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Longtemps dépendants des matériaux en fibre de carbone thermodurcissables pour fabriquer des pièces structurelles composites très résistantes pour les avions, les équipementiers de l'aérospatiale adoptent désormais une autre classe de matériaux en fibre de carbone alors que les progrès technologiques promettent la fabrication automatisée de nouvelles pièces non thermodurcies à haut volume, à faible coût et poids plus léger.

Alors que les matériaux composites thermoplastiques à base de fibre de carbone « existent depuis longtemps », ce n'est que récemment que les constructeurs aérospatiaux ont pu envisager leur utilisation généralisée dans la fabrication de pièces d'avion, y compris les composants structurels primaires, a déclaré Stéphane Dion, vice-président de l'ingénierie de l'unité Advanced Structures de Collins Aerospace.

Les composites thermoplastiques en fibre de carbone offrent potentiellement aux équipementiers de l'aérospatiale plusieurs avantages par rapport aux composites thermodurcis, mais jusqu'à récemment, les fabricants ne pouvaient pas fabriquer de pièces à partir de composites thermoplastiques à des cadences élevées et à faible coût, a-t-il déclaré.

Au cours des cinq dernières années, les équipementiers ont commencé à regarder au-delà de la fabrication de pièces à partir de matériaux thermodurcis à mesure que la science de la fabrication de pièces composites en fibre de carbone se développait, d'abord en utilisant des techniques d'infusion de résine et de moulage par transfert de résine (RTM) pour fabriquer des pièces d'avion, puis utiliser des composites thermoplastiques.

GKN Aerospace a investi massivement dans le développement de sa technologie d'infusion de résine et RTM pour la fabrication de composants structurels d'avions gros porteurs à un prix abordable et à des tarifs élevés. GKN fabrique désormais un longeron d'aile composite monobloc de 17 mètres de long en utilisant la fabrication par infusion de résine, selon Max Brown, vice-président de la technologie pour l'initiative de technologies avancées Horizon 3 de GKN Aerospace.

Les investissements massifs des équipementiers dans la fabrication de composites au cours des dernières années ont également inclus des dépenses stratégiques dans le développement de capacités permettant la fabrication en grand volume de pièces thermoplastiques, selon Dion.

La différence la plus notable entre les matériaux thermodurcis et thermoplastiques réside dans le fait que les matériaux thermodurcis doivent être conservés au froid avant d'être façonnés en pièces, et une fois façonnées, une pièce thermodurcie doit subir un durcissement pendant de nombreuses heures dans un autoclave. Les processus nécessitent beaucoup d’énergie et de temps, et les coûts de production des pièces thermodurcies ont donc tendance à rester élevés.

Le durcissement modifie de manière irréversible la structure moléculaire d’un composite thermodurci, donnant à la pièce sa résistance. Cependant, au stade actuel du développement technologique, le durcissement rend également le matériau de la pièce impropre à une réutilisation dans un composant structurel primaire.

Cependant, les matériaux thermoplastiques ne nécessitent pas de stockage au froid ni de cuisson lorsqu'ils sont transformés en pièces, selon Dion. Ils peuvent être estampés dans la forme finale d'une pièce simple (chaque support des cadres de fuselage de l'Airbus A350 est une pièce composite thermoplastique) ou dans une étape intermédiaire d'un composant plus complexe.

Les matériaux thermoplastiques peuvent être soudés ensemble de différentes manières, permettant ainsi de fabriquer des pièces complexes aux formes très précises à partir de sous-structures simples. Aujourd'hui, on utilise principalement le soudage par induction, qui permet uniquement de réaliser des pièces plates et d'épaisseur constante à partir de sous-pièces, selon Dion. Cependant, Collins développe des techniques de soudage par vibration et par friction pour l'assemblage de pièces thermoplastiques, qui, une fois certifiées, devraient lui permettre à terme de produire « des structures complexes vraiment avancées », a-t-il déclaré.

La capacité de souder ensemble des matériaux thermoplastiques pour créer des structures complexes permet aux fabricants de supprimer les vis métalliques, les attaches et les charnières nécessaires aux pièces thermodurcies pour l'assemblage et le pliage, créant ainsi un avantage de réduction de poids d'environ 10 %, estime Brown.

