Alors que de nouveaux segments industriels émergent et que les segments industriels existants recherchent des niveaux d'efficacité plus élevés, ils se tournent vers les composants composites comme solutions efficaces à des problèmes tels que la corrosion, la réduction du poids, l'efficacité énergétique et la miniaturisation des composants. Traditionnellement, ces pièces sont fabriquées à partir de composites thermodurcissables. Comme ces pièces sont de plus en plus petites et complexes, il est nécessaire d'utiliser un autre type de solution composite, et les composites thermoplastiques sont utilisés. Les pièces fabriquées à partir de composites thermoplastiques peuvent être conçues avec plus de complexité et peuvent être fabriquées à plus grande échelle pour des pièces de plus grand volume.

Les innovations dans le domaine des composites, stimulées par l'industrie aérospatiale, commencent maintenant à trouver leur place dans d'autres industries et applications. Nous allons examiner cinq segments industriels qui seront touchés ou rendus possibles par la technologie des composites thermoplastiques en 2022 et au-delà.

Mobilité aérienne urbaine (UAM)

 

L'industrie aérospatiale est à la pointe de l'innovation en matière de matériaux composites. Les matériaux composites continuent de remplacer le métal sur les nouvelles plates-formes aérospatiales en raison de leurs performances reconnues, de leur cycle de vie et de leurs avantages en termes de fabrication. L'Airbus A350 et le Boeing 787 sont deux exemples d'avions commerciaux contenant plus de 50 % de matériaux composites [1, 2]. Les composites sont couramment utilisés pour des applications de structures primaires et secondaires de grande taille, en raison des avantages économiques liés à la réduction du poids, à la liberté de conception et à la durée de vie. Les ailes d'avion, les pales d'éoliennes ou les châssis automobiles en sont des exemples courants. Ces pièces sont traditionnellement fabriquées à partir de composites thermodurcissables.

Le défi que représentent les embouteillages modernes et les trajets quotidiens typiques dans les zones métropolitaines du monde entier s'est aggravé au cours des deux dernières décennies. Au lieu de penser en deux dimensions, les pionniers de l'UAM pensent en trois dimensions pour alléger la pression sur les routes métropolitaines.

Ce n'est pas une tâche facile que de prendre la technologie aérospatiale des avions commerciaux de passagers les plus modernes et de la transposer à une échelle réduite pour l'environnement urbain. Le poids, le bruit, la sécurité et les performances sont autant de facteurs à prendre en compte. Les avions modernes utilisent des structures composites thermodurcissables depuis de nombreuses années. Les fabricants d'UAM intègrent les composites thermodurcissables traditionnels dans leurs conceptions, tout en adoptant des composites thermoplastiques plus récents.

Les applications typiques des composites thermodurcissables sont des composants de grande taille, mais les composants d'interconnexion plus petits sont toujours conçus pour le métal. La complexité et le volume des composants métalliques en font des applications difficiles à faire passer du métal aux composites thermodurcissables traditionnels. C'est là que les composites thermoplastiques peuvent apporter légèreté et résistance, ainsi que la possibilité de réaliser des formes complexes. Les entreprises disposant de plateformes de composites thermoplastiques telles que Xycomp® DLF de Greene Tweed ont relevé ce défi dans l'aérospatiale et continueront à changer la perception du remplacement des métaux de forme complexe dans le segment de marché UAM grâce à nos produits composites thermoplastiques qualifiés pour l'aérospatiale.

