Cinq domaines que les composites influenceront en 2022 et au-delà

Au fur et à mesure que des nouveaux segments industriels émergent et que les secteurs existants cherchent à améliorer leur efficacité, ils se tournent vers les pièces en composite afin de répondre aux problèmes comme la corrosion, la réduction de masse, le rendement énergétique et la miniaturisation des composants. Traditionnellement, ces pièces étaient fabriquées en composites thermodurcissables. Comme ces composants deviennent de plus en plus petits et complexes, il est nécessaire de trouver un autre type de solution composite, c'est là que les composites thermoplastiques entrent en jeu. Les pièces fabriquées en composites thermoplastiques peuvent adopter des formes plus complexes et il est possible de les produire en plus grandes quantités.

Les innovations en matière de composites, issues de l'industrie aérospatiale, commencent désormais à être adoptées par d'autres secteurs et applications. Nous allons nous pencher sur cinq secteurs qui seront affectés ou renforcés par la technologie du composite thermoplastique en 2022 et au-delà.

Mobilité aérienne urbaine

 

C'est le secteur aérospatial qui mène la danse en termes d'innovations relatives aux matériaux composites. Ces derniers continuent de remplacer le métal dans les nouvelles plateformes aérospatiales en raison de leur performance, de leur cycle de vie et de leurs avantages en matière de fabrication, citons comme exemples les avions commerciaux Airbus A350 et Boeing 787 qui possèdent plus de 50 % de pièces composites [1, 2]. Les composites sont généralement utilisés pour les grandes applications de structures principale et secondaire en raison de leur rapport qualité-prix en termes de réduction de masse, de possibilités de conception et de durée de vie. Les exemples courants comprennent les ailes d'avion, les pâles d'éolienne ou les châssis automobiles. Ces pièces sont traditionnellement fabriquées en composites thermodurcissables.

En zone métropolitaine, la problématique moderne des embouteillages et des trajets entre le domicile et le travail n'a fait qu'empirer au cours de ces deux derniers décennies dans le monde entier. Au lieu de réfléchir sur deux dimensions, les pionniers de la mobilité aérienne urbaine pensent en trois dimensions afin de soulager les réseaux routiers des villes.

Il n'est pas du tout facile d'adapter la technologie aérospatiale des avions commerciaux actuels les plus modernes en un produit plus compact pour l'environnement urbain. Le poids, le bruit, la sécurité et la performance constituent tous des critères essentiels. Les avions modernes exploitent des structures en composite thermodurcissable depuis de nombreuses années. Les fabricants du secteur de la mobilité aérienne urbaine adoptent les composites thermodurcissables traditionnels tout en exploitant aussi des composites thermoplastiques plus modernes.

Les applications communes des composites thermodurcissables comprennent les grandes pièces, mais les plus petits raccords restent toutefois conçus pour une fabrication en métal. La complexité et le volume des pièces en métal compliquent le passage du métal aux composites thermodurcissables traditionnels. C'est là que les composites thermoplatiques peuvent offrir légèreté et résistance mécanique, ainsi que la possibilité de créer des formes complexes. Les entreprises offrant des composites thermoplastiques, comme Greene Tweed et le Xycomp® DLF, répondent aux défis de l'industrie aérospatiale et continueront de changer les avis concernant le remplacement des pièces en métal de forme complexe pour le secteur de la mobilité aérienne urbaine grâce à nos composites thermoplastiques agréés pour l'aérospatiale.

