Utilisation de divers matériaux dans le Boeing 787 Dreamliner. [1]

Les matériaux composites W sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique et ont permis aux ingénieurs de surmonter les obstacles rencontrés lors de l'utilisation individuelle des matériaux. Les matériaux constitutifs conservent leur identité dans les composites et ne se dissolvent pas ou ne se fondent pas complètement les uns dans les autres. Ensemble, les matériaux créent un matériau « hybride » doté de propriétés structurelles améliorées.

Le développement de matériaux composites légers et résistants aux températures élevées permettra de matérialiser la prochaine génération de modèles d’avions économiques et performants. L'utilisation de tels matériaux réduira la consommation de carburant, améliorera l'efficacité et réduira les coûts d'exploitation directs des avions.

Les matériaux composites peuvent être façonnés sous diverses formes et, si vous le souhaitez, les fibres peuvent être enroulées étroitement pour augmenter leur résistance. Une caractéristique utile des composites est qu’ils peuvent être superposés, les fibres de chaque couche s’étendant dans une direction différente. Cela permet à un 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 composites de base

Exemple de matériau composite de base.

Dans un composite de base, un matériau agit comme une matrice de support, tandis qu'un autre matériau s'appuie sur cet échafaudage de base et renforce l'ensemble du matériau. La formation du matériau peut être un processus coûteux et complexe. Essentiellement, une matrice de matériau de base est disposée dans un moule sous haute température et pression. Un époxy ou une résine est ensuite coulé sur le matériau de base, créant un matériau solide lorsque le matériau composite est refroidi. Le composite peut également être produit en incorporant des fibres d'un matériau secondaire dans la matrice de base.

Les composites ont une bonne résistance à la traction et à la compression, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans la fabrication de pièces d'avion. La résistance à la traction du matériau vient de sa nature fibreuse. Lorsqu'une force de traction est appliquée, les fibres du composite s'alignent dans la direction de la force appliquée, donnant ainsi sa résistance à la traction. La bonne résistance à la compression peut être attribuée aux propriétés adhésives et de rigidité du système matriciel de base. C'est le rôle de la résine de maintenir les fibres sous forme de colonnes droites et d'éviter qu'elles ne se déforment.

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 pour un poids plus léger. Cela conduit à une amélioration du rendement énergétique et des performances d’un avion. [3] [4]

Le rôle des composites dans l'industrie aéronautique

Utilisation de divers matériaux dans le Boeing 787 Dreamliner. [1]

La fibre de verre est le matériau composite le plus courant et se compose de fibres de verre incorporées dans une matrice de résine. La fibre de verre a été largement utilisée pour la première fois dans les années 1950 pour les bateaux et les automobiles. La fibre de verre a été utilisée pour la première fois dans le Boeing 707 dans les années 1950, où elle représentait environ 2 % de la structure. Chaque génération de nouveaux avions construits par Boeing utilisait un pourcentage accru de matériaux composites ; le plus élevé étant une utilisation de 50 % de composite dans le 787 Dreamliner .

Le Boeing 787 Dreamliner sera le premier avion commercial dont les principaux éléments structurels sont constitués de matériaux composites plutôt que d'alliages d'aluminium. [1] Cet avion passera des composites archaïques en fibre de verre à des composites stratifiés en carbone et en sandwich au carbone plus avancés. Des problèmes ont été rencontrés avec le caisson d'aile du Dreamliner, attribués à une rigidité insuffisante des matériaux composites utilisés pour construire la pièce. [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 qui restent à construire. [1]

Essais de matériaux composites

Il s'est avéré difficile de modéliser avec précision les performances d'une pièce en composite par simulation informatique en raison de la nature complexe du matériau. Les composites sont souvent superposés pour plus de résistance, mais cela complique la phase de test avant fabrication, car les couches sont orientées dans des directions différentes, ce qui rend difficile de prédire comment elles se comporteront lors des tests. [1]

Des tests de contraintes mécaniques peuvent également être effectués sur les pièces. Ces tests commencent avec des modèles à petite échelle, puis passent à des parties de plus en plus grandes de la structure, et enfin à la structure complète. Les pièces structurelles sont placées dans des machines hydrauliques qui les plient et les tordent pour imiter des contraintes qui vont bien au-delà des pires conditions attendues lors de vols réels.

