Composites Le défi du gigantisme

Des procédés industriels se développent pour réaliser de grandes pièces de structure complexes en composites : placement et tissage en 3 D des fibres de carbone, polymérisation en autoclave géant, injection de résine...

Les avionneurs voient très grand en matière de composites ! Ils ambitionnent désormais d'utiliser ces matériaux pour fabriquer d'un seul tenant les principales pièces de leurs appareils : tronçons du fuselage, pointe avant ou encore voilure. Soit des pièces pouvant dépasser 5 mètres de diamètre ou 20 mètres de long ! Une démarche logique pour profiter au maximum de leur principal avantage - jusqu'à 20 % de poids en moins -, mais risquée tant les process industriels diffèrent de ceux mis en oeuvre pour les alliages d'aluminium.

Boeing l'apprend à ses dépens aujourd'hui. L'avionneur américain accuse plus de deux ans de retard sur la livraison de son long courrier, le Dreamliner 787. Raison avancée : les tronçons de fuselage réalisés par ses fournisseurs Spirit Aerosystems et Alenia Aeronautica présentent des rides microscopiques nécessitant la pose de couches additionnelles de composites en renfort. Pire encore, selon certains spécialistes, ces sections de fuselage, aux dimensions mal maîtrisées, se joindraient mal les unes aux autres.

Des difficultés qui ne surprennent guère les spécialistes. « On n'a jamais conçu des pièces en composites d'aussi grandes dimensions. Or, pour de telles tailles, la maîtrise des déformations au cours de la cuisson devient réellement critique. Dans ce domaine, la maturité industrielle fait encore défaut », explique Gilles Rosenberger, un expert conseil des questions d'aérostructures composites, qui a notamment travaillé chez Safran.

Pour les avionneurs, ce changement d'échelle constitue un véritable saut dans l'inconnu. D'où la création de centres de recherches dédiés à la mise au point de process industriels spécifiques aux composites, comme le Technocampus EMC2 à Nantes. Inauguré en septembre dernier, il associe les spécialistes du secteur (Airbus, EADS, Daher...), des établissements de recherche et des écoles d'ingénieurs, et le Cetim. A son programme : l'évaluation de nouvelles machines (autoclave géant, machine à placement de fibres), l'optimisation de nouveaux procédés (injection de résine, contrôle non destructif par laser )... « Notre but est de définir les techniques qui permettront d'industrialiser le successeur de l'A 320 », indique Olivier Guillemot, le coordinateur des projets R et D d'Airbus à Nantes.

