Composites in the Aircraft Industry/fr
Les matériaux composites sont utilisés dans l'industrie aéronautique et ont permis aux ingénieurs de surmonter les obstacles rencontrés lors de leur utilisation individuelle. Les matériaux constitutifs conservent leur identité dans les composites et ne se dissolvent pas ni ne fusionnent complètement. Ensemble, ces matériaux créent un matériau « hybride » aux propriétés structurelles améliorées.
Le développement de matériaux composites légers et résistants aux hautes températures permettra l'émergence d'une nouvelle génération d'avions performants et économiques. Leur utilisation réduira la consommation de carburant, améliorera l'efficacité et diminuera les coûts d'exploitation directs des avions.
Les matériaux composites peuvent prendre diverses formes et, si nécessaire, les fibres peuvent être enroulées serrées pour en accroître la résistance. Un avantage des composites est qu'ils peuvent être stratifiés, les fibres de chaque couche étant orientées dans une direction différente. Cela permet à l'ingénieur de concevoir des structures aux propriétés uniques. Par exemple, une structure peut être conçue de manière à se plier dans une direction, mais pas dans une autre. [ 2 ]
Synthèse de composés de base
Dans un composite de base, un matériau sert de matrice de support, tandis qu'un autre s'appuie sur cette structure et renforce l'ensemble. La formation du matériau peut être un processus coûteux et complexe. En résumé, une matrice de matériau de base est déposée dans un moule sous haute température et pression. Une résine époxy ou autre est ensuite coulée sur le matériau de base, créant ainsi un matériau résistant une fois refroidi. Le composite peut également être produit en incorporant des fibres d'un matériau secondaire dans la matrice de base.
Les composites présentent une bonne résistance à la traction et à la compression, ce qui les rend adaptés à la fabrication de pièces aéronautiques. La résistance à la traction du matériau provient de sa nature fibreuse. Lorsqu'une force de traction est appliquée, les fibres du composite s'alignent dans la direction de la force appliquée, ce qui lui confère sa résistance à la traction. Cette bonne résistance à la compression est due aux propriétés d'adhérence et de rigidité de la matrice de base. La résine a pour rôle de maintenir les fibres en colonnes droites et d'empêcher leur flambage.
Aviation et composites
Les matériaux composites sont importants pour l'industrie aéronautique car ils offrent une résistance structurelle comparable à celle des alliages métalliques, mais avec un poids plus léger. Cela améliore la consommation de carburant et les performances des avions. [ 3 ] [ 4 ]
Le rôle des composites dans l'industrie aéronautique
La fibre de verre est le matériau composite le plus courant. Elle est constituée de fibres de verre noyées dans une matrice de résine. Son utilisation a débuté dans les années 1950 pour la construction navale et automobile. Elle a également été utilisée pour la première fois dans le Boeing 707 , où elle représentait environ 2 % de la structure. Chaque génération d'avions construits par Boeing a vu son pourcentage de matériaux composites augmenter, le plus élevé étant de 50 % pour le 787 Dreamliner .
Le Boeing 787 Dreamliner sera le premier avion commercial dont les principaux éléments structurels seront fabriqués en matériaux composites plutôt qu'en alliages d'aluminium. [ 1 ] Cet avion abandonnera les composites archaïques en fibre de verre au profit de composites plus avancés en stratifié de carbone et en sandwich de carbone. Des problèmes ont été rencontrés avec le caisson de voilure du Dreamliner, attribués à une rigidité insuffisante des matériaux composites utilisés pour sa fabrication. [ 1 ] Cela a entraîné des retards dans les dates de livraison initiales de l'avion. Afin de résoudre ces problèmes, Boeing renforce les caissons de voilure en ajoutant de nouveaux supports aux caissons de voilure déjà construits, tout en modifiant les caissons de voilure restants. [ 1 ]
Essais de matériaux composites
Il s'avère difficile de modéliser avec précision les performances d'une pièce composite par simulation informatique en raison de la complexité du matériau. Les composites sont souvent superposés pour une résistance accrue, mais cela complique la phase de test avant fabrication, car les couches sont orientées dans des directions différentes, ce qui rend difficile la prévision de leur comportement lors des tests. [ 1 ]
Des essais de contraintes mécaniques peuvent également être réalisés sur les pièces. Ces essais commencent sur des maquettes à petite échelle, puis se poursuivent sur des parties de plus en plus grandes de la structure, et enfin sur la structure complète. Les pièces structurelles sont placées dans des machines hydrauliques qui les courbent et les tordent pour reproduire des contraintes bien supérieures aux conditions les plus extrêmes attendues en vol réel.
