Pourquoi la fibre de carbone est-elle utilisée pour l'usinage aérospatial ? Un aperçu de son importance et de son utilisation

Le terme "usinage aérospatial" dit tout lorsqu'il s'agit de composites avancés. En outre, à mesure que l'industrie manufacturière progresse, les matériaux composites s'associent pour produire l'avenir de l'industrie aérospatiale, avec pour objectif ultime l'efficacité énergétique.

La dépendance accrue à l'égard des composites à base de fibres de carbone dans la fabrication de composants d'aéronefs militaires et commerciaux a été l'un des principaux moteurs de l'utilisation accrue des composites avancés sur le marché de l'usinage aérospatial. L'industrie a besoin de matériaux à hautes performances, dotés de capacités mécaniques et thermiques élevées, et de matériaux à faible poids et à faibles coûts de production.

Fibre de carbone composite avancée utilisée pour l'usinage aérospatial

Quels sont les facteurs à prendre en compte dans l'usinage aérospatial ?

Les matériaux en nid d'abeille, souvent appelés structures en nid d'abeille dans l'industrie aérospatiale, sont principalement utilisés dans les matériaux composites. Les structures sandwich en nid d'abeille sont fréquemment utilisées dans le secteur aérospatial pour créer divers panneaux muraux, profils aérodynamiques, cloisons, trappes, planchers, capots de moteur, tuyères d'échappement, silencieux, panneaux d'isolation thermique, coques d'étoiles de satellite, etc.

Dans ce secteur, Machine à commande numérique à cinq axes ont la même efficacité d'usinage que deux machines-outils à trois axes. Elle peut potentiellement supprimer l'investissement dans certaines lignes de production automatisées à grande échelle, ce qui permet d'économiser une quantité importante d'espace au sol, de travail entre plusieurs unités de fabrication, ainsi que de temps et de frais de transport.

Applications de la fibre de carbone dans l'usinage aérospatial :

Saviez-vous que la fibre de carbone est 1 à 4 fois plus résistante que l'acier à ultra-haute résistance, alors que sa densité n'est que de 5/1 de celle de l'acier ? La fibre de carbone n'est pas seulement une bande unidirectionnelle et un tissu (fibre continue), c'est aussi une poudre, une fibre discontinue, une fibre moyenne et un matériau composite renforcé de fibres longues qui peuvent être traités et moulés en utilisant la méthode de moulage par injection.

En outre, les composites à matrice de résine de fibre de carbone sont actuellement les plus fréquemment utilisés, et c'est dans l'industrie automobile qu'ils sont les plus prometteurs.

Composite avancé Fibre de carbone dans l'avion

Mais comment les matériaux des pièces d'avion sont-ils sélectionnés ?

Vous trouverez ci-dessous des considérations importantes pour la sélection des matériaux dans le secteur de l'aéronautique.

La force des parties permet de renforcer l'ensemble.

Ces avantages ont conduit à l'utilisation de composites à base de fibres de carbone dans la production d'éléments structurels d'aéronefs, allant des ailes et des sièges aux compartiments supérieurs, aux supports, etc. Ainsi, les composites avancés remplacent les composants métalliques dans de nombreux éléments de la construction aéronautique en raison de leur potentiel à produire des pièces structurelles moins lourdes. Ils ont également rendu les fibres de carbone plus accessibles aux secteurs de l'automobile, de l'énergie, de la marine et des infrastructures.

L'amélioration de l'efficacité énergétique n'est pas le seul moyen de réduire les coûts dans l'industrie automobile. usinage aérospatial fabrication de pièces en utilisant des matériaux composites modernes. Si les matériaux composites peuvent être plus coûteux à fabriquer que les métaux standard ou les plastiques non renforcés, leur durée de vie accrue, leur meilleur rendement énergétique et leurs coûts de fabrication plus faibles peuvent compenser le coût initial pendant toute la durée de vie du produit. La fibre de carbone est donc une alternative réalisable que les entreprises aérospatiales étudient de plus en plus.

Matériau composite avancé en fibre de carbone

Les composites avancés sont plus performants que le métal.

Par rapport aux matériaux traditionnels tels que l'alliage d'aluminium et le métal, les composites modernes tels que la fibre de carbone offrent une solution très performante pour produire des composants structurels d'aéronefs plus légers et plus résistants. Ils peuvent contribuer à réduire l'empreinte carbone en améliorant le rendement énergétique dans les applications de haut vol.

