L’aviation n’a cessé de chercher à gagner en légèreté depuis ses débuts. De Clément Ader aux frères Wright en passant par les avions les plus performants d’aujourd’hui, la réduction de poids est un critère déterminant dans la conception. Dans le domaine aéronautique, chaque kilogramme gagné est extrêmement précieux et coûte environ cent fois plus cher qu’en automobile.
Les matériaux composites sont aujourd’hui au cœur de cette quête de légèreté. Composés de fibres de carbone et d’une résine polymère liante, ces composites ont largement investi l’industrie aéronautique. Ils constituent environ la moitié des modèles d’avions les plus récents tels que l’Airbus A380 ou le Boeing 787 (contre 20 % d’aluminium, 15 % de titane et 10 % d’acier). Toutefois, il est important de noter que les métaux tels que le titane et l’aluminium continuent également de s’améliorer. Par conséquent, l’évolution des composites est nécessaire.
Les ingénieurs travaillent sur plusieurs pistes pour améliorer ces matériaux. Tout d’abord, le défi est de réduire les coûts de production. Bien que les composites offrent un excellent compromis entre légèreté et performances mécaniques, leur coût de production reste plus élevé que celui de leurs équivalents métalliques. Afin de produire plus rapidement et à moindre coût, les ingénieurs se tournent désormais vers les polymères thermoplastiques. Contrairement aux polymères thermodurcissables qui ne peuvent plus être ramollis ni retravaillés une fois durcis, les thermoplastiques restent soudables, façonnables et même recyclables. De plus, ils n’émettent pas de composés organiques volatils, souvent 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 répondent aux exigences de l’industrie aéronautique. Mais en cas de succès, cela permettrait de réduire le nombre d’assemblages, de réduire voire de revaloriser les rebuts de production et de mieux recycler les pièces en fin de vie.
Actuellement, les pièces composites sont généralement fabriquées dans des “auto-claves”, sortes de grosses cocottes-minute où le composite “cuit” sous pression. Le coût de ces éléments peut atteindre plusieurs centaines de milliers d’euros pour les appareils les plus performants, capables de produire de grosses pièces, à des températures et pressions élevées. Le cycle de fabrication est long, immobilisant ainsi l’équipement pendant plusieurs heures. Les scientifiques travaillent sur des procédés hors auto-claves, moins coûteux et plus flexibles, tels que l’infusion ou l’injection de résine liquide directement sur une préforme fibreuse. Cependant, la simplification de la fabrication ne doit pas se faire au détriment de la qualité, les pièces doivent garantir la sécurité, la fiabilité et des performances mécaniques optimales, souvent à des températures élevées.
Les composites offrent également d’autres avantages, notamment la multifonctionnalité. Il est possible d’incorporer des composants qui polymérisent pour rendre les composites auto-réparants, ou d’intégrer des capteurs et actionneurs pour surveiller l’état des pièces ou les déformer à la demande. D’autres fonctions telles que la transmission de données ou la production d’énergie par piézoélectricité pour alimenter des objets connectés sont également envisageables.
Enfin, grâce à la fabrication additive (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 potentiels sont considérables : plus besoin de moules ni de découpe, donc moins de gaspillage de matière première. Bien que la fabrication additive ne soit pas encore généralisée pour les pièces de grande taille, des entreprises telles que Safran ou Stelia Aerospace travaillent déjà sur cette technologie. Certains avions possèdent déjà des pièces métalliques fabriquées par impression 3D qui ont passé tous les tests de qualification.
Si l’utilisation de nouvelles techniques de fabrication et de thermoplastiques vise principalement à maintenir la part de marché des composites dans l’industrie aéronautique, la véritable révolution réside dans la conception des pièces, qui pourrait permettre de réduire leur poids de 20 à 30 %. Une réduction significative qui contribuerait à la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre.
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