Pourquoi nous avons développé un gabarit d'essai d'impact de grêle
Vous êtes-vous déjà demandé comment la technologie et les matériaux modernes sont développés pour vous protéger, vous et votre avion, contre des phénomènes tels que les orages contenant des grêlons ? En raison de leurs mécanismes de défaillance complexes, les pièces composites renforcées de fibres doivent être testées expérimentalement pour de tels cas de charge, avec des résultats parfois imprévisibles.
Prenons l'exemple de Xycomp® DLF™ (Discontinuous Long-Fiber). Pendant des années, ce matériau s'est montré très prometteur pour remplacer les pièces métalliques de forme complexe dans les applications aérospatiales. Malheureusement, malgré un très bon comportement en cas d'impact à basse vitesse (poids de chute) et un faible abattement en compression après la résistance à l'impact, des incertitudes ont été soulevées très tôt quant au comportement de ce matériau en cas d'impact de grêle à haute vitesse, ce qui a empêché son adoption dans des endroits où l'on pouvait s'attendre à un tel événement. Comme exemple d'application, un tel cas de charge est particulièrement critique à l'avant d'un turboréacteur à double flux, car tout matériau libéré lors d'un impact peut être ingéré par le moteur avec des conséquences catastrophiques possibles. Il était donc nécessaire de valider les capacités d'impact de grêle de DLF avant de s'engager à développer des pièces aussi critiques avec elle.
En raison du coût et de la logistique des essais, les données sur l'impact de la grêle étaient très limitées et, dans un cas où un client a effectué un essai exploratoire sur des échantillons de stratifié, les résultats étaient médiocres.
Pour étudier cette question de manière approfondie, le groupe de technologie avancée de Greene Tweed a lancé un projet TD (développement technologique) visant à mieux comprendre le comportement du DLF en cas d'impact à grande vitesse et à l'améliorer. Après que les tests aient validé le fait que le comportement en cas d'impact à basse vitesse et à haute vitesse était totalement différent et que le test de la masse tombante ne pouvait pas être utilisé pour prédire la performance en cas d'impact à la grêle, il est devenu évident que la capacité de test serait un élément clé. La flexibilité des essais pour permettre des boucles d'itération de recherche rapides a été identifiée comme un facteur majeur de la réussite du projet, mais le nombre limité d'installations d'essai reconnues offrant de tels services, le coût des essais et les restrictions toujours plus grandes dues à la pandémie de l'époque ont rendu très difficile la réalisation d'une telle vision. Par conséquent, il a été décidé au début de l'année 2020 de développer une capacité interne de test d'impact du grêle.
De nombreux obstacles ont dû être surmontés, qu'il s'agisse de déterminer comment atteindre les vitesses requises de plus de 200 m/s dans l'espace limité disponible ou de trouver un moyen de mesurer avec précision la vitesse d'impact dans un espace restreint. Le processus de fabrication des grêlons lui-même a nécessité une réflexion approfondie, car un "glaçon" normal, tel qu'on le trouve dans un congélateur, se solidifie de l'extérieur vers l'intérieur, créant de graves contraintes internes qui (comme nous l'avons découvert) entraînent la rupture du grêlon pendant la phase d'accélération, transformant l'équipement en un canon à neige peu utile. Après un peu de planification, plus de tests, et quelques boucles d'itération, la capacité de test a finalement été finalisée, et les investigations matérielles réelles ont pu commencer.
Dans sa configuration actuelle, le gabarit d'essai d'impact dispose d'une chambre permettant de tester des composants d'une taille maximale de 600 x 500 x 300 mm, à des vitesses pouvant atteindre 300 m/s. Des essais ont déjà été réalisés avec des grêlons de 2" et 1,5" de diamètre. Les observations de l'essai sont effectuées à l'aide d'une caméra à haute vitesse, qui permet d'enregistrer plus de 10 000 images par seconde.
Au cours de l'année dernière, les connaissances acquises ont permis à Greene Tweed de développer et de démontrer de nouveaux matériaux DLF et des concepts de conception d'applications qui atteignent ou dépassent la résistance à l'impact à haute vitesse des composites traditionnels à fibres continues, en plus d'obtenir une meilleure compréhension du comportement des dommages dans les composites discontinus. Actuellement, plusieurs applications aérospatiales avec des exigences d'impact de grêle sont en cours de développement, faisant bon usage de la capacité d'essai interne et des "leçons apprises".
