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Les composites étendent leur emprise

Michel Le Toullec

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Les composites étendent leur emprise

Les ailes du Boeing 787 présentent une structure très complexe fabriquée à partir de plusieurs formes de composites carbone (laminés, sandwich).

© Ph. Andrieu ; D.R.

Airbus et Boeing se livrent à une véritable compétition sur l'utilisation de composites carbone. En France, de nombreux projets sont en cours.

C'est l'une des toutes dernières décisions prises par François Loos : le 23 avril dernier, le ministre de l'Industrie annonçait le financement, à hauteur de 40 millions d'euros, de dix projets de R&D sur les composites pour l'aéronautique. L'argumentaire du ministère résume alors les principaux atouts de ces matériaux : « Ils peuvent, par exemple, remplacer l'aluminium et l'acier et permettre ainsi des allègements importants, de nature à réduire les coûts, le poids et donc la consommation de carburant et les pollutions. » Il est vrai que leur densité est, respectivement, deux et cinq fois moindre que celles de l'aluminium et de l'acier et que leur résistance spécifique est au moins deux fois supérieure.

La production de fibres de carbone s'accroît

L'adoption des composites pour les applications structurales des avions commerciaux est une tendance de fond. Si le ratio de composites sur le gros porteur A380 d'Airbus est de 22 %, le Boeing 787 en contient 50 % alors que le futur A350 XWB (sur le marché d'ici à 2013) devrait afficher 52 %. Autre indice de l'importance de cette vague : les investissements des fournisseurs mondiaux de fibres de carbone se multiplient afin de répondre à cette demande. Au printemps dernier, le japonais Toray, numéro un mondial du secteur, annonçait l'augmentation de sa production (au Japon, en France et aux États-Unis) de 4 000 tonnes par an et la construction d'une ligne d'imprégnation de nappes unidirectionnelles au Japon. De quoi voir venir : il faut dire que la société a signé un mégacontrat avec Boeing portant sur la fourniture du 787 jusqu'en... 2021. En Europe, l'allemand SGL Carbon estime à 80 millions d'euros les investissements qu'il va réaliser pour augmenter de 2 000 tonnes sa capacité annuelle, qui passerait ainsi à 6 000 tonnes. Et l'américain Hexcel a décidé d'investir 100 millions de dollars pour accroître ses capacités de production et 20 millions dans ses unités d'imprégnation en Europe.

Parmi les grands projets d'avions commerciaux, l'enjeu de l'allègement était tout simplement vital pour l'A380, le plus gros avion de ligne jamais construit. Les ingénieurs ont alors misé sur les composites renforcés de fibres de carbone pour le caisson central de voilure (photo ci-contre), les volets d'ailes, tout le tronçon arrière du fuselage, y compris les empennages verticaux et horizontaux, ainsi que la cloison étanche arrière. Pour les composants monolithiques relativement plans de grande surface, on utilise des bandes de carbone pré-imprégné dont la forme définitive est obtenue par drapage de nappes automatisé avant leur durcissement en autoclave. Pour l'obtention de formes incurvées ou très complexes, les ingénieurs d'EADS ont développé des techniques donnant aux composites leur forme finale à sec, c'est-à-dire avant leur imprégnation. Ainsi, la fabrication de la cloison étanche fait intervenir des préformes multiaxiales en fibres de carbone, assemblées par une technique automatisée de tissage.

Un potentiel qui attire tous les constructeurs

Le Boeing 787 (lancement en 2008) se distingue quant à lui par l'utilisation plus qu'intensive des composites au niveau du fuselage. Il est d'ailleurs plus simple de citer les composants de la voilure qui n'en sont pas constitués, comme les bords d'attaque des plans arrières horizontal et vertical (en aluminium) et la cellule des moteurs (en titane et en acier notamment). Au total, ce choix technologique allège non seulement l'avion mais réduit aussi les temps d'assemblage de 30 à 40 %, selon les données de l'avionneur américain. Les ailes (photo ci-dessus) présentent sans doute la structure la plus complexe de ce programme. Constituée d'une peau, de raidisseurs - dénommés lisses - et de longerons, elle est fabriquée à partir de plusieurs formes de composites carbone (laminés, sandwich).

Entre temps, le match entre les deux avionneurs continue. Maintenant que les choix technologiques de l'A380 sont arrêtés, deux autres projets sont prévus au sein d'Airbus : l'A350 XWB (pour "Extra Wide Body") et l'avion destiné à remplacer l'A320. Pour l'A350 XWB, il est question de fuselage en composite carbone au niveau de la peau et des lisses (avec des cadres en aluminium), au lieu du fuselage en aluminium-lithium de la première version de l'A350. Les portes pourraient également être réalisées en composite, un sujet sur lequel travaille fortement la société toulousaine Latécoère. Quant au remplaçant de l'A320, sa conception résultera en partie du programme européen Nacre, mené jusqu'à 2009 par Airbus avec 36 partenaires, sur de nouvelles configurations d'avions. Ce programme s'intéresse notamment à un concept de fuselage à bas coût, en utilisant davantage de composites... sachant que ces matériaux ont plutôt tendance à augmenter les coûts !

