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Le matériau suit la fonction

En raison de leur faible poids et de leur adaptabilité, les matériaux composites sont dans divers secteurs, en particulier dans le domaine automobile, un thème d’actualité brûlante. Ils ne sont pourtant jusqu’à présent à peine utilisés dans la production en grande série ; car le matériau renforcé par des fibres ne développe ses caractéristiques que seulement au cours de la fabrication de l’élément. Dans le développement de produits, il n’est donc pas possible de reprendre simplement l’approche habituelle pour des éléments métalliques et de démarrer par une conception constructive. Au lieu de quoi, les experts en composite du prestataire de services d’ingénierie, ARRK|P+Z Engineering, adoptent une combinaison d’expériences pratiques, leur permettant que la forme suive la fonction, mais aussi le matériau. Cette nouvelle approche de développement autorise une conception géométrique idéale sans poids superflu. De plus, ce principe garantit simultanément une transparence continue tout au long du processus de recherche de solutions.    

Aujourd’hui, les simulations s’utilisent le plus souvent pour valider des ébauches de conception ; en d’autres mots, la géométrie déjà déterminée pour un matériau précis, sera contrôlée, puis éventuellement améliorée. Et cette procédure est si bien établie que les fabricants ne se servent que des seules technologies qu’ils peuvent simuler, un véritable handicap pour que les matériaux composites puissent s’imposer. Les caractéristiques réelles des composites fibreux dépendant de nombreuses variables telles que la teneur volumique en fibres, la structure des couches, le type de produit semi-finis, le drapage des fibres et les paramètres de traitement ne se dégageront qu’à la fabrication.

Nous disposons certes de caractéristiques pour les matériaux de départ, pouvant fréquemment s’utiliser de manière similaire aux données de matériaux classiques, mais le fabricant renonce alors à l’un des plus grands avantages des FRP : au lieu d’optimiser la géométrie du prototype par des moyens chronophages et coûteux, un processus de développement adéquat permettrait d’adapter simplement les caractéristiques des matériaux. Thomas Burkart, responsable du groupe Calcul technique et simulation chez ARRK|P+Z Engineering résume le problème : « En se conformant à l’approche de développement habituelle, basée sur la construction, nous obtenons grâce aux composites un élément certes plus léger que l’acier mais tout de même pas aussi léger qu’il pourrait l’être. »       

Les trajets de charge seront d’abord déterminés, puis la géométrie et le matériau choisis en conséquence

Les experts de l’entreprise ont conçu une approche alternative, adaptée aux particularités des matériaux composites et reposant sur des calculs techniques ; cette approche part de l’espace d’installation donné ainsi que des objectifs de développement et des exigences de l’application. Une analyse topologique sera d’abord effectuée sur cette base afin de déterminer les trajets de charge principaux. Monika Kreutzmann, la responsable du CoC (centre de compétences) Composites chez ARRK|P+Z Engineering, déclare : « Nous pouvons ainsi évaluer dans une phase de conception très précoce les emplacements où des charges monoaxiales ou multiaxiales seront exercées et y adapter la planification future.» « Les méthodes standards ne permettent qu’une constations très tardive de l’emplacement où quelles charges vont se manifester, entraînant des boucles de développement supplémentaires coûteuses. »

En utilisant les trajets de charge déterminés, une première ébauche conceptuelle de la géométrie sera créée dans une prochaine étape, tout en choisissant directement les configurations de matériaux et les orientations des fibres adéquates. Dans le cas idéal, les forces agissant sur les éléments en composites peuvent être simplement compensées par une orientation des fibres adaptée au lieu d’avoir recours à des parois plus épaisses ou à des nervures d’appui. Dès cette phase précoce, il sera fait appel au savoir-faire d’autres secteurs afin d’établir un concept ciblé. Dans le cadre de cette collaboration, une expertise en fabrication est essentielle car il faut notamment décider de la construction et de la technique de production en soi. Ces dernières sont essentiellement déterminées par les exigences du client (en général, volume de fabrication important ou bien performance mécanique élevée) demandant au cas le cas d’autres processus.

Au cours du développement de l’ébauche, les assemblages à l’intérieur de l’élément et ceux vers les composants adjacents seront en outre à examiner séparément. Au lieu d’utiliser des solutions modulaires comme dans la construction métallique, les flux de force seront pris en compte ici. La conception partant de la topologie et le matériau flexible offrent alors des possibilités de solutions spéciales : par exemple, en regroupant des pièces individuelles ou en choisissant les géométries afin que les zones séparatrices se trouvent à des emplacements moins soumis à des contraintes, tout en augmentant la robustesse et en réduisant la complexité d’assemblage. Monika Kreutzmann : « Si des inserts en métal s’utilisent pour renforcer le corps composite et y intégrer une dissipation des forces, il convient en outre de respecter des facteurs tels que différents coefficients de dilatation thermique ou risque de corrosion et dimensionner en conséquence la structure du matériau. »    

