Application des matériaux composites dans le domaine des drones UAV

En raison de leurs domaines d'application et de leurs finalités respectifs, les drones et les avions porteurs conventionnels présentent des différences significatives en termes de matériaux de fabrication et de structures. Lors de la conception d'un avion porteur, la priorité absolue est le transport de personnes, ce qui implique des normes et des exigences spécifiques relatives à la sécurité de la structure et à la capacité portante des matériaux. En revanche, les drones ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de sécurité humaine et bénéficient d'une plus grande liberté dans la conception de leur structure et le choix des matériaux. Les matériaux composites offrent des performances supérieures en termes de rigidité, de résistance, de résistance sismique et à la fatigue, ainsi que de coefficient de dilatation thermique ; ils sont donc privilégiés pour la fabrication des drones.

(1) Applications des matériaux composites dans les véhicules aériens sans pilote

1. Composants structurels : La structure principale, les ailes, l’empennage et les autres éléments du drone peuvent être fabriqués en matériaux composites. Ces matériaux présentent l’avantage d’être légers, très résistants, et offrent une bonne résistance à la fatigue et aux chocs, ce qui confère aux drones une durée de vie plus longue et des performances de vol supérieures.
2. Compartiment moteur : Les composants essentiels des drones, tels que les moteurs et les contrôleurs, peuvent également être protégés par des matériaux composites. Ces matériaux offrent un excellent blindage électromagnétique, réduisent efficacement les interférences électromagnétiques et garantissent le fonctionnement stable des systèmes électriques des drones.
3. Matériaux de dissipation de chaleur : Les drones génèrent une grande quantité de chaleur en vol, et des matériaux composites peuvent être utilisés pour fabriquer des ailettes de dissipation de chaleur afin d’aider les drones à dissiper efficacement la chaleur et à assurer le fonctionnement normal des équipements.
4. Système d'alimentation en carburant : L'utilisation de matériaux composites dans les systèmes d'alimentation en carburant des drones prend une importance croissante. Par exemple, des réservoirs de stockage d'hydrogène en composite peuvent servir à stocker l'hydrogène gazeux et à alimenter les drones.
5. Boîtier de capteurs : Les drones doivent être équipés de divers capteurs, tels que GPS, baromètre, gyroscope, etc. Les matériaux composites peuvent être utilisés pour créer des coques légères et très résistantes, protégeant les capteurs des influences environnementales extérieures et assurant leur précision et leur stabilité.

(2) Analyse du processus de fabrication des composants composites des drones

1. procédé de moulage par pressage à chaud

Le procédé de moulage à chaud permet d'obtenir des composants composites pour drones d'une qualité interne et externe exceptionnelle, alliant légèreté et excellente qualité, avec une teneur en résine uniforme et d'excellentes propriétés mécaniques. De ce fait, il est devenu le procédé de choix pour la fabrication des composants composites essentiels aux structures porteuses et répondant aux exigences de haute vitesse des drones. Son principal inconvénient réside dans sa faible rentabilité, due principalement à ses exigences élevées en matière d'équipements de production, d'investissement initial et de coûts de traitement, ce qui freine en partie sa diffusion. C'est pourquoi, pour des raisons économiques, la technologie de moulage à basse température et basse pression est souvent privilégiée dans la fabrication des drones.

2. procédé de fabrication de sacs sous vide

Les avantages de la technologie de formage sous vide sont son excellent rapport coût-efficacité, l'obtention de résultats de fabrication optimaux pour un investissement minimal et sa simplicité de mise en œuvre, ce qui facilite sa diffusion et son déploiement. Son principal inconvénient réside dans la faible pression de moulage, limitant son application aux composants en matériaux composites aux exigences de qualité relativement faibles. Du point de vue des applications, cette technologie est courante dans la fabrication de matériaux composites pour les petits drones à basse vitesse. Concernant les méthodes de mise en œuvre, les opérations préliminaires se répartissent principalement en deux étapes : le dépôt d'un matériau pré-imprégné et le dépôt humide. L'application d'un revêtement adhésif sur les composants composites par le procédé de dépôt de matériau pré-imprégné offre un résultat uniforme, stable et de bonne qualité.

3. procédé de moulage par compression

Les avantages du moulage par compression sont une productivité élevée, une mise en œuvre aisée, un coût avantageux, une pression de moulage élevée et la capacité d'optimiser le rapport coût/qualité des drones. Ce procédé est principalement utilisé pour la fabrication de composants composites de la structure sandwich en mousse des drones. Le processus de moulage se divise en deux étapes : ① production de l'âme en mousse et application du revêtement, ② moulage, pressage et durcissement. L'utilisation de ce procédé pour les composants composites des ailes de drones a permis d'améliorer significativement l'esthétique et la précision de ces dernières. Il est essentiel de choisir judicieusement la presse à compression pour garantir un résultat optimal.

4. technologie de formage à basse température

Les avantages de la technologie de moulage à basse température résident dans son coût de production relativement faible et sa consommation d'énergie maîtrisable. Elle permet de polymériser la résine polymère à basse température entre 60 et 80 degrés, constituant ainsi un complément efficace au procédé de moulage à chaud. Du point de vue de son applicabilité, cette technologie offre non seulement une grande précision dimensionnelle pour les composants composites, mais permet également de polymériser et de former directement les matériaux composites à température et pression ambiantes. C'est pourquoi elle est largement utilisée dans la fabrication de drones. En termes d'efficacité opérationnelle, comparée aux technologies de moulage à haute température, la technologie de moulage à basse température permet de réduire considérablement les coûts de production des drones tout en garantissant une excellente qualité des composants composites. Par ailleurs, pour optimiser les performances de cette technologie, il est essentiel de poursuivre l'amélioration des résines et des préimprégnés spécifiques au moulage à basse température.

(3) Proportion de matériaux composites pour drones

La structure principale et les composants des ailes des drones sont généralement fabriqués à partir de matériaux légers et très résistants, tels que les matériaux composites et les alliages d'aluminium. Ces matériaux sont relativement coûteux, mais leur légèreté contribue à améliorer les performances de vol des drones. Les matériaux de structure représentent environ 20 à 30 % du coût total d'un drone.

La proportion de matériaux composites dans la masse des drones varie selon leur type, leur taille et leur utilisation. De manière générale, elle peut atteindre 50 % ou même plus. Voici une estimation approximative :

Petits drones : Pour les petits drones, la proportion de matériaux composites utilisés est relativement élevée, pouvant atteindre 70 à 80 % du poids total. En effet, les petits drones utilisent souvent des matériaux légers pour optimiser leurs performances de vol, tandis que les matériaux composites présentent une résistance et une rigidité élevées, répondant ainsi aux exigences structurelles de ces appareils.

Drones de taille moyenne : La proportion de matériaux structurels dans les drones de taille moyenne est relativement faible, les matériaux composites représentant environ 50 à 60 % de leur poids. Ceci s’explique par le fait que ces drones peuvent avoir besoin d’emporter des charges plus importantes, telles que du carburant, des capteurs et des charges utiles ; le choix des matériaux structurels privilégie donc le compromis entre performance et poids.

Grands drones : La proportion de matériaux composites dans la structure des grands drones est généralement faible, de l’ordre de 30 à 40 %. Ceci s’explique par l’utilisation de matériaux structurels lourds, tels que les alliages d’aluminium et de titane, pour résister aux charges et aux vents violents. De plus, ces drones disposent souvent d’un espace plus important pour le carburant, l’équipement et le personnel, ce qui justifie la faible proportion de matériaux composites utilisés.