Le potentiel des composites n'intéresse pas seulement les deux géants Airbus et Boeing. Ainsi, le canadien Bombardier a annoncé prendre une part active au programme de recherche britannique Integrated Wings, lancé durant l'été 2006, sur le développement d'une nouvelle génération d'ailes d'avions. Dans ce cadre, la société (qui dispose d'une usine à Belfast (Irlande) pour la fabrication des fuselages de ses appareils régionaux) travaille sur l'élaboration de technologies composites, depuis la simulation jusqu'au procédé.

Dans le domaine du transport tactique, les quatre constructeurs Alenia North America, Lockheed Martin, Piasecki Aircraft et Voyager Aerospace viennent de se porter candidats pour construire un démonstrateur d'avion-cargo présenté comme "tout en composite" avec le laboratoire de recherche de l'US Air Force. L'objectif est de concevoir le successeur du C-130 qui devrait être à la fois plus léger et moins cher à produire.

En France, Aircelle, le spécialiste des nacelles de moteurs d'avions (groupe Safran), participe à plusieurs programmes de R&D sur les composites dans le cadre des pôles de compétitivité. Au sein du pôle Mov'eo (Ile-de-France - Normandie), l'entreprise anime le projet Toupie sur l'emboutissage des composites thermoplastiques hautes performances. La société est également présente avec sa filiale SLCA dans deux projets du pôle lorrain Mipi : Capsairtm sur l'application de la technique d'infusion de résine aux pièces aéronautiques complexes, et Comac sur le contrôle non-destructif de composites.

Projets de recherche et pôles de compétitivité

Le plus grand volet de recherches sur les composites en aéronautique reste toutefois incontestablement celui qui est mené au sein du pôle de compétitivité mondial Aerospace Valley. C'est dans ce cadre que l'on retrouve Latécoère et son programme Comdor sur des portes "passagers" en composite pour avions commerciaux. « Nous produisons déjà des portes en composite carbone stratifié classique pour le Boeing 787, explique Roland Texier, responsable du projet chez Latécoère. Mais cette fois, il s'agit de réaliser un véritable saut technologique, utilisant non pas des préimprégnés, mais des renforts préformés où sera injectée la résine, le tout devant intégrer le mécanisme de la porte. »

Un autre projet, Elico, est consacré à la fabrication plus intelligente de pièces de structure en composite. « Elico concerne les composites stratifiés élaborés par polymérisation en autoclave, précise Gérard Bernhard, directeur du Cromep. Les dimensions et la complexité de telles pièces conduisent à des coûts allant jusqu'à 200 000 euros pour un panneau. D'où l'importance de disposer d'un système de surveillance et de pilotage du procédé. »

Le projet RC2, mené par Turbomeca (Bordes, Pyrénées-Atlantiques) au sein d'Aerospace Valley (Midi-Pyrénées & Aquitaine), est également dédié à la réduction des cycles et des coûts de fabrication. Mais cette fois, il s'agit de la réalisation de prototypes fonctionnels de turbines de moteurs d'avions, nécessaires à la réalisation d'essais. « Ces pièces sont fabriquées par prototypage rapide par frittage laser et traitées pour améliorer leur état de surface », précise Denis Boisseleau, responsable technique du projet chez Turbomeca.

La R&D dopée par l'aéronautique

On peut aussi mentionner le programme Nacomat, piloté par Snecma Propulsion Solide (groupe Safran) dans le but d'explorer le potentiel des nanomatériaux. Mené notamment avec le groupe chimique Arkema, ce travail a pour objectif d'accroître, grâce aux nanomatériaux, la tolérance aux dommages des structures composites et d'alléger les avions et les systèmes embarqués. Il s'agit également d'améliorer le rendement des moteurs et de réduire l'usure des freins carbone/carbone. Un autre enjeu est de diminuer la pollution atmosphérique et la nuisance sonore des appareils.

