Toujours plus vite et à coût maîtrisé ! Les composites ont amorcé leur transition vers une production industrielle, s’affranchissant progressivement des procédés de fabrication manuels jusqu’alors dominants. La raison ? Une demande croissante des secteurs aéronautique et automobile pour ces matériaux aussi solides que l’acier et plus légers que l’aluminium. Cette combinaison de propriétés a priori antagonistes repose sur l’incorporation d’un renfort fibreux (fibre de verre ou de carbone) dans une matrice polymère (thermodurcissable ou thermoplastique). Elle permet d’alléger les véhicules, réduisant ainsi de manière significative leur consommation de carburant et les émissions de CO2 associées.
Depuis une décennie, les constructeurs automobiles cherchent à intégrer davantage de composites dans les véhicules particuliers. Certains experts prévoyaient, au tournant des années 2010, une véritable « révolution composite », avec la production en masse de véhicules au châssis 100 % composite. Celle-ci a fait long feu. « Même si c’est techniquement réalisable, les composites n’ont pas encore trouvé leur place dans la caisse en blanc des véhicules, principalement pour des questions de coûts et de cadence, explique Marc Perraudin, le directeur des nouvelles énergies chez Plastic Omnium. Ce sont des matériaux très onéreux à produire car, outre le prix élevé des fibres de carbone, il faut souvent doubler, voire tripler, les lignes de production pour atteindre les cadences requises par le secteur automobile. »
Atteindre une répétabilité parfaite du procédé
Néanmoins, jusqu’à l’année dernière, marquée par l’impact de la crise sanitaire liée au Covid-19, la part des composites dans l’automobile et l’aéronautique a progressé de manière continue. Entre 2015 et 2019, ces matériaux ont augmenté de 10,3 % dans les transports terrestres, passant de 2,9 millions de tonnes à 3,2 millions de tonnes, selon JEC Composites. Parallèlement, ils sont de plus en plus présents dans les avions, au point d’être majoritaires dans la composition de certains appareils. Si l’Airbus A 320 ne possédait que quelques pièces en composites, principalement l’empennage, l’A 380 en intègre 25 % (caisson central et empennage), et l’A 350, 52 % (aile, fuselage, caisson central et empennage). Un niveau atteint par le Boeing 787 : constitué à 50 % de matériaux composites, il affiche une consommation globale qui est inférieure de 20 % à celle du Boeing 777, constitué de 12 % de composites.
Le développement des composites sur ces marchés exigeants s’est accompagné de la mise au point de procédés industriels, dont certains arrivent tout juste à maturité. Ils doivent répondre à deux enjeux principaux : la montée en cadence de la production et la répétabilité. Des critères essentiels aussi bien pour l’automobile que pour l’aéronautique, malgré les différences entre ces secteurs. « Dans les deux cas, il faut une répétabilité parfaite du procédé, du placement des fibres jusqu’à la polymérisation de la résine, analyse Christophe Champenois, le directeur général de l’Etim, filiale du Cetim dédiée aux matériaux composites. Et, même si nous ne pouvons pas comparer les cadences de l’automobile à celles de l’aéronautique, il ne faut pas oublier que les pièces de qualité aéronautique sont beaucoup plus complexes et que les avionneurs demandent à leurs fournisseurs de les produire toujours plus rapidement. »
Des matériaux stratégiques pour les avions du futur
Cette accélération des cadences est à l’œuvre chez Daher, dont l’usine de Nantes produit annuellement 180 000 clips d’assemblage de fuselage pour Airbus, et Safran, qui fabrique 40 000 aubes de réacteur en composites par an pour le fameux moteur Leap. De leur côté, les ingénieurs d’Airbus planchent d’ores et déjà sur le successeur de l’A 320, véritable best-seller de l’avionneur. Celui-ci envisage une production particulièrement ambitieuse pour ce futur appareil aujourd’hui désigné par l’acronyme NSA (New single aisle) : 100 avions devraient sortir chaque mois de ses usines à l’horizon 2030. En comparaison, seuls 15 appareils de type A 350 sont produits par mois.
« Pour le moment, la part exacte de composites qui sera incorporée dans le NSA n’a pas été arrêtée par l’ingénierie d’Airbus. Mais nous travaillons sur la mise au point de divers procédés qui nous permettront d’atteindre nos objectifs de production, explique Mathieu Piana, le responsable de l’innovation et du développement des procédés chez Airbus. Moulage par injection à basse pression de résine (RTM) et ses variantes, robotisation du placement de fibres, polymérisation hors autoclave, matrices thermoplastiques… Nous explorons ces technologies pour que l’ingénierie puisse décider en connaissance de cause.» De son propre aveu, il s’agit d’une nouvelle approche pour Airbus, qui souhaite désormais lier étroitement la connaissance des procédés de fabrication et la conception de l’appareil. « L’idée est de raccourcir au maximum la phase de ramp up, la montée en puissance progressive de la production », souligne le responsable.
Outre le NSA, les composites pourraient également être promis à un grand avenir chez Airbus grâce aux futurs avions à hydrogène, dont les concepts ont été dévoilés par l’avionneur en septembre 2020. Pour Pascal Laguerre, le directeur technique de Daher, la flexibilité de la mise en œuvre des composites thermoplastiques constituera la clé de voûte de ces appareils. Le projet Wing of tomorrow, auquel participe l’équipementier aux côtés d’Airbus, vise à développer une aile en fibre de carbone haute performance, dotée de plusieurs éléments en composites thermoplastiques. Elle pourrait équiper, à terme, les futurs projets d’avions « verts ».
Accompagner la mobilité verte
L’hydrogène concerne également l’automobile. Selon JEC Composites, l’essor des composites dans le secteur des transports devrait accompagner la croissance de la mobilité hydrogène. Car celle-ci repose sur des réservoirs en fibres de carbone capables de contenir de l’hydrogène sous pression à 700 bars. Ces pièces, beaucoup plus légères que de bouteilles en métal, sont réalisées au moyen de la technique de l’enroulement filamentaire.
L’équipementier Plastic Omnium espère se positionner comme l’un des leaders de ce marché émergent à l’horizon 2030. « Nous allons optimiser la production grâce à une plus grande automatisation du procédé. L’effet volume engendré par une cadence de production plus importante nous permettra de baisser les coûts », estime Marc Perraudin. « Aujourd’hui, les systèmes coûtent 500 euros par kilo d’hydrogène stocké. Notre objectif est d’arriver à 330 euros en 2030 pour démocratiser la technologie. » Rendez-vous est pris.
Vers des fibres de carbone low cost
Dotées d’excellentes propriétés mécaniques, en traction et en compression, et d’une excellente stabilité thermique, les fibres de carbone ne représentent aujourd’hui que 1 % du marché mondial des composites. Leur utilisation pourrait très vite progresser, avec des applications exigeantes et de masse, comme les réservoirs à hydrogène pour voitures qui nécessitent plusieurs kilos de fibres. Leur coût est encore particulièrement élevé : entre 15 et 20 euros le kilo, soit près de 45 % du prix du matériau composite. Le projet Force, mis en place par un consortium d’industriels et piloté par l’IRT Jules Verne et la plate-forme Canoe, vise à produire une fibre de carbone à 8 euros le kilo. Son secret : remplacer le polyacrylonitrile (PAN), le précurseur pétrosourcé actuellement utilisé, par des fibres biosourcées, comme la cellulose et la lignine, passées par un processus de carbonisation à 1 150 °C. Une ligne pilote a été inaugurée en 2018 à Lacq (Pyrénées-Atlantiques). Elle ambitionne de produire 2 tonnes par an.
