Résultat du Projet CELPACT : Cellular concept structure
Le projet Celpact « Cellular materials for impact » s’est consacré à la mise au point et à l’amélioration de structures sandwichs innovantes pour des applications aéronautiques du futur. Concrètement, deux familles de matériaux (métallique et composite) ont été étudiées via une triple approche combinant leur fabrication, la modélisation numérique de leur comportement et la caractérisation de leurs performances dans un contexte de tolérance au dommage. Les travaux de ce consortium de 12 partenaires piloté par le centre de recherche aéronautique allemand (le DLR) ont permis de : -valider les caractéristiques mécaniques de plusieurs matériaux d’âme composites et métalliques grâce à la mise en place d’essais laboratoire pertinents visant à étudier les matériaux depuis l’échelle microscopique jusqu’à l’échelle macroscopique, -améliorer les procédés de fabrication. -tester et comparer plusieurs approches numériques pour modéliser le comportement de ces matériaux et les optimiser Par exemple, les essais aux canons à gaz avec des projectiles rigides et déformables donnent des informations précieuses sur les capacités d’absorption d’énergie du cœur et de la peau des structures sandwichs. Les résultats obtenus peuvent servir de données d’entrée pour un dimensionnement de pièces mais aussi servir de référence pour valider les modèles de prédiction de comportement de ces matériaux. Le chef de projet AIRBUS, qui a suivi CELPACT depuis son démarrage, a présenté les zones des appareils qui pourraient « accueillir » ces structures innovantes. Il a illustré sa présentation en montrant les sollicitations auxquelles les différentes parties d’avion doivent répondre. Si l’utilisation de structures composites sandwich n’est pas nouvelle, on ne les trouve dans les appareils actuels que pour des pièces non vitales, utilisées comme boucliers rapportés pour assurer la protection de pièce de classe 1, ces dernières étant vitales. (exemple : bords d’attaque, bouclier de fond étanche…). CELPACT a permis de définir les caractéristiques, notamment l’absorption d’énergie, requises pour pouvoir être intégrées dans des parties vitales de la structure. Un des nombreux résultats du projet a été de montrer par exemple que la résistance à l’impact du matériau développé par l’Université de Stuttgart (structure pliée en papier aramide) lui permettait d’être une alternative possible aux mousses polymères ou aux nids d’abeille Nomex actuellement utilisées. Egalement, les structures cellulaires métalliques développées par ATECA ou l’Université de Liverpool pourraient se révéler être de bonnes alternatives au nid d’abeille aluminium utilisé pour certaines applications Il est intéressant d’analyser les raisons du succès de ce consortium de rechercheun noyau dur de partenaires qui avaient déjà collaboré dans d’autres projets et se connaissaient avant de s’engager pour ces nouvelles perspectives, et une culture commune, ensuite : la quasi-totalité des partenaires travaillent dans la thématique aéronautique. Autre point fort, l’implication sans faille des utilisateurs finaux, AIRBUS, et les centres de recherche de EADS en Allemagne et en France. Au fil des réunions, leurs observations et leur mise en perspective des travaux du groupe avec les directives en vigueur actuellement dans l’aéronautique ont permis de cibler les efforts et de parvenir à des résultats répondant à des besoins réels en interne. Lors de la réunion finale, en septembre dernier, le chef de projet de Airbus, a en effet pu positionner les résultats de CELPACT sur l’échelle de maturité utilisée dans le groupe EADS. En effet, pour évaluer ses nombreux travaux de R&D en cours, AIRBUS dispose d’une grille estimant les niveaux de TRL (« technology readiness level ») de chaque projet. Les résultats du projet européen CELPACT se situent au niveau 3 de cette grille de maturité qui comprend 9 échelons. Les propriétés des matériaux sont connues, il reste à les adapter, tester et optimiser pour une intégration dans des démonstrateurs de TRL6 représentatifs de pièces réelles. Ensuite il resterait encore 3 échelons à gravir pour envisager une introduction de ces matériaux sur les pièces avion. Dix ans seraient encore nécessaires en moyenne pour que les matériaux CELPACT arrivent au stade de production. Cela dépend, bien entendu, du budget encore à investir… ************************************************************** Alastair Johnson, coordinateur du projet pour le DLR (Stuttgart) suite à un entretien, nous a donné des d’éléments supplémentaires: - Pouvez-vous expliquer l’historique de CELPACT? Suite à un projet européen (CRAHVI), qui s’était très bien passé, nous étions un groupe de partenaires qui souhaitait continuer à collaborer sur la thématique des résistances à l’impact. Airbus et EADS sont alors venus vers nous avec l’idée d’axer un projet plus particulièrement sur les structures sandwich. CELPACT