Choix du niveau de détail de la simulation en fonction des besoins

En utilisant ces deux paramètres de l’ébauche, le matériau et la géométrie, un modèle CAO sera alors créé, qui dans le prétraitement, servira de base à un développement futur et à la simulation. Dans le cas de la modélisation, il est possible d’utiliser des simplifications aussi bien pour la forme réelle que pour les dimensions et le nombre des éléments de calcul. Thomas Burkart se souvient : « Au cours de la procédure ultérieure, il est toutefois important de ne pas oublier ces simplifications qui pourraient influencer la précision des résultats. » Il recommande d’utiliser dans une large mesure des éléments de coque dans une finesse de maillage, garantissant une répartition uniforme des contraintes. En créant le modèle, il faut en outre tenir compte de la construction et veiller à l’alignement correct des éléments ainsi qu’à la structure des couches. Les assemblages vissés, boulonnés et collés seront représentés d’une manière suffisamment fidèle dans un modèle grossier à l’aide de corps rigides, de poutres ou d’éléments solides. Pour des examens détaillés, il est toutefois recommandé d’affiner séparément les emplacements de défaillance critiques.

Pour les calculs proprement dits, nous disposons entre-temps de nombreux solutionneurs spécialisés. Pour le posttraitement des matériaux composites fibreux, il est encore plus important de trouver les configurations correctes qui auront une influence décisive sur les résultats et la qualité. Dans le cas des matériaux composites, il est préférable de toujours procéder à l’évaluation dans un système de coordonnées matérielles ou dans un système de coordonnées locales dimensionné pour le premier système. Et dans le cas d’éléments de coque, il est indispensable de tenir compte de l’emplacement où l’évaluation se fera. Selon l’expert en simulation : « Pour l’analyse des résultats, il est en général préférable de faire appel à des efforts qu’à des indices d’erreur car les premiers fournissent des informations sur la modulation linéaire.» Entre-temps, quelques postprocesseurs offrent de surcroît leurs propres outils pour composites permettant une représentation des points de défaillance critiques et des courbes contrainte-allongement. 

Approfondissement des détails en plusieurs étapes

Sur la base des conclusions de la simulation, la géométrie, mais notamment aussi la structure des couches du matériau composite et le drapage des fibres seront optimisés à l’aide d’outils adéquats en plusieurs boucles d’itération et leur aptitude vérifiée. Pour trouver toutefois une construction répondant aussi bien aux exigences de fabrication qu’à des conditions limites telle qu’une certaine rigidité visée pour des charges minimales de matières premières, un savoir-faire en ingénierie supplémentaire est nécessaire. Chez ARRK|P+Z Engineering, l’approfondissement des détails s’effectue donc en plusieurs étapes : un concept de design sera d’abord généré pour chaque zone de charges, tenant compte des épaisseurs et des orientations des fibres nécessaires. Ces prescriptions seront réalisées à travers la structure du stratifié et des différents faisceaux de couches et la conception parallèlement optimisée en tenant compte de la faisabilité. Et il faut enfin déterminer l’ordre d’empilage idéal des couches, une intervention manuelle dans la structure du stratifié étant alors conseillée, les solutionneurs actuels s’avérant ici d’un soutien insuffisant. 

Il faudra en outre décider si la technique d’assemblage a été représentée d’une manière suffisamment précise pour fournir des valeurs de défaillance fiables. C’est d’autant plus pertinent qu’outre l’objectif principal de développement, toutes les exigences à satisfaire seront alors examinées en approfondissant les détails. En raison des conflits d’objectifs entre les différents secteurs se manifestant fréquemment, l’interaction du design, du choix du matériau et de l’utilisation de l’espace d’installation sera éventuellement réadaptée ici. Pour terminer, tous les cas de charge à respecter seront encore simulés et documentés. Les conseils de Thomas Burkart : « Les caractéristiques du matériau composite ne se manifestant définitivement qu’à sa fabrication, il est en outre recommandé de toujours effectuer des essais pratiques de l’élément. »

Résumé et perspectives

Nous pouvons généralement dire qu’aujourd’hui, une approche assistée par simulation permet de développer très rapidement des éléments en composites, en bénéficiant notamment de tous les avantages de ces matériaux ; différents outils logiciels couvrant d’ailleurs déjà de nombreuses tâches. Un avantage tout aussi important de cette méthode est qu’elle rend les processus de développement compréhensibles et transparents, ce qui sur le long terme, devrait favoriser leur acceptation dans un environnement industriel. 

Mais pour y arriver, d’autres étapes sont encore nécessaires, et en particulier une normalisation complète de la technologie des composites. ARRK|P+Z Engineering utilise déjà des normes établies en interne, couvrant tous les domaines des matériaux composites afin de pouvoir fournir une qualité uniforme dans l’ensemble de l’entreprise. Monika Kreutzmann, la responsable du CoC Composites nous explique : « Mais cela ne suffit pas pour que les matériaux composites puissent vraiment s’imposer dans la production en grandes série. Nous avons besoin de normes fixes et d’environnements d’outils uniformes afin de convaincre les entrepreneurs, habitués à la prévisibilité de l’acier, de la fiabilité des plastiques renforcés par des fibres. » Monika Kreutzmann et ses collègues s’engagent donc aussi dans les réseaux professionnels internationaux MAI Carbon et Carbon composites e.V., travaillant à faire avancer la normalisation. « Le but poursuivi est que les développements utilisant des matériaux composites ne soient plus considérés comme un “art mystérieux”, mais comme un travail d’ingénieur solide et avant tout valide. »

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