Le casse-tête de la modélisation

Avec leur structure complexe, les composites sont difficiles à modéliser. Mais ils vont devoir se plier à la simulation informatique pour développer leur industrialisation.

Le passage à l'âge adulte des composites passera par la modélisation ! Après une ère marquée par l'empirisme, les essais en grandeur réelle et la production artisanale, les composites vont devoir se plier aux modèles numériques et à la simulation informatique. « La capacité à bien modéliser le matériau va conditionner la capacité à faire entrer le composite dans l'automobile », assure Marc Perraudin, le directeur de l'innovation de Plastic Omnium. Contrairement aux métaux, les composites sont hétérogènes et anisotropes. Autrement dit, leur structure, faite de fibres et de résines, est complexe et leurs propriétés mécaniques ne sont pas les mêmes suivant la direction des contraintes. Autre particularité : le matériau est conçu en même temps que la pièce elle-même.

Entre les choix possibles de résines, de direction et de nature des fibres, de nombre de couches de tissus, les possibilités sont quasi infinies. Et les dimensions toujours plus importantes des pièces réalisées ne font qu'accentuer le problème. « Beaucoup de données sont nécessaires pour décrire le comportement des composites, confirme Patrick de Luca, le responsable solutions composites au sein de l'éditeur de logiciels ESI Group. Mais la simulation a un véritable intérêt économique. » Au stade de la conception du matériau, la modélisation peut servir à augmenter ses performances. Déterminer à l'avance les zones où se situeront les efforts mécaniques permettrait, par exemple, de placer les fibres aux bons endroits.

Cette problématique de dimensionnement se pose avec acuité dans l'aéronautique. « En général, les industriels surdimensionnent leurs pièces composites, considère Laurent Delsart, le responsable des programmes de partenariat composites chez Dassault Systèmes. Une marge de sécurité qui induit des surcoûts et ne permet pas vraiment de tirer avantage des propriétés de ces matériaux. » La cinétique de polymérisation des composites - la cuisson des résines - et l'injection dans les moules auraient tout intérêt à être modélisées, tant les réactions chimiques et les phénomènes thermiques mis en oeuvre sont nombreux. L'enjeu porte sur le contrôle de la répartition de la matière dans l'espace et la réduction du nombre de bulles de gaz qui peuvent se former. Là aussi, les performances s'en trouveraient améliorées.

« Le comportement des outillages nécessite aussi d'être simulé, affirme Christophe Champenois, le responsable du pôle ingénierie des polymères et des composites au Cetim (Centre technique des industries mécaniques). La modélisation permet de s'assurer par exemple de la bonne homogénéité de la température et de la pression dans les moules de presse et les autoclaves. » L'exigence de cadences de production plus importantes conduit à mettre au point des modèles prenant en compte ces interactions matériaux / outils. Ils permettront de connaître les temps de cycle optimaux pour la production de telle ou telle pièce. L'intégration de tous ces paramètres doit permettre de décrire au plus juste la pièce finie : sa géométrie, la direction des fibres, la porosité...

Les éditeurs de logiciel s'adaptent en permanence aux exigences des industriels. Dassault Systèmes va ainsi présenter lors du prochain salon JEC Composites, qui se tiendra à Paris du 13 au 15 avril, une plate-forme logicielle PLM adaptée aux composites qui intègre toutes les étapes allant du design à la fabrication, en passant par la simulation. « Elle permet de modéliser le process de production non plus de manière séquentielle, comme c'est généralement le cas, mais de façon collaborative entre les différents corps de métier », explique Laurent Delsart. De son côté, ESI Group commercialisera en juillet une version de son logiciel de simulation de fabrication PAM-RTM, « qui permettra pour la première fois de traiter fidèlement la modélisation de très grandes pièces comme les pales d'éoliennes et les grandes pièces aéronautiques », souligne Patrick de Luca.

Pour décrire le comportement d'une pièce à la sortie de l'usine, l'outil informatique reste primordial. Comment cette aile d'avion va-t-elle réagir après une collision avec un oiseau ? Quel choc peut supporter cette portière de voiture ? Cette pâle d'éolienne va-t-elle bien résister à l'ensoleillement ? Autant de questions auxquelles les industriels répondent dans bien des cas par des tests en grandeur réelle. Du coup, avec la modélisation, les coûteux prototypes pourraient être remisés au placard. « Le temps de développement d'un véhicule se situe entre trois et cinq ans, contre plus de dix ans dans l'aéronautique, commente Marc Perraudin. La simulation numérique est la seule chose que nous pouvons nous offrir pour valider nos produits en aussi peu de temps. »

Dans l'aéronautique, la simulation de crash d'avions représente un point clé de la modélisation en raison des exigences réglementaires. « Nous devons déterminer le niveau d'endommagement des réservoirs en cas d'accident, précise Alain Tropis, le directeur du centre de compétences structures chez Airbus. Il faut aussi savoir comment réagissent les composites, matériaux peu plastiques, contrairement aux métaux qui peuvent se déformer sans se casser. » Prochaine étape pour le constructeur européen : la mise au point d'un logiciel capable de modéliser l'ensemble d'un avion, et non plus, comme c'est le cas aujourd'hui, seulement certaines zones d'un appareil. La modélisation accompagnera le grand bond en avant des composites.