Le grand bond en avant des composites

Aéronautique, automobile, BTP, énergies renouvelables... Les industriels se tournent massivement vers ces matériaux. Mais, à l'avenir, les composites vont devoir s'industrialiser à des coûts acceptables.

Les matériaux composites offrent une palette infinie d'applications. Depuis leur conception dans les années 1960, ils ont investi un grand nombre de secteurs. Aujourd'hui, ils s'intègrent dans les avions, les voitures, mais aussi les raquettes de tennis, les éoliennes, les cuves pour la pétrochimie, les façades d'immeubles, etc. Le constructeur allemand BMW prévoit la sortie pour 2013 d'un véhicule avec un châssis en fibres de carbone, le nec plus ultra en matière de composites. Le motoriste CFM International, un joint-venture entre Snecma et General Electric, devrait démarrer vers 2012 les essais du Leap X, un moteur avec des aubes de soufflante en composite...

Malgré la crise économique, le marché mondial des composites continue de progresser. Evalué à 60 milliards d'euros en 2008, il pourrait atteindre les 85 milliards en 2013. Preuve de cette montée en puissance dans l'industrie : les composites représentaient 7 % du poids de l'Airbus A320 dans les années 1980 ; leur part atteindra 53 % du poids du futur A350 qui volera en 2013. Soit l'équivalent de son concurrent le Boeing 787, le Dreamliner.Cet engouement s'explique par leurs performances : légèreté, et donc réduction de la consommation de carburant, absence de corrosion, sans oublier une excellente résistance à la fatigue. Des caractéristiques issues de la nature physique des composites, un mélange de résine et de fibres plus ou moins longues, qui assurent la rigidité de la pièce.

Les composites ont bousculé l'univers des matériaux et ont remis en cause la suprématie des métaux dans l'industrie. Mais ce succès indiscutable ne doit pas cacher les multiples difficultés que rencontrent les industriels dans la mise en oeuvre de matériaux pour lesquels ils ont encore peu de retours d'expériences. Sans compter que les composites sont encore très coûteux, leur prix dépendant directement de celui du pétrole.

AUGMENTER LES CADENCES DE PRODUCTION

Jusqu'où peut aller leur développement ? A quels défis doivent répondre les producteurs de composites pour assurer leur compétitivité ? L'équation économique est complexe. Mais l'objectif est simple : produire mieux, plus vite et moins cher. Autrement dit, pousser les composites au-delà de leurs limites actuelles. « Nous approchons d'un maximum dans leur utilisation, estime Pascal Dublineau, le responsable recherches et technologies au Technocampus EMC2 de Nantes (Loire-Atlantique). Et rien ne dit qu'il n'y aura pas une inversion de tendance si nous ne mettons pas au point des technologies compétitives. »

Premier défi à relever : « Il faut penser composites », résume Nicolas Orance, le président du pôle de compétitivité EMC2 basé à Nantes. Une gageure, alors que beaucoup d'industriels conçoivent des pièces en composites comme ils le feraient avec des métaux. Un comportement mimétique qui ne permet pas de tirer pleinement profit de leurs propriétés. « Grâce aux composites, les industriels peuvent concevoir des pièces d'un seul tenant, sans jonction, limitant de fait les points de fragilité et les inspections de contrôle », précise Alain Tropis, le directeur du centre de compétences structures d'Airbus.

La compétitivité des matériaux composites passe aussi par une augmentation des cadences de production. C'est déjà le cas dans l'automobile. « Sur les chaînes de production d'équipements pour voitures, les temps de cycle durent environ une minute, alors qu'ils peuvent atteindre plusieurs heures dans l'aéronautique », chiffre Marc Perraudin, le directeur de l'innovation chez Plastic Omnium. Du coup, ce groupe, comme beaucoup d'autres, se tourne de plus en plus vers les résines thermoplastiques, mieux adaptées aux cadences élevées, au détriment des résines thermodurcissables, qui englobent encore plus de 60 % du marché des résines.

« Les thermoplastiques représentent l'avenir du développement des composites de structure dans l'industrie », assure Christophe Champenois, le responsable du pôle ingénierie des polymères et des composites au Centre technique des industries mécaniques (Cetim). La production de pièces en résine thermoplastique est plus rapide : il s'agit d'une simple injection de résine fondue dans un moule. Les thermoplastiques ont toutefois des performances mécaniques inférieures et leur développement suppose une amélioration de la cohésion entre la résine et les fibres.

Quoi qu'il en soit, si les composites ne représentent que quelques pour-cent du poids d'une voiture, cette part devrait vite s'accroître. Un règlement européen devrait renforcer l'application des normes de rejet de CO2 à partir de 2012 sous peine de pénalités pour les constructeurs. Les gains de poids offerts par les composites - et les réductions de consommation de carburant correspondantes - n'ont pas échappé aux constructeurs automobiles. « Les grands donneurs d'ordres changent leur regard sur ces matériaux, témoigne Marc Perraudin. Nous voyons apparaître un prix de marché du kilo gagné. »

PASSER AU DRAPAGE AUTOMATIQUE

Pour d'autres secteurs, comme l'aéronautique, la construction navale et les énergies renouvelables, c'est surtout la capacité à produire de grandes pièces sans faire exploser les coûts qui déterminera dans une large mesure l'avenir des composites. Les coûts du drapage, souvent réalisé manuellement et qui consiste à empiler sur un moule plusieurs couches de tissus, pourraient être réduits avec une dépose automatique. « Le placement automatisé des fibres a été un élément incontournable du développement de l'A350 », estime Philippe Savignard, le responsable composites chez Dassault Systèmes.

« Il faut passer à l'automatisation, préconise Clémentine Gallet, la présidente de Coriolis Composites, une PME spécialisée dans la vente de robots et de logiciels. Les hommes ne sont plus à l'échelle des pièces. » Les pièces d'avion et les pales d'éolienne en composites dépassent souvent les 30 mètres. L'intérêt d'automatiser le drapage ne se résume pas à une baisse des coûts de production : cela permet une reproductibilité des matériaux (nécessaire pour répondre aux normes et aux certifications), augmente la qualité et donc la performance des pièces, diminue la quantité de matériaux mis au rebut...

CONCEVOIR DES MATÉRIAUX INTELLIGENTS

L'automatisation est un gage de compétitivité pour les producteurs européens. D'après le JEC Composites, l'organisme de promotion internationale des composites, 83 % des procédés sont automatisés en Europe, contre 68 % en Asie. Une avance qu'il va falloir maintenir. Si un secteur comme l'aéronautique est prêt à mettre la main au portefeuille pour investir, les secteurs émergents sont plus regardants à la dépense. Laurent Vergnet, le directeur des opérations et de la maintenance chez le constructeur d'éoliennes Vergnet, basé à Saran (Loiret), admet ne pas pouvoir investir dans de telles machines. Et continue de fabriquer ses pâles de manière 100 % artisanale...

Les industriels cherchent également à intégrer de nouvelles fonctions dans les composites pour concevoir des matériaux « intelligents ». « Nous travaillons à l'intégration d'antennes de communication dans les matériaux composites des navires », explique Patrick Parneix, expert matériaux chez DCNS. Les composites pourraient aussi participer à l'amélioration de la furtivité des bateaux et des sous-marins. Même tendance au sein d'Airbus : « Nous pensons intégrer des nanoparticules métalliques dans les composites afin de les rendre conducteurs et protéger ainsi les avions de la foudre », souligne Alain Tropis.

Isolation thermique, électrique, acoustique... L'aéronautique mène des recherches tous azimuts. Une démarche qui signe l'entrée des matériaux composites dans une nouvelle ère. .