Enfin, preuve que la France est plus que jamais impliquée sur le sujet, la région Midi-Pyrénées a lancé, en septembre 2006, un appel à projets visant à développer les composites. Il s'agit d'Epicea, pour "Emergence de projets innovants composites portés par des entreprises aéronautiques". Les cinq premiers projets collaboratifs, chacun étant mené par une PME, ont été définis. Porté par Mecahers, le programme Caméléon porte sur la conception de panneaux en composite sécurisé intégrant des fonctions de sécurité (anti-infraction, feu et surpression explosive). Le projet Pimoc, mené par Equip'Aéro, vise la conception d'un procédé de fabrication de pièces en composite présentant des propriétés mécaniques comparables à celles obtenue par fonderie d'aluminium. BTS Industrie mène, par ailleurs, le projet CanaComp sur la mise en oeuvre d'un cadre de nacelle en composite haute température, en partenariat avec Airbus notamment. Le projet Ujec, porté par la société Jedo Technologies, concerne l'usinage par jet d'eau très haute pression tandis que RT2I (mené par Mipnet Industrie) vise la réalisation de renforts tridimensionnels verre/carbone pour la production par infusion et injection de résine de pièces dites "travaillantes". Cet appel à projets a été lancé dans le cadre de l'initiative bien nommée "Objectif composite" dont un second volet prévoit la mise à disposition d'experts dans ces matériaux auprès d'entreprises. De quoi mener à bien des projets de R&D sur les composites pour l'aéronautique.

RÉDUIRE LE TAUX DE REBUT DE FABRICATION

- Au quotidien, les ratés de production et les pièces en composite présentant des défauts sont une réalité. Pertinence (Paris) propose une solution permettant d'analyser les causes et de prendre les bonnes décisions à temps pour éviter de mettre une pièce au rebut en cours de fabrication. Une approche d'autant plus intéressante que le processus est complexe et porte sur des petites séries pour lesquelles les statistiques habituelles sont inopérantes. « Il faut construire un schéma qui tienne compte de toutes les variables pouvant influencer la qualité du procédé, explique Romain Lavault, responsable de la société Pertinence. Dans notre dernière collaboration avec Boeing, nous avons recensé 250 paramètres sur une fabrication. » Chaque défaut est analysé et paramétré L'entreprise a développé un outil logiciel capable de formaliser cette vision synthétique du procédé. Il fournit à tous les intervenants des renseignements pertinents leur permettant de prendre des décisions au quotidien. Tel moule n'a pas les mêmes propriétés que l'autre ; la température a été un peu faible à telle étape, il faudrait compenser à l'étape suivante... Le processus est itératif, les résultats d'une fabrication enrichissent les connaissances pour affiner les paramètres à la suivante. L'apparition d'un défaut est analysée comme résultant d'un ensemble de paramètres, autrement dit chaque défaut a son empreinte digitale reconnaissable. Airbus utilise aussi Pertinence pour identifier les causes des variations au sein de ses procédés de fabrication et réduire le taux de rebut sur ses structures en composite. Christian Guyard

LE CARBONE "NANO" PROTÈGE DE LA FOUDRE

- "La foudre est susceptible de frapper un appareil une à deux fois par an en moyenne", selon Franck Uhlig, spécialiste de ce phénomène chez EADS, à Suresnes (Hauts- de-Seine). En général, l'onde électrique se propage en surface de l'avion, sur les peaux extérieures en alliage d'aluminium, très bon conducteur d'électricité, la cellule et la voilure constituant alors une cage de Faraday. Les composites utilisés ou envisagés pour le fuselage des avions présentent une moindre capacité naturelle à drainer le courant de foudre. Les recherches menées pour régler ce problème se concentrent notamment sur les structures nanométriques du carbone. Des composites chargés de graphène Pour le futur A350 XWB et le remplaçant de l'A320, Airbus étudie les propriétés des nanotubes de carbone à intégrer sous forme de charge dans le composite carbone/époxyde. Mais déjà une autre solution, sans doute moins coûteuse, apparaît. À l'université Northwestern (Evanston, Illinois), une équipe travaille sur l'élaboration de composites chargés de graphène, une structure en feuille constituée d'hexagones de carbone. Dans un article publié l'été dernier dans Nature, ces chercheurs évoquent précisément comme application un fuselage d'avion combinant ainsi allègement, résistance mécanique et conductivité électrique en cas d'orage.

UN ISOLANT ACOUSTIQUE POUR MOTEURS D'AVIONS

- Afin de répondre aux exigences en matière de réduction de bruit des avions, Hexcel a développé une solution en partenariat avec Spirit Aerosystems, MRA Systems, Alenia Aermacchi et l'université de Cincinnati (Ohio, États-Unis). « L'HexWeb Acousti-Cap est une sorte de capsule en matériau perméable insérée au fond de chaque cellule d'une structure en nid-d'abeilles, explique Clark R. Smith, responsable de ce projet chez Hexcel. L'ensemble forme une cloison acoustique qui isole le moteur sans pénaliser l'avion par un surpoids. » Une innovation saluée au salon JEC La réduction de bruit ainsi obtenue améliore le confort des passagers, en particulier lors des phases de décollage et d'atterrissage. En outre, cette nouvelle solution permet de s'affranchir des technologies mises en oeuvre au niveau du fuselage afin d'assurer ce confort, aux dépens du poids de l'appareil, assure Clark R. Smith. Cette solution a été récompensée du prix de l'innovation au dernier salon JEC Composites Show (à Paris en avril) dans la catégorie aéronautique.

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