Pourtant, selon Brown, les composites thermoplastiques adhèrent mieux aux métaux que les composites thermodurcis. Alors que la R&D industrielle visant à développer des applications pratiques pour cette propriété thermoplastique reste « à un niveau de maturité technologique précoce », elle pourrait éventuellement permettre aux ingénieurs aérospatiaux de concevoir des composants contenant des structures hybrides intégrées thermoplastiques et métalliques.

Une application potentielle pourrait, par exemple, être un siège passager d'avion de ligne léger et monobloc contenant tous les circuits métalliques nécessaires à l'interface utilisée par le passager pour sélectionner et contrôler ses options de divertissement à bord, l'éclairage du siège, le ventilateur de plafond. , inclinaison du siège à commande électronique, opacité des stores et autres fonctions.

Contrairement aux matériaux thermodurcis, qui doivent durcir pour produire la rigidité, la résistance et la forme requises des pièces dans lesquelles ils sont fabriqués, les structures moléculaires des matériaux composites thermoplastiques ne changent pas lorsqu'ils sont transformés en pièces, selon Dion.

En conséquence, les matériaux thermoplastiques sont beaucoup plus résistants à la rupture lors d'un impact que les matériaux thermodurcis, tout en offrant une ténacité et une résistance structurelles similaires, voire plus fortes. "Vous pouvez ainsi concevoir des [pièces] avec des épaisseurs beaucoup plus fines", a déclaré Dion, ce qui signifie que les pièces thermoplastiques pèsent moins que toutes les pièces thermodurcies qu'elles remplacent, même en dehors des réductions de poids supplémentaires résultant du fait que les pièces thermoplastiques ne nécessitent pas de vis ou de fixations métalliques. .

Le recyclage des pièces thermoplastiques devrait également s'avérer un processus plus simple que le recyclage des pièces thermodurcies. Dans l’état actuel de la technologie (et pour un certain temps encore), les changements irréversibles de la structure moléculaire produits par le durcissement des matériaux thermodurcis empêchent l’utilisation de matériaux recyclés pour fabriquer de nouvelles pièces de résistance équivalente.

Le recyclage des pièces thermodurcies consiste à broyer les fibres de carbone du matériau en petites longueurs et à brûler le mélange de fibres et de résine avant de le retraiter. Le matériau obtenu pour le retraitement est structurellement plus faible que le matériau thermodurci à partir duquel la pièce recyclée a été fabriquée, de sorte que le recyclage des pièces thermodurcies en de nouvelles transforme généralement « une structure secondaire en une structure tertiaire », a déclaré Brown.

D'autre part, comme les structures moléculaires des pièces thermoplastiques ne changent pas au cours des processus de fabrication et d'assemblage des pièces, elles peuvent simplement être fondues sous forme liquide et retraitées en pièces aussi résistantes que les originales, selon Dion.

Les concepteurs d’avions peuvent choisir parmi une large sélection de matériaux thermoplastiques différents disponibles pour la conception et la fabrication de pièces. "Une gamme assez large de résines" est disponible dans laquelle des filaments de fibre de carbone unidimensionnels ou des tissages bidimensionnels peuvent être intégrés, produisant différentes propriétés matérielles, a déclaré Dion. « Les résines les plus intéressantes sont les résines à faible point de fusion », qui fondent à des températures relativement basses et peuvent donc être façonnées et formées à des températures plus basses.

Différentes classes de thermoplastiques offrent également différentes propriétés de rigidité (élevée, moyenne et faible) et une qualité globale, selon Dion. Les résines de la plus haute qualité sont celles qui coûtent le plus cher et leur prix abordable représente le talon d'Achille des thermoplastiques par rapport aux matériaux thermodurcis. En règle générale, ils coûtent plus cher que les thermodurcissables, et les constructeurs aéronautiques doivent en tenir compte dans leurs calculs de conception coûts/avantages, a déclaré Brown.

C'est en partie pour cette raison que GKN Aerospace et d'autres continueront de se concentrer principalement sur les matériaux thermodurcissables lors de la fabrication de grandes pièces structurelles pour avions. Ils utilisent déjà largement des matériaux thermoplastiques pour fabriquer des pièces structurelles plus petites telles que des empennages, des gouvernails et des spoilers. Bientôt, cependant, lorsque la fabrication en grand volume et à faible coût de pièces thermoplastiques légères deviendra courante, les fabricants les utiliseront beaucoup plus largement, en particulier sur le marché en plein essor de l'eVTOL UAM, a conclu M. Dion.

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