Les composites ont suscité beaucoup d’enthousiasme dans l’aérospatiale, mais aussi quelques déceptions. Dans les programmes d’avions à réaction, les composites sont utilisés depuis plusieurs décennies, mais ils sont conçus, traités et post-traités de la même manière que les métaux. La raison en est que, par nature, la conception des composites est extrêmement compliquée. Il n’y a pas beaucoup de théorie derrière la simulation ou l’estimation du comportement des composites, donc les mêmes méthodes simples – pour les métaux – sont appliquées aux composites.

Les composites renforcés de fibres sont directionnels par nature, et c’est la plus grande différence avec les métaux. Ils sont anisotropes, alors que les métaux sont omnidirectionnels, et toutes les méthodes de conception ont été créées pour des matériaux isotropes.

Pourquoi traiter les composites comme des matériaux isotropes n’est pas une bonne idée

L’approche suivante a donc été adoptée : les ingénieurs créent un composite quasi-isotrope, puis le traitent comme un matériau isotrope. Ils superposent des bandes, des fibres et des tissus dans toutes les directions pour qu’ils ressemblent à un matériau isotrope, puis appliquent les mêmes méthodes que pour les métaux.

Mais cela supprime fondamentalement tous les avantages des composites. Voici les valeurs pour l’aluminium et le polymère renforcé de fibres continues.

Matériau	Solidité	Densité
Aluminum	400 MPa	2.7 grams\cm3
CFRP	2 GPa	1.7 grams\cm3

Cela signifie que vous pouvez construire des structures dix fois plus solides, mais dans une seule direction. La résistance du stratifié, un composite quasi-isotrope, n’est que de 300, ce qui est inférieur à celle de l’aluminium. Oui, il est encore plus léger, mais la contrepartie n’est qu’une augmentation de 20 à 30 % de la résistance plutôt qu’une multiplication par dix.

Ensuite, il y a les fissures, les délaminations, les dommages à peine visibles, la faible résistance aux chocs, la surveillance, l’entretien, les coûts, etc. Enfin, un bonus de 20 à 30 % ne compense pas tous les problèmes que vous rencontrez.

Les gens de l’industrie sont pessimistes à propos des composites parce qu’ils pensent que la conception quasi-isotrope est la seule façon de créer des composites, ce qui n’est pas vrai.

Comprendre les avantages de l’anisotropie – la clé pour concevoir des composites optimaux

Avant de créer notre entreprise, je concentrais mes travaux scientifiques sur les simulations et l’optimisation des matériaux composites et j’ai découvert qu’il est beaucoup plus logique d’utiliser les propriétés directionnelles des composites dans le processus de conception, et c’est là que la magie opère.

D’un point de vue mathématique, lorsqu’une structure est chargée, il y a une réponse appelée contrainte en chaque point où la charge est appliquée. Et la contrainte est une valeur directionnelle ; ce n’est pas un vecteur, mais un tenseur, ce qui est plus complexe, mais néanmoins directionnel.

Le tenseur a un principe : pour chaque point du matériau, il existe une résistance interne qui a une direction ; par conséquent, les propriétés du matériau doivent être concentrées le long de cette direction. Vous n’avez besoin de propriétés matérielles que dans la direction dans laquelle le matériau résiste. Elles ne sont pas nécessaires dans d’autres directions, ou seulement dans la mesure où le matériau résiste dans cette direction.

Pour un matériau isotrope, le modèle de résistance aux contraintes est sphérique et uniforme dans toutes les directions. Cependant, la résistance de votre matériau ne résiste que dans une seule direction ; les autres directions sont superflues.

Ainsi, le contrôle de l’anisotropie en chaque point du matériau – à la fois l’orientation et le rapport – permet de concevoir une structure qui correspondrait exactement à la réponse. Dans un paradigme de conception conventionnel, il y a toujours optimisation, mais seulement de la forme.

Les composites permettent d’optimiser la forme, la structure interne et les propriétés – il s’agit donc d’une autre dimension de l’optimisation. Grâce à cette dimension, il est possible de créer des structures beaucoup plus optimales où le matériau fonctionne exactement dans les directions et les points requis. Mais ce n’est pas ainsi que les choses se passent aujourd’hui dans l’industrie.

Conception générative – comment la nature utilise les composites

Nous avons travaillé sur l’optimisation de la topologie et la conception générative des milieux anisotropes et les résultats sont complètement différents et plus naturels.

Et c’est tout à fait évident car la conception générative et l’évolution partagent une méthodologie similaire. Pas identique, mais comparable. Il est donc évident que nous obtenons des résultats comparables.

C’est alors que j’ai réfléchi : et si on examinait la nature pour déterminer quels matériaux naturels existent ? Quels sont les matériaux naturels de conception évolutive, et à quoi ressemblent-ils ?

Les exemples sont partout dans la nature : les arbres et l’herbe contiennent des matériaux fibreux. Même le corps humain possède des fibres (collagène) : dans les muscles et la peau. La méthode est omniprésente dans la nature, cela signifie qu’elle est économe en énergie, ce qui est la chose la plus importante pour l’évolution. Et une dernière chose amusante : la nature a trouvé le moyen d’utiliser les métaux comme matériaux de construction. On trouve donc des métaux dans l’environnement ici et là, mais la nature n’a pas trouvé le moyen de les utiliser pour construire des structures, car cela gaspillerait trop d’énergie.

Construire des constructions sans métal avec des composites renforcés par des fibres

Pour fabriquer quelque chose à partir de métaux, il faut beaucoup d’énergie pour les transformer. Cela signifie que ce n’est pas optimal et que cela va devenir obsolète, donc nous n’utiliserons pas de métaux à l’avenir car il y aura évidemment des composites ou des composites renforcés de fibres. Il y a déjà une tendance à remplacer les métaux par des composites dans la construction :

Ainsi, la façon dont la nature procède à l’évolution est en fait un peu différente de la façon dont nous faisons ou pouvons faire de l’optimisation. Et c’est amusant parce que la nature le fait de manière adaptative. Chaque palmier a son ADN, il sait donc comment se construire, mais il se construit dans des environnements changeants et il s’adapte. Et ce sont des choses très intéressantes. 

Il existe quelques cas où les humains emploient cette stratégie, mais en général, nous imaginons un environnement, nous le décrivons, puis nous disons : « Notre structure devrait fonctionner dans cet environnement ». Nous construisons ensuite la structure et la plaçons dans l’environnement, mais elle ne se développe pas de manière adaptative. C’est probablement trop futuriste, mais à l’avenir, nous découvrirons probablement comment fabriquer des structures adaptatives, et nous passerons alors à l’étape suivante.

Le processus de conception des composites peut sembler intimidant au début, mais avec un peu d’effort, il est possible de créer des structures beaucoup plus efficaces et performantes. Nous pouvons vous aider à repenser la conception de vos produits en utilisant des composites.