Applications spatiales

 

Au cours de ces 10 dernières années, le secteur spatial a enregistré de nombreuses innovations, notamment le « retour sur Terre réussi du lanceur de la fusée Falcon 9 de SpaceX près de son site de lancement » [3]. Les révolutions telles que les lanceurs réutilisables ont été inventées par des entreprises spatiales commerciales et elles repoussent les limites du secteur spatial. Les fusées réutilisables ont considérablement réduit le coût de lancement d'appareils en OTB (orbite terrestre basse), ce qui permet de justifier, d'un point de vue commercial, des constellations de satellites d'une ampleur jamais vue auparavant. Les satellites et constellations de satellites (des groupes de satellites qui fonctionnent en réseau) n'ont rien de nouveau, mais l'échelle et le volume de ces nouvelles constellations écrasent tout ce qui avait été réalisé auparavant. La création des options de partage de trajet (séparation de la soute d'une seule fusée en sections pouvant être achetées par différentes entreprises) a permis à des plus petites organisations et universités d'accéder au secteur afin de pouvoir lancer leur(s) propre(s) satellite(s) en orbite. En janvier 2021, « la fusée Falcon 9 de SpaceX a mis 143 appareils en orbite, ce qui représente le nouveau record mondial du plus grand nombre d'appareils lancés à la fois » [4].

Ces satellites emploient des matériaux de pointe, comme les composites, afin de réduire leur masse au lancement et de prolonger leur durée de vie. Les avantages des matériaux composites comprennent la réduction de la masse, ce qui permet de lancer plus de satellites par fusée, la combinaison de plusieurs pièces afin de réduire le temps d'assemblage et d'avoir le même coefficient de dilatation thermique, et l'intégration d'éléments permettant d'atteindre de nouvelles configurations avec une taille égale ou inférieure. Divers composants des satellites peuvent bénéficier de l'usage des composites, comme les panneaux solaires, les antennes, la structure de l'appareil, les systèmes d'alimentation, les systèmes de propulsion et d'autres.

Quelles seront les innovations de l'exploration spatiale durant ces dix prochaines années ? Pourrait-il s'agir du premier vol touristique commercial dans l'espace, de la première station spatiale commerciale et/ou du premier homme sur Mars ? Seul le temps nous le dira, mais il est très probable que les composites thermoplastiques soient de la partie.

Robotique

 

La technologie robotique touche de nombreux secteurs et applications, dont l'aérospatiale, la défense, la fabrication industrielle, le pétrole et le gaz, les soins médicaux et bien d'autres. Les applications de la robotique peuvent inclure des robots qui travaillent aux côtés de l'homme, des robots dirigés par l'homme dans des conditions extrêmes (afin d'épargner les travailleurs humains), et des véhicules sans pilote capables d'effectuer ce qu'il était jusqu'alors impossible de faire. La robotique est véritablement une technologie révolutionnaire qui a le potentiel de toucher tous les secteurs.

Suite à la présence de plus en plus fréquente de robots pour certaines applications, le poids du robot, la masse de transport, la durée de vie de la batterie et la sécurité deviennent des éléments critiques lors de la conception. C'est là que les composites thermoplastiques haute performance peuvent être précieux. En général, la taille et la complexité de ces robots ne se prêt pas bien aux composites thermodurcissables traditionnels, particulièrement en raison des volumes requis.

Remplacer une pièce complexe en métal par un modèle en thermoplastique moulé par compression peut considérablement réduire la masse du robot, ce qui lui permet de transporter des charges plus lourdes et/ou de prolonger l'autonomie de sa batterie. Ces avantages peuvent renforcer l'efficacité opérationnelle et parfois faire de la robotique une option viable (pour une application particulière). Les solutions de composite thermoplastique Xycomp® DLF (fibres longues discontinues) de Greene Tweed peuvent permettre de réduire la masse, de combiner certaines pièces, d'intégrer des fonctions et bien plus encore lorsqu'elles remplacent des pièces complexes en métal.

Économie de l'hydrogène

 

La nouvelle économie de l'hydrogène pourrait bouleverser et transformer l'énergie à travers le monde, mais elle ne sera concrétisée que si elle est fondée sur de l'hydrogène écologique. L'avènement de l'énergie renouvelable, l'appel à l'économie net zero par les autorités et le secteur privé, et le potentiel de l'hydrogène écologique jouent tous un rôle dans la prise d'ampleur de l'économie de l'hydrogène. Les applications actuelles de l'hydrogène comprennent le carburant pour fusées, les processus industriels et la fabrication chimique, mais l'avenir du potentiel de l'hydrogène repose sur une source de carburant propre pour les transports et pour la production d'électricité. Outre la transformation de l'infrastructure, le traitement de l'hydrogène présente ses propres défis.