Applications spatiales

 

L'industrie spatiale a connu de nombreuses premières au cours des dix dernières années, notamment "le retour sur Terre du premier étage de la fusée Falcon 9 de SpaceX, près de son site de lancement" [3]. Des percées telles que les étages de fusées réutilisables ont été lancées par des entreprises spatiales commerciales et propulsent l'industrie spatiale vers de nouveaux sommets. Les fusées réutilisables ont permis de réduire considérablement le coût du lancement d'engins spatiaux en orbite terrestre basse (LEO), ce qui a commencé à permettre la mise en place de constellations de satellites à une échelle jamais vue. Les satellites et les constellations de satellites (groupes plus importants de satellites fonctionnant ensemble comme un système) ne sont pas nouveaux, mais l'échelle et le volume de ces nouvelles constellations éclipsent tout ce qui a été fait dans le passé. L'avènement du covoiturage (qui consiste à diviser la zone de chargement de la fusée en sections distinctes achetables pour permettre à plusieurs entreprises de partager une même fusée) a ouvert le secteur aux petites organisations et aux universités, qui peuvent désormais lancer leur(s) propre(s) satellite(s) en orbite. Pas plus tard qu'en janvier 2021, la fusée Falcon 9 de SpaceX a transporté 143 engins spatiaux en orbite, ce qui constitue un nouveau record mondial pour le plus grand nombre d'engins spatiaux lancés en même temps" [4].

Ces satellites utilisent des matériaux avancés tels que les composites pour réduire le poids au lancement et contribuer à prolonger la durée de vie de ces engins spatiaux. Les composites apportent des valeurs uniques, comme la réduction du poids pour permettre l'ajout de satellites supplémentaires à la charge utile d'une fusée, la consolidation des pièces pour réduire le temps d'assemblage et uniformiser le coefficient de dilatation thermique (CTE), et la possibilité de mouler des caractéristiques qui permettent d'obtenir de nouvelles configurations dans des dimensions identiques ou plus petites. Plusieurs composants différents des satellites peuvent bénéficier de l'utilisation des composites, tels que les panneaux solaires, les antennes, la structure de l'engin spatial/de la charge utile, les systèmes d'alimentation, les systèmes de propulsion, etc.

Quelles seront les premières explorations spatiales au cours des dix prochaines années ? Pourrait-il s'agir des premiers vols commerciaux de tourisme spatial, de la première station spatiale commerciale et/ou du premier homme sur Mars ? Seul l'avenir nous le dira, mais il est très probable que les composites thermoplastiques seront de la partie.

Robotique

 

La technologie robotique a eu un impact sur de nombreux secteurs et applications, notamment l'aérospatiale, la défense, la fabrication industrielle, le pétrole et le gaz, le secteur médical et d'autres secteurs. Ces applications de la technologie robotique peuvent inclure des robots travaillant côte à côte avec leurs collègues humains, des robots contrôlés par l'homme dans des conditions extrêmes (pour que les humains n'aient pas à le faire) et des véhicules sans pilote effectuant des travaux qui ne pouvaient auparavant pas être réalisés par un humain. La robotique est une technologie véritablement révolutionnaire qui peut avoir une incidence sur tous les aspects de la vie, dans tous les secteurs.

En raison de la présence croissante des robots, pour certaines applications, le poids du robot, le poids de la charge utile, l'autonomie de la batterie et la sécurité deviennent des caractéristiques de conception critiques. C'est là que les composites thermoplastiques haute performance peuvent apporter de la valeur. Généralement, la taille et la complexité de ces robots ne se prêtent pas aux composites thermodurcissables traditionnels, surtout si l'on considère les volumes requis.

Le remplacement d'un métal de forme complexe par un thermoplastique moulé par compression peut contribuer à réduire considérablement le poids du robot, ce qui lui permet de transporter des charges utiles plus lourdes et/ou de bénéficier d'une plus grande autonomie. Ces avantages peuvent contribuer à l'efficacité opérationnelle et sont parfois le facteur qui rend la robotique possible (dans une application spécifique). Les solutions composites thermoplastiques Xycomp® DLF (Discontinuous Long Fiber) de Greene Tweeds permettent de réduire le poids, de consolider les pièces, d'intégrer des caractéristiques dans le moule, et plus encore, lorsqu'elles remplacent des pièces métalliques de forme complexe.

