Des matériaux composites pour alléger les avions

Depuis ses débuts, l’aviation pour­suit une quête sans fin : celle de la légè­re­té. Depuis les pre­miers engins de Clé­ment Ader ou des frères Wright jusqu’aux avions les plus per­for­mants, la dimi­nu­tion du poids est un cri­tère déter­mi­nant lors de la concep­tion. « L’aéronautique est le sec­teur où le kilo­gramme gagné se paie le plus cher, envi­ron cent fois plus que dans l’automobile, » sou­ligne Patri­cia Krawc­zak, pro­fes­seure à École natio­nale supé­rieure Mines-Télé­com Lille Douai. En moyenne, l’industrie est prête à payer 1 euro par kilo­gramme gagné dans l’automobile, mais 100 € à 500 € par kilo gagné dans l’aviation civile et jusqu’à 10 000 € par kilo dans le spatial.

Aujourd’hui, la famille des maté­riaux les plus en vue dans cette quête est celle des com­po­sites. Com­po­sés de fibres – géné­ra­le­ment du car­bone – et d’une résine poly­mère for­mant un liant, les com­po­sites ont lar­ge­ment inves­ti l’aéronautique, au point que les modèles d’avions les plus récents comme l’Airbus A380 ou le Boeing 787 en sont com­po­sés envi­ron de moi­tié (contre 20 % d’aluminium, 15% de titane et 10% d’acier). « On atteint un palier, remarque Patri­cia Krawc­zak, d’autant plus que les métaux tels que le titane et l’aluminium s’améliorent aus­si. » Les com­po­sites doivent donc évoluer.

Les ingé­nieurs tra­vaillent sur plu­sieurs pistes. Tout d’abord, dimi­nuer les coûts de pro­duc­tion. En effet, si les com­po­sites pré­sentent l’avantage d’être légers tout en garan­tis­sant de bonnes per­for­mances méca­niques, leur coût de pro­duc­tion est encore supé­rieur à leur équi­valent métal­lique. Pour pro­duire plus vite et moins cher, les ingé­nieurs s’intéressent aujourd’hui aux poly­mères dits « ther­mo­plas­tiques ». Contrai­re­ment aux poly­mères « ther­mo­dur­cis­sables » qui, une fois dur­cis, ne peuvent plus être ramol­lis et tra­vaillés, les ther­mo­plas­tiques res­tent sou­dables, façon­nables et même recy­clables. De plus, ils n’émettent pas de com­po­sés orga­niques vola­tiles, des pol­luants gazeux sou­vent toxiques.

Cepen­dant, la fabri­ca­tion des com­po­sites à base de ther­mo­plas­tiques est plus com­pli­quée, car ces poly­mères sont moins fluides, et imprègnent moins faci­le­ment les fibres. C’est donc l’ensemble de la chaîne de fabri­ca­tion qu’il faut revoir pour que ces maté­riaux puissent répondre au cahier des charges de l’industrie aéro­nau­tique. Mais en cas de suc­cès, cela per­met­trait de dimi­nuer le nombre d’assemblages, de réduire voire de reva­lo­ri­ser les rebuts de pro­duc­tion et de mieux recy­cler les pièces en fin de vie.

Aujourd’hui, les pièces com­po­sites sont géné­ra­le­ment fabri­quées en auto­claves, sortes de grosses cocottes minutes où le com­po­site « cuit » sous pres­sion. Le coût de ces élé­ments s’élève à plu­sieurs cen­taines de mil­liers d’euros pour les appa­reils les plus per­for­mants, capables de pro­duire des grosses pièces, à des tem­pé­ra­tures et pres­sions éle­vées. Le cycle de fabri­ca­tion est long, plu­sieurs heures pen­dant les­quelles l’équipement est immo­bi­li­sé. « Nous tra­vaillons sur des pro­cé­dés hors auto­claves, moins coû­teux et plus souples, par exemple par infu­sion ou injec­tion de résine liquide direc­te­ment sur une pré­forme fibreuse, c’est-à-dire un « sque­lette » de ren­forts fibreux, » indique la cher­cheuse. Cepen­dant, la sim­pli­fi­ca­tion de la fabri­ca­tion ne doit pas se faire au détri­ment de la qua­li­té, les pièces doivent allier la sécu­ri­té, la fia­bi­li­té, la per­for­mance méca­nique, et ce sou­vent à des tem­pé­ra­tures rela­ti­ve­ment hautes.

Les com­po­sites ont d’autres qua­li­tés. L’une d’elles est la mul­ti­fonc­tion­na­li­sa­tion : appor­ter d’autres fonc­tions que les pro­prié­tés méca­niques. On peut par exemple rendre les com­po­sites auto-répa­rants, en inté­grant des cap­sules qui libèrent des com­po­sants qui poly­mé­risent, et ain­si « cica­trisent » la pièce endom­ma­gée. Il est éga­le­ment pos­sible d’insérer des cap­teurs et action­neurs dans les com­po­sites pour sur­veiller le vieillis­se­ment et l’état de san­té de la pièce ou la défor­mer sur com­mande. Autres fonc­tions pos­sibles : la trans­mis­sion de don­nées ou encore la pro­duc­tion d’énergie par pié­zo­élec­tri­ci­té pour ali­men­ter des objets connectés.

Enfin, grâce à la fabri­ca­tion addi­tive (l’impression 3D), il est désor­mais pos­sible d’optimiser la forme et la struc­ture des pièces et des com­po­sants, et de conce­voir de nou­velles pièces. Les gains envi­sa­gés sont énormes : plus besoin de moule ni de découpe donc moins de gâchis de matière pre­mière. « Aujourd’hui, on sait dépo­ser par fabri­ca­tion addi­tive du poly­mère ren­for­cé de fibres cou­pées ou conti­nues, expose Patri­cia Krawc­zak. Ce n’est pas encore démo­cra­ti­sé, notam­ment pour les pièces de grande taille, mais des entre­prises comme Safran ou Ste­lia Aeros­pace y tra­vaillent. » Cer­tains avions pos­sèdent déjà des pièces métal­liques issues de fabri­ca­tion addi­tive qui ont pas­sé tous les tests de qualification. 

Si l’utilisation de nou­velles tech­niques de fabri­ca­tion et de ther­mo­plas­tique vise sur­tout à main­te­nir la part de mar­ché des com­po­sites dans les avions, la révo­lu­tion dans la concep­tion peut, quant à elle, faire gagner 20 à 30 % de poids sur les pièces. Un allè­ge­ment non négli­geable dans l’objectif de réduire les émis­sions de gaz à effet de serre.