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Les composites chassent les métaux

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Publié le à 14h05

Les composites chassent les métaux
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 », souligneMike 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 avantagemajeur 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 contre balancés 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: 27mètres 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 niveaudu 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’assemblagemécanique coupe les fibres, avec les thermoplastiques on peut chauffer deux pièces, les mettre sous pression et générer un niveaud’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 raisonde 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.Ycompris au niveaude 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’ilyadélamination 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. Nousmêmes 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.
 

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