Depuis les premiers vols des pionniers de l’aviation comme Clément Ader et les frères Wright, le secteur de l’aviation a toujours cherché à rendre les avions plus légers. La réduction du poids est un critère essentiel lors de la conception des avions les plus performants. Selon Patricia Krawczak, professeure à l’École nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai, “l’aéronautique est le secteur où chaque kilogramme gagné est le plus cher, environ cent fois plus que dans l’automobile”. Alors que l’industrie automobile est prête à payer 1 euro par kilogramme gagné, l’aviation civile peut payer entre 100 € et 500 € par kilo, et le secteur spatial jusqu’à 10 000 € par kilo.
Aujourd’hui, les matériaux composites sont au premier plan de cette quête de légèreté. Constitués de fibres, généralement de carbone, et d’une résine polymère agissant comme liant, les composites sont largement utilisés dans l’industrie aéronautique. Les modèles d’avions les plus récents, tels que l’Airbus A380 ou le Boeing 787, sont composés d’environ la moitié de matériaux composites (contre 20% d’aluminium, 15% de titane et 10% d’acier). Cependant, selon Patricia Krawczak, “nous atteignons une limite, d’autant plus que les métaux tels que le titane et l’aluminium s’améliorent également”. Les composites doivent donc évoluer pour répondre aux nouvelles exigences.
De nouvelles pistes pour améliorer les composites
Les ingénieurs travaillent sur plusieurs pistes pour améliorer les composites. Tout d’abord, ils cherchent à réduire les coûts de production. En effet, bien que les composites soient légers et offrent de bonnes performances mécaniques, leur coût de production est encore supérieur à celui de leurs équivalents métalliques. Afin de produire plus rapidement et à moindre coût, les ingénieurs s’intéressent aujourd’hui aux polymères appelés “thermoplastiques”. Contrairement aux polymères “thermodurcissables”, les thermoplastiques restent soudables, façonnables et même recyclables une fois durcis. De plus, ils n’émettent pas de composés organiques volatils, qui sont souvent des polluants toxiques.
Cependant, la fabrication de composites à base de thermoplastiques est plus complexe car ces polymères sont moins fluides et imprègnent moins facilement les fibres. Il est donc nécessaire de revoir l’ensemble de la chaîne de fabrication pour que ces matériaux puissent répondre aux exigences de l’industrie aéronautique. En cas de succès, cela permettrait de réduire le nombre d’assemblages, de minimiser les déchets de production et d’améliorer le recyclage des pièces en fin de vie.
Des fonctionnalités supplémentaires et une meilleure conception
Les composites présentent d’autres qualités intéressantes. Par exemple, ils offrent la possibilité d’intégrer des fonctionnalités supplémentaires aux pièces. Il est ainsi possible de rendre les composites auto-réparants en intégrant des capsules de composants qui polymérisent et “cicatrisent” les dommages causés à la pièce. Il est également possible d’insérer des capteurs et des actionneurs dans les composites pour surveiller le vieillissement et l’état de santé de la pièce, voire la déformer à volonté. D’autres fonctionnalités sont envisageables, comme la transmission de données ou même la production d’énergie par piézoélectricité pour alimenter des objets connectés.
Enfin, grâce à la fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, il est désormais possible d’optimiser la forme et la structure des pièces et des composants, voire de concevoir de nouvelles pièces. Les avantages sont considérables : plus besoin de moules ni de découpes, donc moins de gaspillage de matière première. “Aujourd’hui, nous sommes capables d’utiliser la fabrication additive pour déposer des polymères renforcés de fibres coupées ou continues”, explique Patricia Krawczak. Cette technologie n’est pas encore largement utilisée, notamment pour les pièces de grande taille, mais des entreprises comme Safran ou Stelia Aerospace travaillent déjà dessus. Certains avions utilisent déjà des pièces métalliques fabriquées par impression 3D et ayant passé tous les tests de qualification.
Une révolution pour réduire les émissions de gaz à effet de serre
Si l’utilisation de nouvelles techniques de fabrication et de thermoplastiques vise principalement à maintenir la part de marché des composites dans l’aviation, la révolution dans la conception des pièces peut permettre de réduire leur poids de 20 à 30 %. Une réduction non négligeable dans l’objectif global de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
En conclusion, les matériaux composites jouent un rôle de premier plan dans la quête de légèreté des avions. Les avancées technologiques dans la fabrication et l’utilisation de thermoplastiques offrent de nouvelles opportunités pour améliorer les performances des composites tout en réduisant les coûts de production. De plus, les composites offrent la possibilité d’intégrer des fonctionnalités supplémentaires aux pièces et d’optimiser leur conception grâce à la fabrication additive. Cette évolution contribue à rendre l’aviation plus durable en réduisant les émissions de gaz à effet de serre et en améliorant l’efficacité énergétique des avions.