La légèreté de la fibre de carbone va de pair avec sa résistance, de sorte que l'amélioration des composites est vitale pour l'avenir de l'industrie de l'usinage aérospatial. Les fibres de renforcement, utilisées par les principaux constructeurs aéronautiques Boeing et Airbus, présentent d'autres avantages :

  • Résistance à la corrosion.
  • Diminution des coûts de production.
  • La capacité à tolérer des températures élevées et des situations de haute pression.
  • Raideur et flexibilité.

Avantages de l'utilisation de la fibre de carbone dans la fabrication :

Les composites à base de fibres de carbone améliorent les performances aérodynamiques

L'aérodynamisme joue un rôle crucial dans l'économie de carburant d'un avion. Plus la conception d'un avion est aérodynamique, plus il est économe en carburant. Les composites à base de fibres de carbone peuvent être produits avec précision pour produire des géométries compliquées mais lisses, ce qui permet aux ingénieurs d'optimiser l'aérodynamique de l'avion. En outre, les fibres de carbone sont robustes, ce qui facilite la conception d'ailes en flèche sans soudure. La réduction de la traînée aérodynamique permet de réduire le taux de consommation de carburant de l'avion jusqu'à 50%.

Les fibres de carbone contribuent au développement d'avions plus économes en carburant.

Plus un avion est léger, moins il est coûteux à exploiter et à entretenir dans le secteur de l'aviation. La conception légère améliore le rendement énergétique, ce qui réduit le coût global de l'exploitation des avions commerciaux. Le saviez-vous ? Les matériaux composites à base de fibres de carbone sont incroyablement résistants et relativement légers. Un avion fabriqué avec des composites à base de fibres de carbone peut être près de 20% plus léger qu'un avion construit avec de l'aluminium.

En fait, les experts estiment que chaque kilogramme de poids économisé grâce à l'utilisation de fibres de carbone permet d'économiser environ $1 million pendant toute la durée de vie de l'avion.

Fibre de carbone composite avancée utilisée dans les pièces aérospatiales

Ils permettent de créer des formes complexes.

Les alliages métalliques utilisés dans la fabrication traditionnelle des avions sont généralement fragiles. C'est pourquoi les ingénieurs se tournent vers les composites à base de fibres de carbone qui présentent une grande malléabilité. Cela permet de créer des formes plus compliquées et d'introduire un domaine nouveau et innovant dans l'ingénierie aéronautique. La construction de formes compliquées réduit le nombre de pièces d'avion ainsi que le nombre de joints et de fixations nécessaires à l'installation d'un composant.

Il y a deux avantages à cela : Premièrement, moins de joints et de fixations permettraient d'accélérer le temps d'assemblage ; deuxièmement, chaque trou percé pour fixer les joints et les fixations constituerait un site possible d'amorçage de fissures. Le fait d'en avoir moins devrait donc rendre la structure plus solide et plus fiable.

Les composites à base de fibres de carbone permettent d'utiliser moins de pièces d'avion

La quantité de pièces nécessaires à la construction d'un avion influe également sur son poids, son aérodynamisme et son rendement énergétique. Plus de pièces sont nécessaires pour créer un avion, plus le temps de fabrication, le poids, la maintenance et les dépenses augmentent. Heureusement, les composites à base de fibres de carbone peuvent être facilement produits et moulés pour combiner de nombreuses pièces en une seule structure plus robuste et plus fiable.

La fibre de carbone est résistante à la corrosion

Un autre avantage de l'utilisation de matériaux composites à base de fibres de carbone dans la construction aéronautique est qu'ils sont plus résistants à la corrosion que les alliages métalliques. Cela en fait un choix idéal pour l'aviation, car la résistance à la corrosion se traduit par une plus longue durée de vie des pièces, une meilleure maintenance et des frais d'exploitation réduits. En outre, la fibre de carbone présente une grande résistance à la fissuration et à la fatigue lorsqu'elle est associée à une matrice en résine plus résistante.