Facteurs d'utilisation des matériaux composites
La réduction de poids constitue le principal avantage des matériaux composites et constitue l'un des facteurs clés de leur choix. Parmi les autres avantages, on peut citer leur grande résistance à la corrosion et aux dommages dus à la fatigue. Ces facteurs contribuent à réduire les coûts d'exploitation de l'avion à long terme, améliorant ainsi son efficacité. Les composites présentent l'avantage de pouvoir prendre presque toutes les formes par moulage, ce qui complique la modélisation, déjà complexe.
L'un des principaux inconvénients des composites réside dans leur caractère relativement nouveau et, par conséquent, leur coût élevé. Ce coût élevé est également imputable à la complexité et à la main-d'œuvre importantes de leur fabrication. Les composites sont difficiles à inspecter pour déceler les défauts, et certains d'entre eux absorbent l'humidité.
Bien que plus lourd, l'aluminium, en revanche, est facile à fabriquer et à réparer. Il peut être bosselé ou perforé et tenir. Les composites ne sont pas dans ce cas ; s'ils sont endommagés, ils nécessitent une réparation immédiate, ce qui est difficile et coûteux.
Économies de carburant grâce à un poids réduit
La consommation de carburant dépend de plusieurs facteurs, notamment : le poids à vide de l'avion, la masse de la charge utile, l'âge de l'avion, la qualité du carburant, la vitesse de l'air et les conditions météorologiques. Le poids des composants d'avion en matériaux composites est réduit d'environ 20 %, comme dans le cas du 787 Dreamliner. [ 4 ]
Un exemple de calcul des économies totales de carburant avec une réduction de poids à vide de 20 % sera effectué ci-dessous pour un avion Airbus A340-300.
Les valeurs initiales de l’échantillon pour cette étude de cas ont été obtenues à partir d’une source externe. [ 5 ]
Donné:
- Poids à vide en ordre de marche (OEW) : 129 300 kg
- Poids maximal sans carburant (MZFW) : 178 000 kg
- Poids maximal au décollage (MTOW) : 275 000 kg
- Autonomie maximale au poids maximal : 10 458 km
D'autres quantités peuvent être calculées à partir des chiffres ci-dessus :
- Poids maximum du chargement = MZFW - OEW = 48 700 kg
- Poids maximal du carburant = MTOW - MZFW = 97 000 kg
Nous pouvons donc calculer la consommation de carburant en kg/km en fonction du poids maximal du carburant et de l'autonomie maximale = 97 000 kg/10 458 km = 9,275 kg/km
Voici le calcul des économies de carburant anticipées avec une réduction de poids de 20 %, ce qui ne réduira la valeur OEW que de 20 % :
- OEW (neuf) = 129 300 kg * 0,8 = 103 440 kg, ce qui équivaut à une économie de poids de 25 860 kg.
En supposant que le poids de la cargaison et du carburant restent constants :
- MZFW (neuf) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
- MTOW (neuf) = MTOW - 25 680 kg = 249 320 kg
La masse de carburant de 97 000 kg a une MTOW réduite à gérer et aura donc une autonomie accrue car le poids maximal et l'autonomie maximale sont des quantités inversement proportionnelles.
Utilisation de ratios simples pour calculer la nouvelle plage :
249,320kg275,000kg=10,458kmXkm
La résolution de X donne une nouvelle plage de :
- X = 11 535,18 km
Cela donne une nouvelle valeur de consommation de carburant avec un poids réduit = 97 000 kg/11 535,18 km = 8,409 kg/km
Pour mettre cela en perspective, sur un trajet de 10 000 km , il y aura une économie de carburant d’environ 8 660 kg avec une réduction de 20 % du poids à vide.
Impact environnemental
On observe une évolution croissante vers l'ingénierie verte . La société actuelle accorde une attention accrue à l'environnement. Cela vaut également pour la fabrication des matériaux composites.
Comme mentionné précédemment, les composites sont plus légers et présentent des valeurs de résistance similaires à celles des matériaux plus lourds. Lorsqu'un composite léger est transporté ou utilisé dans une application de transport, sa charge environnementale est moindre que celle des alternatives plus lourdes. Les composites sont également plus résistants à la corrosion que les matériaux métalliques, ce qui signifie que les pièces dureront plus longtemps. [ 7 ] Ces facteurs combinés font des composites de bonnes alternatives environnementales.
Les matériaux composites produits de manière conventionnelle sont fabriqués à partir de fibres et de résines à base de pétrole et ne sont pas biodégradables par nature. [ 8 ] Cela pose un problème important car la plupart des composites finissent dans une décharge une fois leur cycle de vie terminé. [ 8 ] D'importantes recherches sont menées sur les composites biodégradables fabriqués à partir de fibres naturelles. [ 9 ] La découverte de matériaux composites biodégradables qui peuvent être facilement fabriqués à grande échelle et qui ont des propriétés similaires à celles des composites conventionnels révolutionnera plusieurs industries, notamment l'industrie aéronautique.
