« Nous sommes à un moment clé pour les composites thermoplastiques. Les technologies arrivent à maturité pour nous permettre de produire des pièces plus légères, à coût contenu et à forte cadence », affirmait Jean-Luc Daligault, lors d’une journée technique de la Society for the advancement of material and process engineering (Sampe), fin 2019. Pour le responsable de la transformation industrielle de Daher, cela ne fait aucun doute : les thermoplastiques vont donner un nouvel élan aux composites. Et l’équipementier aéronautique ne veut pas rater le coche. Non content de posséder, à Nantes, la plus grande usine d’Europe dédiée aux pièces thermoplastiques, il a renforcé sa R&D en 2019 en rachetant le spécialiste néerlandais des matériaux hautes performances KVE Composites. Une acquisition qualifiée par Daher de « stratégique ».
Apparus dans les années 1980, les composites thermoplastiques ont peu à peu grignoté des parts de marché à leurs homologues thermodurcissables. Selon JEC Composites, ils représentaient 39 % des pièces composites produites dans le monde en 2019, contre 29 % en 2000. Et selon MarketsandMarkets, leur marché devrait connaître une croissance annuelle moyenne de 7,5 % en valeur entre 2020 et 2025, liée à une production de pièces de plus en plus techniques.
Dépasser les limites des thermodurcissables
Les thermodurcissables ont été privilégiés pendant de nombreuses années. Il s’agit principalement de résines époxy ou de polyesters insaturés (UP) liquides. Leur fluidité, qui assure une imprégnation en profondeur du renfort fibreux, même sans forte pression, leur permet d’être mis en œuvre avec des techniques manuelles. Leur solidification par polymérisation, avec création de liaisons covalentes, confère en outre au matériau final d’excellentes propriétés mécaniques.
Revers de la médaille, cette polymérisation nécessite une phase de cuisson en autoclave pendant laquelle le matériau est monté en température et en pression. Matériau qui, étant donné la force des liaisons chimiques et sa nature complexe, reste impossible à recycler. Un inconvénient non négligeable alors que la pression réglementaire s’accentue autour de l’économie circulaire.
En revanche, la transformation des thermoplastiques – tels que les polypropylènes (PP) ou les polyamides (PA) – est réversible. Il s’agit d’un changement de phase solide-liquide (très visqueux) intervenant à la température de fusion du matériau. Le matériau thermoplastique est chauffé pour être mis en forme, puis refroidi. Il n’a plus besoin de passer en autoclave, ce qui réduit les temps de cycle.
S'affranchir de la polymérisation
« Même si des progrès ont été réalisés sur les temps de cycle des thermodurcissables, nous arrivons aujourd’hui aux limites, estime Lucien Fiore, le directeur du développement du marché chez le producteur de préimprégnés Hexcel. Si nous voulons réduire encore davantage les temps de production, il faut s’affranchir de la phase de polymérisation et donc passer aux thermoplastiques. »
Toutefois, de nombreux verrous techniques doivent être levés pour effectuer cette transition. La matière, plus visqueuse qu’une résine thermodurcissable sous forme liquide, nécessite des procédés industriels adaptés pour garantir une bonne imprégnation des fibres. Dans ce domaine, le processus d’injection et ses dérivés, comme le moulage par transfert de résine (RTM), offrent des résultats intéressants.
Avec sa résine Elium, le chimiste Arkema a mis au point un thermoplastique à base d’acrylate qui se présente sous une forme liquide à pression et température ambiantes. Cette résine atypique – les autres thermoplastiques sont vendus sous forme de granulés ou de rubans – est donc compatible avec la majorité des processus liés aux thermodurcissables, tout en conservant les propriétés des thermoplastiques, comme la recyclabilité.
Concevoir des pièces couche à couche grâce aux « tapes »
Une autre solution, suivie de près par les industriels, consiste à utiliser des rubans de fibres longues unidirectionnelles imprégnées de thermoplastiques, des « tapes ». Grâce à un robot de placement de fibres (AFP) équipé d’un laser permettant de faire passer rapidement la résine à sa température de fusion, le matériau peut être mis en œuvre directement sur une préforme. Cette technique permet de se passer à la fois d’un moule fermé, nécessaire au procédé d’injection, et de l’autoclave. La pièce est conçue in situ, couche à couche. « Avec cette technique, l’industriel est capable de mettre la juste quantité de matière là où il faut, souligne Jean-Paul Moulin, expert de la R&D des composites chez Arkema. Les caractéristiques mécaniques de la pièce sont parfaitement maîtrisées. »
Des travaux sont en cours afin de produire des pièces très hautes performances avec ce procédé. En juillet 2019, Hexcel s’est associé à Arkema pour lancer Haicopas (highly automatized integrated composites for performing adaptable structures). Regroupant plusieurs partenaires industriels, dont Coriolis et Pinette Emidecau Industries, ainsi que des laboratoires du CNRS, ce consortium vise à développer des procédés pour mettre au point des tapes en fibre de carbone avec une matrice en polyéthercétonecétone (Pekk), un thermoplastique très haute performance qui ouvrirait la voie à de nouvelles applications en aéronautique.
Quand les composites joignent les deux bouts
La réversibilité de la matrice thermoplastique offre de nouvelles possibilités pour l’assemblage. Si les pièces thermodurcissables doivent être collées ou rivetées – ce qui alourdit l’ensemble –, elles peuvent être soudées entre elles. Pour cela, il faut chauffer localement les deux pièces à assembler, maintenir une pression entre elles, puis les refroidir. Plusieurs techniques peuvent être utilisées : laser, ultrasons, soudure par résistance ou par induction. Cette dernière solution présente des performances prometteuses et intéresse les industriels de l’aéronautique. Daher a ainsi racheté le néerlandais KVE, spécialiste de cette technologie. De leur côté, Latécoère, Stelia Aerospace, Arkema et Hexcel ont remporté un JEC award 2020 pour une tête de soudage par induction à très haute performance.
