Les matériaux composites suivent une croissance de 6 à 7 % par an. Ils touchent une grande variété de secteurs allant de l’aéronautique au médical, souvent dans une logique de remplacement des métaux. Toutefois, la conception des pièces composites est bien plus complexe que celle de leurs homologues métalliques et les défaillances en sont tout aussi diverses. Le point avec Sophie Toillon, ingénieure au Cetim et référente en analyse de défaillances de pièces polymères et composites.

En quoi l’analyse de défaillance des pièces fabriquées en matériaux composites est-elle complexe ?

Sophie Toillon : Les composites restent récents et font l’objet d’une importante R&D visant à bien comprendre les mécanismes d’endommagements. En tant que matériaux organiques, les composites sont notamment sensibles à leur environnement de fonctionnement (humidité, produits chimiques, température, pression, etc.).

Par ailleurs, chaque composite est par nature unique ce qui complexifie leur analyse. Cela découle du choix des résines et des fibres qui les composent, des séquences d’empilement des renforts, etc. Par exemple, deux éprouvettes de composites ayant des orientations différentes n’auront pas le même comportement mécanique Cela vient également d’une grande variété de processus de fabrication et de types de défauts potentiels associés. En fait, il n’existe pas encore de règle générale permettant de définir le niveau de nocivité d’un défaut. Des compétences spécifiques en matériaux-produits-procédés sont donc indispensables pour une bonne compréhension des mécanismes de défaillances de ces matériaux.

Comment, dans ces conditions, prévenir les défaillances dans les matériaux composites et prolonger la durée de vie d’un produit ?

Les causes de défaillances d’une pièce composite sont multiples. Elles peuvent par exemple découler d’erreurs de conception, de défauts ou de singularités générés lors de la fabrication, mais non appréhendés lors du dimensionnement. Une défaillance peut aussi venir d’une utilisation inadaptée du produit ou non anticipée. On peut prendre l’exemple d’une tuyauterie composite qui casserait sous l’effet de surpressions provoquées par un coup bélier ou du fait d’un abattement des caractéristiques mécaniques au contact du fluide transporté. Ces défaillances auraient pu être évitées en menant en amont une étude hydraulique du réseau ou grâce à des tests mécaniques sur éprouvettes préconditionnées dans l’environnement de service.

Le retour d’expérience issu de l’expertise de pièces prélevées sur le terrain et d’essais de qualification aide à parfaire la compréhension du processus d’endommagement et des facteurs influents. Cela donne également les bases nécessaires pour optimiser la conception d’une pièce composite, rendre un procédé de fabrication plus robuste et ainsi améliorer la qualité finale et la durabilité du produit.

Par ailleurs, l’analyse de défaillance permet de définir les contrôles ou inspections pertinents à mettre en place sur la structure en service (SHM). Les fibres optiques servent, par exemple, au suivi des déformations au sein de coques de bateaux de course. L’émission acoustique assure des mesures in situ dans les réservoirs sous pression. Ces contrôles en continu favorisent la détection d’endommagements en amont pour pouvoir réparer avant une casse et donnent également accès à des données fiables pour établir des durées de vie résiduelles des pièces.

Comment cette expertise vous permet d’accompagner les industriels face aux nouveaux enjeux environnementaux ?

L’utilisation des matériaux composites répond en partie aux enjeux de la transformation environnementale et énergétique (TEE) à savoir le développement de nouvelles énergies, la mobilité durable via l’allégement, la durabilité et la réparabilité. Elle amène aussi de nouveaux défis qui nécessitent d’anticiper le comportement des matériaux composites dans des conditions potentiellement plus sévères, dans de nouveaux environnements. Cela impose aussi de s’intéresser à de nouveaux matériaux tels que les produits biosourcés et à appréhender l’impact du recyclage sur la durée de vie d’une structure.

Le Cetim s’appuie sur sa R&D et son retour d’expérience pour identifier et lever certains verrous technologiques. Il participe notamment à des projets européens tels que le projet Thor qui vise à développer un démonstrateur de réservoir de stockage d’hydrogène en matériau thermoplastique recyclable. Les laboratoires du Cetim ont également fait l’acquisition de nouveaux équipements permettant de caractériser le comportement des matériaux dans des conditions de fonctionnement spécifiques telles que les environnements cryogéniques.

Enfin, il fait évoluer les compétences chez les industriels pour anticiper ces changements à travers des missions d’accompagnement et de nouvelles formations Cetim Academy.

Vous souhaitez en savoir plus ? Inscrivez-vous au webinaire animé par Sophie Toillon le 2 avril 2024. 

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