des coûts de production dans le futur, de l'ordre de 20 % », s'enthousiasme Roland Thévenin. Une évolution permise par l'arrivée de nouvelles résines thermodurcissables spécifiques qui polymérisent à des températures inférieures à celles impliquées actuellement et qui ne nécessitent pas systématiquement la mise sous pression. Et sans mise sous pression plus besoin d'autoclave. Les cycles de fabrication des matériaux composites vont également se trouver bouleversés par l'arrivée dans l'aéronautique de résines d'un nouveau genre : les thermoplastiques. Ils constituent une évolution sensible dans le domaine des matériaux composites bien qu'invisible à l'oeil nu.

Des matrices thermoplastiques

Il s'agit de matrices, jusqu'alors employées en plasturgie, sans les renforts de fibres : les Peek (polyétheréthercéthone), les polyamides et les PET (polyéthylène téréphtalate). La réaction qui les solidifie n'est pas la même qu'avec les thermodurcissables, elle ne nécessite pas de mise sous pression. « Il n'y a plus cette complexité au niveau du cycle de cuisson. On ne parle plus de précision des paramètres couplée à une durée de polymérisation longue. Il suffit de venir à la température de fusion, de mettre la pièce en forme et de la refroidir instantanément. Les cycles de production sont ainsi considérablement raccourcis », explique Laurent Juras, responsable de l'activité conception et industrialisation composites au pôle d'activité ingénierie des polymères et composites du Cetim. La matrice thermoplastique présente aussi l'avantage d'avoir un comportement déformable à une certaine température, qui permet de lui redonner de la viscosité. Une pièce peut donc être formée une première fois, puis réchauffée à température plus élevée pour être redéformée. « Cela offre des possibilités de réparation, d'assemblage par soudage. Là où l'assemblage mécanique coupe les fibres, avec les thermoplastiques on peut chauffer deux pièces, les mettre sous pression et générer un niveau d'accroche qui résiste aux efforts », constate Christophe Champenois.

Cependant, les matériaux composites thermoplastiques ne se substitueront pas totalement aux thermodurcissables, notamment sur les grandes pièces, telles que le fuselage ou la voilure. Elles ne peuvent pas être réalisées en thermoplastiques pour le moment, en raison de propriétés de résistance mécanique qui n'atteignent pas encore celles supportées par le thermodurcissable. « Le thermodurcissable a toujours de l'avenir dans l'aéronautique », affirme Roland Thévenin, chez Airbus. Y compris au niveau de la maintenance puisqu'au-delà de sa résistance, il évite la propagation de criques (fissurations). Aujourd'hui la maintenance se fait uniquement par inspection visuelle. Ce n'est que si un dommage est repéré par l'opérateur qu'une évaluation précise est effectuée par un inspecteur, qui utilise pour cela le balayage par ultrasons. La cartographie des dégâts obtenue indique s'il y a délamination et identifie la zone de décollage. Si une réparation est nécessaire, attention, les vitesses de rotation pour le perçage des matériaux composites sont différentes de celles appliquées aux alliages... mais les principes restent les mêmes.

Le boulonnage n'est pas obsolète

« Un technicien de 10 ou 15 ans d'expérience aura beaucoup de facilité à s'adapter. La réparation structurale est similaire à ce qui se fait sur les alliages avec des doubleurs en composite, sous forme boulonnée », ajoute Roland Thévenin. L'intervention par boulonnage sur les structures primaires reste ainsi encore largement employée avec les composites. D'autant que son alternative, le collage, n'est pas encore totalement maîtrisée sur les pièces de grandes tailles. « La plupart du temps, des sous-traitants effectuent ces interventions, parfois au détriment de la qualité. Nous-mêmes ne sommes pas sûrs de nos collages, et nous ne les imposons donc pas à des ateliers dont les mécaniciens n'ont pas une grande expérience des composites », reconnaît Roland Thévenin.

