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Simulation : le défi des Nouveaux Matériaux

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L’usage des nouveaux matériaux, en particulier des composites, est un enjeu considérable dans la fabrication de biens manufacturés. Les outils de conception virtuelle dont disposent les industriels sont de plus en plus sophistiqués mais encore incomplets.

Plus légers, plus résistants, plus verts, les biens manufacturés poursuivent leur mue grâce au développement des nouveaux matériaux. La demande du marché est forte. Ailes d’avions, pales d’éoliennes géantes, pare-chocs de véhicules, les matériaux composites mènent la course en tête, déclinés en panneaux sandwichs et nida (nids d’abeilles), mais il faut aussi compter avec les super alliages, les coques, l’assemblage par collage... Une autre piste prometteuse est celle de la fabrication additive qui donne des pièces architecturées très complexes, avec une peau extérieure et à l’intérieur un réseau structurel de poutres conçu afin d’optimiser la résistance avec le minimum de matière. La mise en oeuvre de ces matériaux exige des procédés innovants de modélisation et de simulation à la hauteur des enjeux, disponibles dans les solutions des grands éditeurs, comme Abaqus (Dassault Systèmes), Ansys Workbench, SimXpert (MSC Software), HyperWorks (Altair Engineering), Teamcenter (Siemens PLM) ou VPS (Esi Group).

Néanmoins, les défis au quotidien sur le terrain demeurent nombreux. Au dernier séminaire Nafems sur « La simulation des matériaux » qui s’est déroulé le 19 novembre 2015 à Paris, les experts d’Airbus, Stelia Aerospace, Solvay, le CEA, EDF R&D, Renault, la Cemef, etc. ont partagé leur retour d’expérience. Les plus complexes à simuler demeurent les composites dont les performances dépendent d’une fabrication difficile à automatiser. « Beaucoup reste à développer et à faire sur ces nouveaux matériaux, constate ainsi Caroline Petiot, chef de projet chez Airbus Group Innovation. Il est nécessaire de savoir intégrer les pièces composites dans un assemblage, d’évaluer leur tenue en température, de prévoir les conséquences d’un impact, d’un crash, ainsi que le vieillissement et la fatigue. Prenons le cas d’une pièce en nida soumise en fonctionnement à un impact. L’eau peut ensuite être piégée ce qui pose de grosses questions sur la durabilité de la pièce. »

Une fabrication rétive à l’automatisation

Il faut s’assurer d’une modélisation correcte des nouveaux matériaux qui entrent dans la composition d’une nouvelle pièce en conception, ainsi que d’une loi de comportement exploitable dans le code de calculs de structures. La modélisation est particulièrement complexe dans le cas des composites pré-imprégnés dont la fabrication peut varier à chaque étape. Les polymères sont broyés en poudre qui est déposée sur le renfort sec, puis passé au four, donnant des fibres pré-imprégnées. La qualité de la préi-mprégnation n’est pas régulière dans la dépose de fils, des micro-fissures se forment, etc. Au formage et à l’emboutissage peuvent ensuite apparaître des plis, des défauts avec des risques de cisaillements des renforts (shear locking) et des flambements. « Il faut bien penser que le procédé de mise en oeuvre, en particulier le chemin de refroidissement, change les propriétés de la pièce finale, souligne Jérôme Bikard, Responsable Technique Programme Matériaux Composites chez Solvay. Il est difficile de prendre en compte dès la conception la variabilité du procédé (épaisseur, rupture de mèches, porosité résidentielle…) ».

Les composites s’avèrent complexes à fabriquer y compris sur des pièces simples. « Il est impératif de tenir compte des procédés de fabrication qui influent sur les directions de la fibre réelle et sur les propriétés de la pièce finale. Certaines ruptures de pièces sont dues au fait que la fabrication n’a pas été correctement prise en compte. La conception doit se faire en boucle entre le design, le process et la simulation », assure Patrick de Luca, responsable solution composites chez ESI Group. Comme le composite est un matériau craquant, non ductile, l’assemblage demeure manuel et insuffisamment automatisé et optimisé. Enfin, le contrôle des pièces fabriquées est chronophage. « Ces problèmes ne sont pas nouveaux mais sont insuffisamment résolus, renchérit Paulin Fideu, responsable technologies chez Airbus Civil Aircraft. Le passage du laboratoire à l’atelier de fabrication réserve des surprises. De plus un procédé mis au point sur une pièce n’est pas reproductible tel quel pour la même pièce en plus grandes dimensions... »

Réduire le nombre d’essais

Chez les industriels, comme Airbus, les modèles utilisés pour la simulation sont « systématiquement validés par des ... >> Retrouvez le reste du dossier dans le magazine papier

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