Les composites à base de fibres de carbone permettent une fabrication plus rapide

Le processus de fabrication devrait être accéléré par l'assemblage plus rapide et la nécessité de créer moins de pièces. Les composites à base de fibres de carbone sont incroyablement flexibles, ce qui permet de les façonner de manière complexe et de les intégrer de manière transparente dans des structures unifiées. Par conséquent, les producteurs ont moins de pièces à fabriquer et à assembler. Cela améliorera le délai de mise sur le marché et accélérera le processus de fabrication.

Autres technologies de l'industrie aérospatiale adoptées aujourd'hui :

Soudage avec un faisceau laser :

Le soudage au laser permet un traitement plus rapide et plus précis que les procédures de soudage conventionnelles. Par conséquent, le soudage au laser est une excellente solution pour la manipulation des matériaux lorsqu'une grande précision et une bonne reproductibilité sont requises. Il s'agit également d'une excellente méthode pour combiner des matériaux incompatibles, ce qui peut s'avérer difficile avec les procédures de soudage habituelles. Le fait que le soudage au laser transmette très peu de chaleur au matériau à fusionner est peut-être son avantage le plus important.

Grâce à cette technologie, aucune zone affectée par la chaleur ne se forme autour de la soudure. En outre, aucune fissure ou faiblesse du matériau ne peut compromettre les performances du joint. Le soudage de réservoirs sous pression, le perçage d'orifices, le soudage de capteurs de proximité, le perçage de trous sur le bord d'attaque, le soudage de batteries et le soudage de boîtes à gants pour produits électroniques sensibles sont autant d'exemples d'applications de l'usinage au laser.

Fabrication additive :

L'industrie de l'usinage aérospatial a été la première à identifier l'énorme potentiel des technologies de l'information et de la communication. la fabrication additive (AM) pour développer des pièces avec des matériaux avancés et des géométries inédites. La plupart des composants sont imprimés à l'aide de technologies d'impression laser sur lit de poudre. Toutefois, d'autres techniques laser et à faisceau d'électrons sont également employées. L'AM peut également créer des structures en treillis, en particulier dans le fuselage, ce qui permet de gagner du poids et de faciliter la dissipation de la chaleur.

L'AM simplifie l'assemblage et réduit les sites de défaillance potentiels en remplaçant plusieurs pièces par un seul composant. Modélisation par dépôt en fusion (FDM) est une technologie de fabrication additive (AM) qui dépose des couches ultra-minces de thermoplastiques semi-fondus pour construire des objets semi-creux, tels que des structures en nid d'abeille pour les ailes de systèmes d'avions sans pilote, ce qui permet de réduire le poids tout en augmentant la résistance.

L'AM progresse également vers la production de pièces plus grandes, jusqu'à deux mètres de long. Par exemple, GKN Aircraft a récemment collaboré avec le laboratoire national Oak Ridge du ministère américain de l'énergie. Leur collaboration visait à mettre au point une technique de fabrication additive à grande échelle spécifiquement destinée à la fabrication d'importants composants aérospatiaux en titane.

Installation d'usinage à cinq axes :

La structure du centre d'usinage à cinq axes varie et la conception structurelle de la machine-outil influe sur les performances de l'équipement dès le départ, déterminant la rigidité, la précision de l'usinage, la stabilité, l'opérabilité, etc.

L'avantage de l'usinage simultané sur cinq axes est qu'il permet de maintenir en permanence l'angle approprié entre la direction d'avance de l'outil et la surface de la pièce, ce qui se traduit par une meilleure qualité de surface et une meilleure approche du chanfrein, tout en améliorant la durée de vie de l'outil, en gagnant du temps lors du serrage et en réduisant le taux d'erreur d'usinage.

La liaison à cinq axes est largement utilisée dans le secteur de la fabrication de moules pour le traitement des surfaces courbes, tandis que les centres d'usinage à trois et deux axes sont utilisés pour l'usinage à plat.

Conclusion :

L'utilisation de matériaux composites à base de fibres de carbone dans la construction des avions offre aux ingénieurs une plus grande liberté dans la planification de l'efficacité aérodynamique et des économies de carburant. Les fabricants commerciaux d'usinage aérospatial pourraient reconsidérer la construction de modèles dans lesquels les ailes et le fuselage s'intègrent afin d'améliorer le rapport portance/traînée de l'avion.

La fibre de carbone est utilisée dans la construction aéronautique depuis les années 1970. Avec les récentes avancées technologiques, nous pouvons nous attendre à voir des avions plus puissants et plus uniques.

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