Nervures et attaches restent en métal

L'emploi croissant des matériaux composites sur les avions de ligne devrait toutefois permettre de remédier à cette situation. Cela s'accompagnera nécessairement d'une formation de mécaniciens spécialisés. L'appareil « 100 % composite » n'est pas pour autant d'actualité. Il n'est même pas à l'ordre du jour. Les composites ne sont pas la pierre philosophale. En termes de performances, de coûts de maintenance et de production, l'usage d'autres matériaux reste plus pertinent pour certaines pièces. Les structures d'attache sont encore fabriquées en métal, par exemple. Elles pourraient être réalisées en composites, mais le gain de masse serait négligeable pour un coût de production bien trop élevé. Les nervures de la voilure de l'A350 et de l'A400M restent aussi en métal, idem sur le Boeing 787. Pour répondre aux spécifications de ces éléments, l'alliage est bien plus approprié. Les métaux ont en conséquence encore de l'avenir dans le domaine de la construction aéronautique.

LES MÉTAUX BATTENT DE L'AILE

Aujourd'hui, l'Airbus A350 emploie très largement les matériaux composites. Il y a trente ans, seuls les radômes des appareils n'étaient pas en alliage.

Le premier matériau composite introduit dans la gamme Airbus était le verre, en 1970 sur l'A300, pour le radôme de radar. En 1980, les matériaux composites ont commencé à apparaître sur les pièces secondaires, comme les volets, l'empennage et les aérofreins. En 1990, ils ont équipé les nacelles réacteur, puis au début des années 2000 les éléments primaires, tels que la cloison d'étanchéité sur l'A340. Ce n'est qu'avec l'A380 qu'ils commencent à constituer une grande part d'un avion de ligne, comme le caisson de voilure, les nervures d'ailes, le tronçon arrière de fuselage et le plancher cabine.

Fuselage en fibre de carbone, le défi du gigantisme

La construction des différents éléments de l'Airbus A350 nécessite un autoclave spécifique, aux dimensions inhabituelles : 27 mètres de long !

La fabrication des différents tronçons de fuselage et panneaux de voilure de l'A350 nécessite un autoclave hors normes, aux dimensions gigantesques. Mesurant 27 mètres de long pour 8 mètres de diamètre, il pèse 320 tonnes. Il polymérise des pièces allant jusqu'à 21 mètres de long sur 7 mètres de large, à une température maximale de 180° C. Le prix de ce four avoisine les 6 millions d'euros. Construit par la société sud-coréenne Aeroform/SFA, son transfert en Europe s'est fait lentement, par voie maritime. Cet autoclave servira principalement à la fabrication des grandes pièces des sections 13 et 14 de l'Airbus A350 (partie supérieure du fuselage avant de l'appareil) à Nordenham, en Allemagne, où une usine de 250 000 m² a été spécialement construite pour l'accueillir. Un panneau de 93 m² de cette partie de l'A350 a déjà été construit par Aerotec début mars 2011, grâce à cet autoclave. Il sera inspecté aux ultrasons avant d'être percé et découpé pour rejoindre les autres éléments de l'appareil.

Pour réparer, Boeing mise sur le collage

Airbus et Boeing n'emploient pas la même procédure de réparation des pièces composites. Là où l'européen favorise largement le boulonnage classique, l'américain préfère le collage.

Pour les deux principaux avionneurs, toute intervention débute par une évaluation des dommages via une détection à ultrasons. « Les composites peuvent être réparés en utilisant des techniques de collage, en enlevant le matériau endommagé et en appliquant une nouvelle nappe », commente Mike Sinnett, chef de programme du Boeing 787. Boeing emploie la réparation par patch de ses matériaux composites, qui reste aérodynamique et ne dégrade pas les performances des appareils. « Ces réparations ne nécessitent pas d'autoclave », ajoute Mike Sinnett. Mais la réparation par collage est coûteuse en temps et en matériel. Elle entraîne un travail important de préparation, réalisé par un technicien très qualifié. Airbus, qui n'est pas totalement sûr de la tenue du collage, se limite de son côté pour le moment au boulonnage. La solution idéale est peut-être celle de la réparation par infiltration, une technique en cours d'essai à l'Onera. La tenue mécanique n'est pas encore validée, mais le développement de nouvelles résines plus fluides et tenaces devrait ouvrir la voie à cette nouvelle méthode de maintenance.

