Fabrication additive de panneaux sandwich multifonctionnels en polymères renforcés résistants à la haute température pour applications aérospatiales

Les concepteurs des futures générations de moteurs d’avion cherchent avant tout à consommer le moins de carburant possible, parfois au détriment du bruit émis. Cependant, les réglementations concernant les nuisances sonores liées à l’aviation sont de plus en plus strictes. Il est alors nécessaire de trouver des méthodes pour réduire la pollution sonore des moteurs. Les résonateurs de Helmholtz (RH) et les micro-treillis sont des structures qui permettent d’atténuer des fréquences sonores précises de manière passive, c’est-à-dire que la structure se suffit en elle-même pour atténuer des sons et n’a pas besoin d’être alimentée par un système extérieur. Les RH sont déjà utilisés pour atténuer le bruit émis par les moteurs d’avion, en étant insérés dans des structures sandwich entourant les moteurs. Ces structures sandwich sont constituées de deux plaques entre lesquelles est inséré une âme de plus faible densité. Combiner des RH de dimensions différentes permet d’élargir le spectre d’absorption mais rend la fabrication par pliage des nids d’abeille beaucoup plus complexe. La fabrication additive (FA) permet justement d’obtenir des structures à géométries difficilement manufacturable autrement. La fabrication par filament fondu (FFF), une technique de FA qui permet d’empiler des couches de filaments de polymères thermoplastiques, est compatible avec l’utilisation de polymères résistants haute température (PRHT) renforcés, utilisables dans un contexte aéronautique. Cependant, la surface du carter du moteur d’avion a une courbure bidimentionelle, ce qui rend difficile l’utilisation d’une imprimante FFF classique. En effet, une imprimante FFF imprime de manière dite « planaire », c’est-à-dire que les couches de matériau sont déposées dans un même plan, à plat. Pour obtenir des pièces dont le dépôt de matière suit la courbure, il faut alors utiliser une infrastructure capable d’imprimer en « non-planaire ». L’objectif de cette recherche est donc de développer une structure acoustique imprimée par FFF de manière non-planaire capable d’atténuer le bruit sur une plage de fréquence donnée, le tout en utilisant des PRHT renforcés. La première étape est de fabriquer une preuve de concept d’un panneau sandwich planaire avec un polymère basse température comme l’acide polylactique (PLA), et de vérifier les capacités d’atténuation sonore d’une combinaison de cinq RH. La structure ainsi développée, appelée « Trapézoïdale Compacte » (TC), possède un coefficient d’absorption supérieur à 0.9 entre 643 Hz et 1160 Hz. Les performances en flexion 3-point du panneau sont par la suite comparées à une structure de référence avec une âme en nid d’abeille imprimée dans les mêmes conditions. TC est jusqu’à 10% plus rigide que le panneau de référence. La structure TC peut être ainsi être qualifiée de multifonctionnelle grâce à ses propriétés acoustiques et mécaniques en flexion 3-point. Fabriquée en une seule étape, elle ouvre des perspectives intéressantes sur la conception de panneaux sandwich par FA pour applications aérospatiales. Ensuite, différents types de panneaux sandwich sont imprimés avec des PRHT pour observer le comportement des panneaux lors d’essais en flexion 3-points. Un panneau de référence, imprimé en poly éther éther cétone (PEEK) renforcé en fibre de carbone courtes avec une âme en nid d’abeille a été comparé en flexion 3-point avec d’une part des panneaux dont la peau supérieure a été imprimée en micro-treillis et d’autre part des panneaux dont l’âme a été imprimée avec du PEEK pur. La diminution de la rigidité des panneaux est corrélée à la diminution de leur masse. Mais les panneaux dont l’âme n'est pas renforcée ont une rigidité 18% supérieure à ceux entièrement imprimés en PEEK renforcé. Enfin, une fois que la géométrie du panneau est fixée, un système pour FFF est installé sur un bras robot 6-axes afin de réaliser des impressions non-planaires. Une enceinte chauffante est construite afin que le système d’impression soit compatible avec des PRHT. Des poutres courbées sont imprimées afin de vérifier l’intérêt de l’impression non-planaire sur l’amélioration de la qualité de surface et des performances en flexion de pièces courbées. La rigidité en flexion des poutres courbées non-planaires est 28% supérieure à celles des poutres courbées planaires. La surface d’une poutre courbée non-planaire imprimée est 31% plus proche du modèle que celle d’une poutre courbée planaire imprimée. Une preuve de concept d’un panneau contenant des structures acoustiques (e.g., des structures trapézoïdales et deux sortes de micro-treillis) est imprimée de manière non-planaire avec des PRHT renforcés. L’utilisation de la FFF de PRHT non-planaire ouvre une nouvelle voie dans la fabrication des structures acoustiques pour application aérospatiale, mais également pour tout secteur nécessitant l’utilisation de PRHT pour fabriquer des structures complexes, comme le domaine biomédical.