n’est donc pas parti de zéro, mais d’un noyau de partenaires et en tant que coordinateur, j'ai ensuite convié d'autres compétences. - Le LMT (ENS Cachan) et l’Université de Brno n’avaient pas collaboré avec vous auparavant. Qu’ont-ils apporté à la dynamique initiale ? LMT Cachan est un des meilleurs spécialistes européens dans les matériaux composites. Ils ont apporté un savoir-faire scientifique de haut niveau et en particulier, de nouvelles idées pour tester les échantillons au niveau microscopique. Cela a permis d’obtenir une technique de calcul pour reproduire la résistance aux impacts très satisfaisante. Dans le cas de l'université de Brno, c’est leur département aéronautique qui était partie prenante. Ce département avait été impliqué dans la conception d’un avion pendant l’époque soviétique, ils ont ainsi pu apporter cette approche globale. - Quelles sont, selon vous, les réalisations les plus importantes de Celpact? Premièrement, nous avons construit et testé avec succès 2 familles de matériaux légers, à base métallique et composite. Ensuite, les résultats obtenus en modélisation sont très encourageants. Nous avons mis au point des méthodes pour modéliser les caractéristiques des matériaux en fonction de leur géométrie. Prédire les performances est essentielle dans l’optimisation du design de nouvelles structures sandwich car la modification de la géométrie modifie réellement ses propriétés et il n'est bien sûr pas possible de tester les millions de combinaisons possibles … - Quelles sont les principales difficultés que vous avez rencontrées? Les principales difficultés étaient liées à la conduite même du projet, toutes les activités étaient interdépendantes entre elles et réalisées par 12 partenaires techniques. D’abord les échantillons devaient être fabriqués, puis testés, puis les résultats des tests devaient être comparés aux modèles numériques. Réaliser l’ensemble du programme dans les 36 mois impartis a été un vrai défi! - Quels ont été les facteurs clés de réussite? Tout d'abord, un partenariat bien équilibré avec un spécialiste identifié dans chaque domaine de recherche. Deuxièmement, la proposition a été très bien construite avec un niveau de détail fin, par conséquent, très peu de changements ont dû être effectués au cours de l'exécution du projet ; enfin, avoir ALMA partenaire du projet pour les aspects management. Avoir un partenaire en management qui n'est pas impliqué dans les travaux techniques et qui se consacre uniquement aux aspects administratifs et financiers du projet est un véritable atout. - Est ce que vous pensez que les résultats vont être exploités ? Pour les applications aéronautiques, les matériaux Celpact ont été classés au niveau 3 sur la grille d’évaluation (TRL) selon Airbus. Ils ont montré un certain potentiel mais beaucoup de travaux supplémentaires devront encore être effectués, pour l’optimisation des méthodes de fabrication notamment (qualité, de reproductivité). Alors, il n'est pas certain que ces développements soient mis en œuvre par l’industrie aéronautique. Ceci dit, ils seront certainement utilisés dans d’autres secteurs. CELPACT était avant tout un projet axé sur les matériaux/structures sandwichs et ses résultats sont précieux pour l'automobile et les structures ferroviaires par exemple. Y aura-t-il un CELPACT 2 selon vous? Il y aura certainement plusieurs projets au niveau européen. Sans doute chacun sera centré sur une seule famille de produits, matériaux métalliques d’une part, matériaux composites d’une autre, avec des applications ciblées. ************************************************************** Les principales conclusions de CELPACT peuvent être résumées comme suit: -Current aircraft sandwich structures are not designed for high impact energy absorption – cores act as a spacer to the skins and have low energy absorption -New core concepts required for vulnerable areas with higher structural functionality and energy absorption properties -Foldcore with aramid paper core has a high potential to become a structural energy absorbing core in aircraft structures – replacing polymer foams and Nomex honeycomb -New cellular metallic cores with SLM fabrication and brazed truss cores have high potential for EA cores -Cellular cores with improved impact behaviour have higher densities – niche applications in critical regions - Gas gun tests with hard and deformable projectiles give valuable information on role of skin and core in absorbing energy - FE simulation methods developed and validated to predict foldcore, SLM and sandwich properties -Optimisation studies are now being applied to design aircraft SW structures with required mechanical properties and costs
Pays
Autriche, Belgique, Bulgarie, Chypre, Tchéquie, Allemagne, Danemark, Estonie, Espagne, Finlande, France, Hongrie, Irlande, Italie, Lituanie, Luxembourg, Lettonie, Malte, Pays-Bas, Pologne, Portugal, Roumanie, Suède, Slovénie, Slovaquie, Royaume-Uni