Facteurs d'utilisation des matériaux composites

La réduction de poids constitue le plus grand avantage de l’utilisation de matériaux composites et constitue l’un des facteurs clés dans les décisions concernant leur choix. D'autres avantages incluent sa haute résistance à la corrosion et sa résistance aux dommages dus à la fatigue. Ces facteurs jouent un rôle dans la réduction des coûts d’exploitation de l’avion à long terme, améliorant ainsi encore son efficacité. Les composites ont l’avantage de pouvoir prendre presque n’importe quelle forme à l’aide du processus de moulage, mais cela aggrave le problème de modélisation déjà difficile.

Un inconvénient majeur de l’utilisation des composites est qu’il s’agit d’un matériau relativement nouveau et qu’en tant que tel, leur coût est élevé. Le coût élevé est également attribué au processus de fabrication exigeant en main-d’œuvre et souvent complexe. Les composites sont difficiles à inspecter pour déceler leurs défauts, alors que certains d’entre eux absorbent l’humidité.

Même s’il est plus lourd, l’aluminium, en revanche, est facile à fabriquer et à réparer. Il peut être bosselé ou percé tout en tenant ensemble. Les composites ne sont pas comme ça ; s’ils sont endommagés, ils nécessitent une réparation immédiate, ce qui est difficile et coûteux.

Économies de carburant avec un poids réduit

La consommation de carburant dépend de plusieurs variables, notamment : le poids à sec de l'avion, le poids de la charge utile, l'âge de l'avion, la qualité du carburant, la vitesse de l'air, la météo, entre autres. 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 du 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 auprès d’une source externe. [5]

Donné:

  • Poids à vide en fonctionnement (OEW) : 129 300 kg
  • Poids maximum sans carburant (MZFW) : 178 000 kg
  • Masse maximale au décollage (MTOW) : 275 000 kg
  • Max. Plage @ Max. Poids : 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 maximum du carburant = MTOW - MZFW = 97 000 kg

Ainsi, nous pouvons calculer davantage la consommation de carburant en kg/km sur la base du poids maximum de 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 reste constant :

  • MZFW (nouveau) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
  • MTOW (nouveau) = 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 maximum et l'autonomie maximale sont des quantités inversement proportionnelles.

Utiliser des ratios simples pour calculer la nouvelle plage :

249,320kg275,000kg=dix,458kmXkm{\displaystyle {\frac {249 320 kg}{275 000 kg}}={\frac {10 458 km}{Xkm}}}{\displaystyle {\frac {249 320 kg}{275 000 kg}}={\frac {10 458 km}{Xkm}}}

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

Le recyclage des pièces des avions mis hors service est possible. [6]

Une évolution se dessine de plus en plus vers l'ingénierie verte . Notre environnement fait l’objet d’une réflexion et d’une attention accrues de la part de la société d’aujourd’hui. Cela est également vrai pour la fabrication de matériaux composites.

Comme mentionné précédemment, les composites ont un poids plus léger et des valeurs de résistance similaires à celles des matériaux plus lourds. Lorsque le composite plus léger est transporté ou utilisé dans une application de transport, la charge environnementale est inférieure à celle des alternatives plus lourdes. Les composites sont également plus résistants à la corrosion que les matériaux à base métallique, ce qui signifie que les pièces dureront plus longtemps. [7] Ces facteurs se combinent pour faire des composites de bons matériaux alternatifs d'un point de vue environnemental.

Les matériaux composites produits de manière conventionnelle sont fabriqués à partir de fibres et de résines à base de pétrole et sont par nature non biodégradables. [8] Cela pose un problème important dans la mesure où la plupart des composites finissent dans une décharge une fois leur cycle de vie terminé. [8] Des recherches importantes sont menées sur les composites biodégradables fabriqués à partir de fibres naturelles. [9] La découverte de matériaux composites biodégradables pouvant être facilement fabriqués à grande échelle et possédant des propriétés similaires aux composites conventionnels va révolutionner plusieurs industries, dont l'industrie aéronautique.