Pour mesurer le défi, il faut revenir à la nature même des matériaux composites, ces mélanges de résine et de fibres de carbone, allergiques aux traitements mécaniques. Plus question, donc, de découper, de riveter, de souder ou d'usiner, comme avec l'aluminium, sous peine de casser la fibre. D'où un processus de fabrication radicalement différent. « Avec les composites, on fabrique le matériau en même temps que la pièce », rappelle Olivier Guillemot. De fait, la fabrication repose sur deux étapes : le drapage, qui empile sur un moule des morceaux de tissu afin de lui donner la forme souhaitée ; et la polymérisation, soit la cuisson et la pressurisation de la pièce dans un autoclave. Pour réaliser des panneaux rectangulaires de quelques mètres carrés de surface, ces techniques développées depuis le début des années 1980 sont largement maîtrisées et... même délocalisées vers les pays à bas coût (Maroc, Mexique, Chine...). Pour passer à la vitesse supérieure, les industriels travaillent selon deux axes. D'une part, poser les fibres plus vite et de manière mieux contrôlée. C'est le rôle des machines dites à placement automatique de fibres. Au lieu de déposer des tissus de la taille d'une feuille A4 environ, les derniers robots déposent des dizaines de « lés » de tissus composites larges de seulement 6,35 mm. Autre avantage, chacune des épaisseurs est posée avec l'orientation voulue afin d'obtenir la tenue mécanique précisément souhaitée. L'autre défi est d'arriver à maîtriser la polymérisation dans des autoclaves géants. Une opération des plus délicates, puisqu'il s'agit de contrôler parfaitement, dans un volume gigantesque, une montée en température jusqu'à 180 °C, sous 7 bars de pression, et qui doit de plus être homogène dans toutes ses parties. « La fibre vit. Il est extrêmement difficile de prévoir avec exactitude son comportement sous de telles contraintes. Des déplacements de matière peuvent intervenir et dépasser les tolérances envisagées à l'origine par l'avionneur », explique l'expert en aérostructures Gilles Rosenberger. D'où l'idée tentante de se passer d'autoclave. L'alternative existe : le moulage par transfert de résine (procédé RTM). Dans un premier temps, une préforme de fibre sèche est réalisée puis positionnée dans un moule fermé, dans lequel on injectera ensuite la résine. Pour la réalisation de pièces de structure, la technologie nécessite un placement précis des fibres au moment de la constitution de la préforme et qui reste maîtrisé pendant la cuisson. Pour ces pièces qui reçoivent de fortes charges, les industriels ont trouvé la réponse avec un tissage en trois dimensions. Ce dispositif automatique offre une solution économique pour les pièces épaisses et assure une grande cohésion au coeur de la préforme. Les premières applications de cette technologie se retrouvent dans les contrefiches des trains d'atterrissage du Boeing 787 réalisées par Aircelle pour le compte de Messier-Dowty, ainsi que dans les aubes de réacteur des futurs moteurs que prépare Snecma.

Pour valider définitivement les nouveaux procédés de fabrication des pièces en composite, il faudra s'assurer de leur compatibilité avec une production en grande série. Une étape clé déjà réalisée, à son niveau, par le groupe Duqueine, basé dans l'Ain. L'entreprise a tiré profit de son expertise dans la fabrication des roues de vélo de compétition en fibre de carbone (jusqu'à 220 par jour) pour définir un process de production rapide des cadres de fuselage du futur A 350 XWB. Soit des poutres circulaires de 6 mètres de long présentant une double courbure suivant un profil en Z. Deux ans et demi de recherches ont été nécessaires pour mettre au point un process qui garantit la cohésion des différentes nappes de composites entre elles et leur homogénéité, malgré les différentes opérations de pliage et de cintrage. « Nos ingénieurs ont développé un procédé qui permet d'épanouir les fibres, c'est-à-dire de les écarter de manière régulière à la façon d'un éventail tout en évitant la rupture », explique son président, Gilles Duqueine. Par ailleurs, le mandrin accompagne le produit sur sa phase de déformation. Tout cela en respectant un positionnement des plus rigoureux. « Les plis sont déposés automatiquement sur des moules avec une tolérance d'un degré pour leur orientation et d'un demi-millimètre pour leur placement », explique le dirigeant. Son procédé, qui lui permettra de fabriquer jusqu'à 60 cadres par jour, a convaincu Airbus.

Mais la production en série n'est pas le seul obstacle à l'utilisation massive des composites dans les avions : il faudra aussi résoudre l'épineux problème de la protection contre la foudre. En effet, en chassant le métal au profit des composites, l'avion perd l'effet protecteur de la cage de Faraday. Différentes pistes sont à l'étude, de l'ajout de raidisseurs métalliques ou de grillages en bronze dans la structure de l'appareil, capables de faire passer l'électricité statique, à la dépose d'une peinture métallisée.

Cette dernière solution a déjà été retenue par l'électronicien Radiall pour protéger ses connecteurs électroniques composites embarqués sur le futur 787 (lire l'encadré plus haut) tout en respectant ses impératifs de production. Des exemples de pragmatisme industriel qui devraient inspirer toute la filière aéronautique, si elle ne souhaite pas que son virage vers les composites « à grande échelle » soit taxé de folie des grandeurs !