L'un des principaux défis de la transformation de l'infrastructure sera le transport de l'hydrogène entre les sites de production et les points d'utilisation. L'hydrogène est un gaz à petite molécule, et les compresseurs centrifuges traditionnels ne sont pas capables de transporter l'hydrogène pur en raison de la fragilisation des métaux et du plus faible rapport de puissance nécessitant une vitesse de rotation impossible à atteindre avec les turbines standard en métal en raison des limites de vitesse à l'extrémité.

Le développement d'une toute nouvelle chaîne d'approvisionnement de l'hydrogène entre les sites de production de l'hydrogène écologique, de stockage du gaz et les véhicules électriques à pile à combustible renforcera le besoin de nouveaux compresseurs centrifuges capables de résister à l'hydrogène à haut niveau de pureté. Ces nouveaux compresseurs centrifuges pourront être créés grâce aux solutions de composite thermoplastique haute performance.

Les joints labyrinthe en composite thermoplastique sont capables d'améliorer de 1 % ou plus l'efficacité des compresseurs centrifuges et ils ne sont pas affectés par la corrosion et la fragilisation des métaux. Les turbines en composite thermoplastique à rapport résistance/masse élevé peuvent permettre aux compresseurs centrifuges de traiter l'hydrogène à haut niveau de pureté en réduisant la masse de la turbine et les contraintes sur le moteur, permettant ainsi d'atteindre une rotation plus rapide. Ces technologies permettront aux fabricants d'équipements de fournir les éléments nécessaires aux entreprises énergétiques et gouvernements afin de bénéficier de l'hydrogène écologique comme alternative efficace aux énergies fossiles.

Fabrication de semi-conducteurs

 

Le secteur des semi-conducteurs a enregistré une demande exceptionnelle durant la pandémie en raison de l'augmentation des personnes en télétravail et des problèmes de chaîne logistique dus au COVID-19. La fabrication de circuits intégrés comprend de nombreuses étapes, dont la gravure, la lithographie, le dépôt, le nettoyage des wafers, et bien d'autres. Toutes ces étapes utilisent des produits chimiques exotiques et dangereux afin de créer des structures de nœuds complexes qui nous permettent d'obtenir les ordinateurs puissants modernes.

Les défis associés au contrôle des contaminations par particules et produits chimiques pour atteindre une production élevée de semi-conducteurs tout en réduisant leur taille sont de plus en plus difficiles à résoudre. Les pièces employées dans les salles blanches et durant les processus de nettoyage doivent résister à des températures élevées et à des environnements chimiques corrosifs sans se détériorer et créer des particules. Face à ces conditions, il est nécessaire de remplacer les matières existantes par des composites thermoplastiques de pointe et par des nouvelles méthodes de fabrication en vue de répondre aux critères de résistance aux températures et produits chimiques afin de produire la nouvelle génération d'équipements de traitement des wafers.

Références :

[1] « Boeing 787 Design Highlights », www.boeing.com, accès le 22 avril 2015, http://www.boeing.com/ commercial/787/#/design-highlights/visionary-design/composites/advanced-composite-use/.

[2] Keith Campbell. « Airbus to start manufacturing parts for new A350 XWB in late '09 », Engineering News en ligne, 11 mai 2009, http://www.engineeringnews.co.za/article/airbus-to-start-manufacturing-parts-fornew-a350-xwb-in-late-09-2009-05-11.

[3] « SpaceX », britanica.com, accès en octobre 2021, https://www.britannica.com/topic/SpaceX.

[4] Michael Sheetz. « SpaceX launches a 'rideshare' mission carrying 143 spacecraft, a record for a single launch », CNBC, 24 janvier 2021, https://www.cnbc.com/2021/01/24/spacex-launches-rideshare-mission-with-143-spacecraft.html.