À Villeurbanne, Safran produit les disques de frein carbone qui équipent les avions du monde entier, mais aussi certaines voitures de Formule 1. Ce site historique, qui a fêté ses 40 ans, abrite le centre d’excellence mondial du groupe pour la production de carbone. Visite guidée.

Toutes les deux secondes, un avion doté de freins carbone Safran décolle quelque part sur la planète. Une partie de ces disques sort des ateliers villeurbannais, implantés sur 53 000 m². Anciennement Messier-Bugatti, le site est désormais intégré à la division roues et freins de Safran Landing Systems.

Introduit dans l’aviation civile dans les années 1980, le frein carbone a profondément transformé les performances des appareils. « Il est quatre fois plus léger qu’un frein en acier, jusqu’à trois fois plus endurant et plus performant à haute température grâce à une capacité d’absorption de l’énergie trois fois supérieure. Les freins doivent supporter des températures extrêmes, jusqu’à 1 000 °C, voire 2 500 °C lors d’un freinage d’urgence », explique Sandra Nguyen, directrice du site de Villeurbanne.

En quatre décennies, les progrès ont été considérables : la durée de vie des disques est passée de 1 000 vols à 2 200 vols. Une évolution portée notamment par la cinquantaine d’ingénieurs et de techniciens du centre d’excellence carbone de Villeurbanne, qui travaille à la fois sur les matériaux et sur les procédés de fabrication.

Un laboratoire d’innovation

Sur place, les équipes développent par exemple de nouvelles peintures protectrices et explorent des matériaux à plus faible empreinte environnementale. En 2018, elles ont mis au point un procédé inédit pour la fabrication du frein « Long Life » ou « SepCarb IV ». Ce dernier intègre des charges céramiques dans le matériau composite, réduisant l’usure et prolongeant la durée de vie du frein

Safran s’appuie aussi sur un réseau de partenariats industriels et académiques. Outre les collaborations avec les écoles d’ingénieurs et les doctorants, le groupe travaille depuis deux ans avec Duqueine Composites pour concevoir des roues avant en fibres de carbone et résine. « Cet assemblage permet de réduire le poids de 30 %. Deux prototypes ont déjà été fabriqués, et l’un d’entre eux a été présenté au Salon du Bourget », précise Philippe Chico, responsable recherche et innovation pour les roues et freins aéronautiques.

L’innovation ne se limite pas aux produits : elle touche aussi les procédés de fabrication, particulièrement énergivores. « L’énergie peut représenter jusqu’à 30 % du coût de production d’un frein carbone », explique Sandra Nguyen. Un enjeu industriel et environnemental que Safran place au cœur de sa stratégie. Depuis 2018, le site de Villeurbanne a ainsi réduit de 25 % ses émissions de CO₂.

Comment se fabrique un disque de frein carbone ?

Car fabriquer un disque de frein en carbone est un processus complexe et long, qui s’étale sur six à sept semaines. Tout commence par la préparation des fibres preox, issues de fibres PAN pré-oxydées. Vient ensuite la fabrication de préformes fibreuses. Par un procédé d’aiguilletage, plusieurs couches de textiles sont entrelacées pour former une structure homogène ensuite découpée en forme de disque. Cette préforme est ensuite placée dans des fours où elle subit plusieurs étapes de carbonisation et est soumise pendant plusieurs jours à des températures extrêmes, pouvant atteindre plus de 2 000 °C. Sous cet effet thermique, les fibres perdent leurs éléments volatils — hydrogène, azote, oxygène — et se transforment en fibres de carbone.

Suit alors la phase de densification, la plus longue du procédé. Le matériau, encore poreux, est exposé à du gaz naturel : le carbone issu du gaz vient alors combler les pores du disque en se déposant sur les fibres de carbone. « À la sortie du procédé, le disque de frein reçoit un ultime traitement thermique pour consolider les propriétés mécaniques, puis est usiné », souligne Sandra Nguyen.

Des tests à l’échelle du réel

Chaque disque subit ensuite des contrôles rigoureux : examens non destructifs, essais mécaniques et thermiques, puis tests de performance sur les quatre bancs d’essai du site. « Nos bancs reproduisent la vitesse d’un avion lors de l’atterrissage afin de mesurer la distance de freinage et la température atteinte », explique Philippe Chico.

Nos bancs d'essai reproduisent la vitesse d'un avion lors d'un atterrissage

Les freins sont également testés dans les conditions les plus extrêmes, notamment le freinage d’urgence au décollage, lorsque l’avion lancé à pleine vitesse doit s’arrêter brutalement avec ses réservoirs pleins. « Dans ces situations, les freins peuvent s’enflammer. Nous mesurons alors la hauteur de la flamme, qui ne doit pas dépasser un certain seuil », ajoute-t-il. Ces tests extrêmes, menés dans les conditions proches du réel, garantissent la fiabilité et la sécurité des systèmes de freinage utilisés sur les plus grands avions civils et militaires.

Véritable centre d’expertise du groupe, le site de Villeurbanne joue un rôle-clé dans la maîtrise du frein carbone, une technologie que Safran Landing Systems continue d’améliorer pour la rendre toujours plus légère, performante et durable. Des innovations qui seront notamment mises en œuvre dans la nouvelle usine que Safran va ouvrir sur le Parc industriel de la Plaine de l’Ain.

Cet article est issu de notre hors-série « Les champions de l'innovation, à retrouver ici.