Une autre option pour soutenir les efforts environnementaux serait de recycler les pièces usagées des avions mis hors service. La « désingénierie » d'un avion est un processus complexe et coûteux, mais peut permettre aux entreprises de réaliser des économies en raison du coût élevé d'achat de pièces de première main. [6]

Matériaux composites du futur

Composites à matrice céramique

Des efforts majeurs sont en cours pour développer des matériaux composites légers et haute température à la National Aeronautics and Space Administration (NASA) destinés à être utilisés dans les pièces d'avions. Des températures aussi élevées que 1 650 °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 fonctionner, ce qui entraînera une augmentation du rendement. [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

Les scientifiques n’ont pas encore réussi à re-synthétiser parfaitement la 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 rendent la soie d'araignée idéale pour être utilisée comme matériau fibreux dans la production de matériaux composites ductiles qui conserveront leur résistance même à des températures anormales. Les matériaux composites ductiles seront bénéfiques à un avion dans des parties qui seront soumises à des contraintes variables, comme la jonction 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 synthétiques à base de soie d’araignée 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 réalisée. [12]

Tôles d'acier composites hybrides

Un autre matériau prometteur pourrait être l’acier inoxydable, construit en s’inspirant des composites, des fibres nanotechnologiques et du contreplaqué. Les tôles d'acier sont fabriquées dans le même matériau et sont capables de se manipuler et de s'usiner exactement de la même manière que l'acier conventionnel. Mais il est quelques pour cent plus léger pour les mêmes atouts. Ceci est particulièrement précieux pour la construction automobile. La société suédoise Lamera, en instance de brevet, est une spin-off de la recherche au sein de Volvo Industries.

Conclusion

En raison de leur rapport résistance/poids plus élevé, les matériaux composites ont un avantage sur les matériaux métalliques conventionnels ; bien que la fabrication de composites soit actuellement coûteuse. Tant que des techniques ne seront pas introduites pour réduire les coûts initiaux de mise en œuvre et résoudre le problème de la non-biodégradabilité des composites actuels, ce matériau relativement nouveau ne pourra pas remplacer complètement les alliages métalliques traditionnels.

Les références

  1. Aller jusqu'à :1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Modélisation de surfaces pour les matériaux composites - SIAG GD - Récupéré sur http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. ^ A à Z des matériaux - Composites : une introduction de base - Récupéré sur http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. Aller jusqu'à :3.0 3.1 INI International - Clé des métaux - Récupéré sur http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. Aller jusqu'à :4.0 4.1 Le 787 Dreamliner de Boeing a un problème de composition - Zimbio - Consulté sur http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+composite+problème
  5. ^ Peeters, PM et coll. - Efficacité énergétique des avions commerciaux (p. 16) - Consulté sur http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. Aller jusqu'à :6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Extrait de http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. Une étude de l'impact environnemental des composites - Récupéré sur http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. Aller jusqu'à :8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - Consulté sur http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. ^ A à Z des matériaux - Matériaux composites haute performance produits à partir de plastiques renforcés de fibres naturelles biodégradables - Récupéré sur http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Université Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Récupéré sur http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. Aller jusqu'à :11.0 11.1 Département de chimie - Université de Bristol - Consulté sur http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. ^ Wired Science - Les araignées fabriquent de la soie dorée - Récupéré sur http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
Icône d'information FA.svgIcône d'angle vers le bas.svgDonnées de page
Partie deMECH370
Mots clésavion , matériaux , traitement des matériaux
AuteursBSKukreja , Johan Löfström
LicenceCC-BY-SA-3.0
OrganisationsUniversité Queen's
Langueanglais (fr)
Traductionsitalien , portugais , slovaque , russe , chinois , hébreu , néerlandais , indonésien , turc , polonais
En rapport16 sous-pages , 23 pages lien ici
AliasL'utilisation des composites dans l'industrie aéronautique
Impact86 287 pages vues
Créé29 octobre 2009 par BSKukreja
Modifié29 janvier 2024 par Felipe Schenone
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