Une autre solution pour contribuer à la protection de l'environnement serait de recycler les pièces usagées des avions déclassés. Le « démantèlement » d'un avion est un processus complexe et coûteux, mais il peut permettre aux entreprises de réaliser des économies en raison du coût élevé de l'achat de pièces d'occasion. [ 6 ]
Matériaux composites du futur
Composites à matrice céramique
Français Des efforts majeurs sont en cours pour développer des matériaux composites légers et haute température à la National Aeronautics and Space Administration (NASA) pour une utilisation dans les pièces d'avion. Des températures aussi élevées que 1650 °C sont prévues pour les entrées de turbine d'un moteur conceptuel sur la base de calculs préliminaires. [ 3 ] Pour que les matériaux résistent à de telles températures, l'utilisation de composites à matrice céramique (CMC) est nécessaire. L'utilisation de CMC dans les moteurs avancés permettra également d'augmenter la température à laquelle le moteur peut être utilisé, ce qui entraînera un rendement accru. [ 10 ] Bien que les CMC soient des matériaux structurels prometteurs, leurs applications sont limitées en raison du manque de matériaux de renforcement appropriés, des difficultés de traitement, de la durée de vie et du coût.
Fibres de soie d'araignée
La soie d'araignée est un autre matériau prometteur pour l'utilisation de matériaux composites. La soie d'araignée présente une ductilité élevée, permettant l'étirement d'une fibre jusqu'à 140 % de sa longueur normale. [ 11 ] La soie d'araignée conserve également sa résistance à des températures aussi basses que -40 °C. [ 11 ] Ces propriétés font de la soie d'araignée un matériau fibreux idéal pour la production de matériaux composites ductiles qui conserveront leur résistance même à des températures anormales. Les matériaux composites ductiles seront bénéfiques pour un avion dans les pièces soumises à des contraintes variables, comme l'assemblage d'une aile avec le fuselage principal. La résistance, la ténacité et la ductilité accrues d'un tel composite permettront d'appliquer des contraintes plus importantes à la pièce ou à l'assemblage avant qu'une défaillance catastrophique ne se produise. Les composites à base de soie d'araignée synthétique auront également l'avantage que leurs fibres seront biodégradables.
De nombreuses tentatives infructueuses ont été faites pour reproduire la soie d'araignée en laboratoire, mais une resynthèse parfaite n'a pas encore été obtenue. [ 12 ]
Tôles d'acier composites hybrides
Un autre matériau prometteur est l'acier inoxydable, fabriqué à partir de composites, de fibres nanotechnologiques et de contreplaqué. Les tôles d'acier sont fabriquées dans le même matériau et se manipulent et s'usinent exactement de la même manière que l'acier conventionnel. Elles sont toutefois légèrement plus légères pour une résistance équivalente. Ceci est particulièrement précieux pour la construction automobile. Brevet en instance, l'entreprise suédoise Lamera est issue de la recherche de Volvo Industries.
Conclusion
Grâce à leur rapport résistance/poids plus élevé, les matériaux composites présentent un avantage sur les matériaux métalliques conventionnels ; leur fabrication reste toutefois coûteuse à l'heure actuelle. Tant que des techniques permettant de réduire les coûts initiaux de mise en œuvre et de résoudre le problème de la non-biodégradabilité des composites actuels ne seront pas mises en place, ce matériau relativement nouveau ne pourra pas remplacer complètement les alliages métalliques traditionnels.
Références
- ↑ Jump up to: 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Modélisation de surface pour matériaux composites - SIAG GD - Récupéré sur http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Matériaux de A à Z - Composites : une introduction de base - Consulté à l'adresse http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑ Jump up to: 3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Récupéré sur http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑ Jump up to: 4.0 4.1 Le Boeing 787 Dreamliner a un problème de composite - Zimbio - Consulté à l'adresse http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Peeters, PM et al. - Efficacité énergétique des avions commerciaux (p. 16) - Consulté à l'adresse http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑ Jump up to: 6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Récupéré de http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Étude de l'impact environnemental des composites - Consulté sur http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑ Jump up to: 8.0 8.1 Textile Insight - Composites textiles verts - Récupéré sur http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Matériaux de A à Z - Matériaux composites haute performance fabriqués à partir de plastiques renforcés de fibres naturelles biodégradables - Consulté sur http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Université Bordeaux - Composites à matrice céramique - Consulté sur http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑ Jump up to: 11.0 11.1 Département de chimie - Université de Bristol - Consulté à l' adresse http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - Les araignées fabriquent de la soie dorée - Consulté sur http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
| Auteurs | BSKukreja , Johan Löfström |
|---|---|
| Licence | CC-BY-SA-3.0 |
| Organisations | Université Queen's |
| Citer comme | BSKukreja , Johan Löfström (2009-2025). "Les composites dans l'industrie aéronautique" . Appropédie . Récupéré le 8 août 2025 . |
