Composite vs Aluminium : Pourquoi les avions modernes choisissent les matériaux légers

Pour réduire le poids et améliorer l'efficacité, la dernière génération d'avions de ligne, comme le Boeing 787 et l'Airbus A350, utilise plus de matériaux composites que d'aluminium. L'aluminium est plus facile à travailler, cependant, et significativement moins cher, donc il restera un matériau aérospatial important pour un avenir prévisible, surtout dans les applications moins critiques en poids et résistance à la fatigue.

Deux domaines en particulier qui utiliseront de l'aluminium pendant longtemps sont les boîtiers avioniques et les composants intérieurs. Ceux-ci sont généralement coulés, suivis d'un usinage limité des surfaces de montage et des trous. Voici un examen plus approfondi des procédés de coulée et de leurs avantages.

Matériaux pour la réduction de masse

La masse est le problème numéro un dans la conception et la fabrication aérospatiale. Plus la structure est légère, plus les moteurs sont petits, plus l'efficacité est grande, et plus la charge utile est importante. La masse est minimisée en sélectionnant des matériaux avec des rapports résistance/poids élevés, autrement appelés résistance spécifique ou résistance par livre.

Le plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) est à la fois solide et léger, et son utilisation dans les structures d'avions augmente. Cependant, il est aussi cher à produire et à utiliser, laissant la porte ouverte à d'autres matériaux comme l'aluminium.

Le titane est un autre matériau avec une résistance spécifique élevée. Encore une fois, il est cher et difficile à couler et usiner.

Le magnésium et l'aluminium ont des rapports résistance/poids similaires, mais l'aluminium est plus résistant à la corrosion et ne présente pas les risques d'incendie du magnésium. Il est produit dans une large gamme d'alliages, classés en sept séries. La série 7xxx est souvent appelée aluminium aérospatial, bien que d'autres alliages soient également utilisés, selon les besoins spécifiques de l'application.

Une caractéristique bénéfique supplémentaire de l'aluminium est qu'il peut être anodisé. C'est une méthode d'augmentation des niveaux d'oxydation de surface pour augmenter la dureté et donner une apparence attrayante, sans ajouter de revêtement.

Méthodes de coulée pour composants aérospatiaux en aluminium

Minimiser la masse nécessite un procédé de coulée capable de produire des sections minces et des détails fins. Cela exclut la coulée en sable de la considération, laissant :

• Coulée à cire perdue (investment casting)
• Moulage en coquille (shell molding)
• Coulée en moule permanent (permanent mold casting)

Voici un aperçu des caractéristiques pertinentes de chacun

Coulée à cire perdue (Investment casting)

Un procédé de moule expendable où une « coquille » en céramique est formée sur un modèle en cire. La coulée à cire perdue est pour des pièces pesant jusqu'à 30 lb (environ 13,6 kg) et peut produire des formes complexes avec des parois minces et des caractéristiques rentrantes tout en maintenant des tolérances serrées et en formant des surfaces lisses. La complexité du procédé signifie qu'il entre en jeu quand il est important de minimiser à la fois l'usinage et la masse.

Moulage en coquille (Shell molding)

Dans ce procédé, un modèle est enduit d'une coquille externe en sable-résine. Le moule est généralement fait en deux moitiés qui sont jointes pour former la cavité du moule. Une fois que le métal a solidifié, le moule est brisé. Le moulage en coquille peut produire des pièces plus grandes que la coulée à cire perdue, mais est limité en termes de niveau de détail et de complexité. La finition de surface n'est pas aussi bonne que celle de la coulée à cire perdue.

Coulée en moule permanent (Permanent mold casting)

Cela utilise des matrices métalliques pour former les pièces, avec le métal liquide s'écoulant par gravité. Des temps de cycle courts sont possibles, et le refroidissement rapide augmente la résistance de la pièce, mais l'outillage est cher. Ensemble, ces facteurs font de la coulée en moule permanent un procédé à haut volume. De plus, il n'est pas capable du détail fin que la coulée à cire perdue peut atteindre.

Coulée en aluminium pour l'aérospatial

L'aluminium fournit l'équilibre optimal entre masse, complexité de pièce et coût pour les boîtiers avioniques et les composants intérieurs comme les supports et les garnitures de sièges. Des nuances telles que la série 7xxx offrent une haute résistance, ainsi qu'une bonne usinabilité et résistance à la corrosion.

Ces pièces, et d'autres comme les corps de pompes hydrauliques, sont facilement produites par coulée, ce qui soutient les objectifs de réduction de poids tout en minimisant l'usinage. La coulée à cire perdue atteint la plus haute précision et complexité, mais le moulage en coquille et la coulée en moule permanent sont des alternatives, selon la géométrie de la pièce et les quantités requises.

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