Économie de l'hydrogène

 

La nouvelle économie de l'hydrogène a le potentiel de perturber et de changer le monde de l'énergie, mais l'économie de l'hydrogène n'a de sens que si elle est basée sur l'hydrogène vert. L'essor des énergies renouvelables, la volonté des pouvoirs publics et du secteur privé de réaliser des économies nettes zéro et le potentiel de l'hydrogène vert jouent tous un rôle dans l'émergence d'une économie de l'hydrogène. Les applications actuelles de l'hydrogène sont le carburant pour fusées, les procédés industriels et la fabrication de produits chimiques, mais le véritable potentiel de l'hydrogène pour l'avenir est celui d'une source propre de carburant pour les transports et la production d'électricité. Le traitement de l'hydrogène comporte ses propres défis, qui vont au-delà de la simple modification de l'infrastructure.

L'un des plus grands défis du changement d'infrastructure sera de transporter l'hydrogène de la production aux points d'utilisation. L'hydrogène est un gaz à petites molécules et les compresseurs centrifuges traditionnels ne sont pas en mesure de transporter de l'hydrogène pur en raison de problèmes de fragilisation du métal et d'un rapport de pression plus faible qui nécessite une augmentation de la vitesse de rotation impossible à atteindre avec les roues métalliques traditionnelles en raison des limitations de la vitesse de pointe.

Le développement d'une toute nouvelle chaîne d'approvisionnement en hydrogène, de la production d'hydrogène vert au stockage d'énergie à l'hydrogène et aux véhicules électriques à pile à combustible, va accroître le besoin de compresseurs centrifuges de nouvelle génération capables de traiter efficacement l'hydrogène de haute pureté. Ces nouveaux compresseurs centrifuges seront rendus possibles par des solutions composites thermoplastiques à haute performance.

Les joints labyrinthes en composite thermoplastique peuvent améliorer l'efficacité des compresseurs centrifuges de 1 % ou plus, sans être victimes de la corrosion ou de la fragilisation du métal. Les roues fabriquées à partir de composites thermoplastiques à rapport résistance/poids élevé peuvent permettre aux compresseurs centrifuges de traiter de l'hydrogène de haute pureté, en réduisant le poids de la roue et les contraintes sur le rotor, ce qui permet des vitesses de rotation plus élevées. Ces technologies permettront aux équipementiers de fournir l'équipement nécessaire pour que les sociétés d'énergie et les gouvernements réalisent les avantages de l'hydrogène vert comme alternative énergétique efficace aux combustibles fossiles.

Fabrication de semi-conducteurs

 

L'industrie des semi-conducteurs a connu une incroyable pression de la demande et de l'offre pendant la pandémie avec l'émergence de l'économie du travail à domicile et les défis de la chaîne d'approvisionnement dus au COVID-19. La fabrication des puces électroniques comporte de nombreuses étapes, dont la gravure, la lithographie, le dépôt, le nettoyage des plaquettes et autres. Ces étapes font appel à des produits chimiques exotiques et agressifs pour créer des structures nodales complexes qui permettent d'atteindre le niveau de puissance informatique actuel.

Il est de plus en plus difficile de relever les défis liés au contrôle de la contamination particulaire et chimique afin d'obtenir des rendements élevés pour les dispositifs à semi-conducteurs, alors que la taille des motifs diminue. Les pièces utilisées dans les chambres et les processus de nettoyage doivent être capables de résister à des températures plus élevées et à des environnements chimiques difficiles sans se dégrader ou créer des particules. Ces conditions conduisent à remplacer les matériaux existants par des matériaux composites thermoplastiques avancés et de nouvelles méthodes de fabrication afin de répondre aux exigences de résistance aux températures et aux produits chimiques pour la prochaine génération d'équipements de traitement des plaquettes.

Références :

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

[2] Keith Campbell. "Airbus commencera à fabriquer des pièces pour le nouvel A350 XWB fin 2009", Engineering News online, 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, consulté le 20 octobre 2021, https://www.britannica.com/topic/SpaceX.

[4] Michael Sheetz. "SpaceX lance une mission de 'covoiturage' transportant 143 engins spatiaux, un record pour un seul lancement", CNBC, 24 janvier 2021, https://www.cnbc.com/2021/01/24/spacex-launches-rideshare-mission-with-143-spacecraft.html.