NICOLAS ORANCE PRÉSIDENT DU PÔLE EMC2 (Ensembles métalliques et composites complexes)L'avenir est aux composites biosourcés

Les composites sont des matériaux devenus incontournables dans l'aéronautique, du fait de leur légèreté, synonyme d'économie de carburant. Il faut néanmoins accroître leurs performances et optimiser certains procédés, notamment au niveau du contrôle qualité, pour les mettre au niveau des alliages métalliques. Le point sur la recherche française avec Nicolas Orance, le président du pôle EMC2.

IT: Quel est, selon vous, l'avenir des matériaux composites dans l'aviation ? Nicolas Orance : Dans les composites, on distingue les thermoplastiques des thermodurcissables. Je sens une tendance aussi forte que récente au développement des thermoplastiques. Ils offrent deux avantages que les thermodurcissables n'ont pas : le caractère recyclable et la possibilité de les réparer. Le thermoplastique n'a pas une forme définitive, et il est possible en chauffant la pièce endommagée d'intervenir dessus, par exemple par soudures. IT: Ils ont aussi leurs défauts, comme un coût élevé, et une mauvaise résistance à la foudre. Quelles pistes suivent les chercheurs pour améliorer ces points faibles ? Le manque de sources d'approvisionnement explique le coût élevé des composites : par exemple, il n'y a aujourd'hui qu'un seul fournisseur mondial de thermoplastiques, le hollandais Tencate. D'autre part, comme les matériaux composites sont presque toujours issus des hydrocarbures, il y a un risque important de volatilité des prix. Des composites biosourcés sont donc souhaitables. Au sein du pôle EMC2, nous menons actuellement des projets de labellisation du lin pour l'industrie aéronautique. L'objectif est d'atteindre les mêmes performances (mécaniques, tenue au feu, toxicité des vapeurs...) que la fibre de carbone. Mais nous sommes encore loin d'un tel degré de maturité. Concernant la foudre, le problème est en passe d'être réglé. Il y a des recherches pour développer des composites rendus conducteurs grâce à des particules métalliques. La lourde grille de métal employée aujourd'hui comme cage de Faraday deviendra dispensable. IT: Les composites s'entretiennent-ils aussi facilement que les métaux ? Non, parce que les procédures de suivi de la qualité des composites sont encore jeunes. Il faut développer ce que l'on appelle les méthodes de contrôle non destructif pour qu'elles soient aussi rapides et productives que celles employées pour les alliages métalliques. C'est une voie de recherche à part entière : pour l'instant, comme les composites ne sont pas conducteurs, il faut les immerger dans des piscines pour contrôler le matériau. Il serait théoriquement possible de faire la même chose à l'air libre et donc d'avoir à disposition des outils de contrôle portatifs. Les technologies seront plus précises que pour les métaux, avec l'emploi du laser notamment. Nous pourrons ainsi, comme sur les alliages métalliques, contrôler ponctuellement, et non systématiquement, comme c'est le cas aujourd'hui. IT: Quelle est la position mondiale de la France en termes de R et D sur les composites appliqués à l'aéronautique ? Je dirais que nous sommes parmi les sept pays les plus avancés dans le domaine des composites pour l'industrie aéronautique. En tête de liste, on trouve l'Angleterre, l'Allemagne, le Japon et les États-Unis. L'expertise française est reconnue sur la réalisation de certaines pièces. Notamment via Dassault et Airbus, pour la fabrication des caissons centraux de voilure en carbone qui sont la clé de voûte des avions. IT: Pourra-t-on aller au-delà des 53 % de matériaux composites présents dans la structure de l'A350-XWB ? Je ne le pense pas, tout simplement parce que les composites finiront par atteindre leurs limites en termes d'allégement. Pour l'avion du futur, disons dans dix ou quinze ans, parions que la structure aura toujours la même composition : 50 % de métaux, et 50 % de matériaux composites.

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