Au-delà de la niche: Usinages et fabrications alternatives de pièces aérospatiales
Publiée le mardi 24 septembre

Mots Clés: Fabrication additive 3D, aérospatiale et défense, Usinage alternatif, Fluides de coupe, Formation et fabrication, impression 3D, 3D Systems Inc., fabrication additive, réalité augmentée, Autodesk Inc., Boeing Co., Electroimpact Inc., Elite Aerospace Group Inc., EOS Amérique du Nord, Shape Technologies Group

Texte original (Anglais): https://advancedmanufacturing.org/beyond-niche-alternative-mfg-aerospace-parts/

Kip Hanson, 3/04/2019 - Traduction/Adaptation par JB ANTOINE pour BONNIN Méca-Spé, 24/07/2019.

Usinages et fabrications alternatives de pièces aérospatiales. Revue globale de Procédés de fabrication non traditionnels actuels. Focus sur Fabrication Additive rapide. Composites Directionnels: L'aéronautique ne retournera jamais plus aux métaux ! Découpes et usinages Jet d'eau. Technologies hybrides usinages et autres techno avancées.

  • Procédés de fabrication non traditionnels

machine à jet d'eau abrasive à cinq axes

(machine à jet d'eau abrasive à cinq axes est utilisée pour couper un disque pour un moteur à réaction. (Fourni par SHAPE Technologies))

Des jets de banlieue aux satellites de communication, l’industrie aérospatiale continue d’adopter des procédés de fabrication non traditionnels.

Un avion de ligne commercial typique contient des millions de composants discrets. Cependant, à condition que l'avion arrive à destination en toute sécurité, dans les délais, et sans un bébé qui hurle derrière lui, la plupart des passagers aériens se moquent bien de la fabrication de ces pièces. Les passagers aériens se préoccuperaient peut-être davantage de la construction de leur avion s’ils savaient que les méthodes de fabrication utilisées avaient une incidence directe sur tout, du prix des billets et de la durabilité de l’aéronef au confort des passagers et à la qualité de l’air de la planète Terre.

Ces méthodes ont beaucoup évolué au cours des dernières années, en grande partie grâce à une industrie du transport aérien qui exige une réduction de la consommation de carburant afin de réduire les coûts de carburant et aux limites de plus en plus strictes imposées par le gouvernement en matière de consommation de carburant. L'argument en faveur de véhicules de toutes sortes a conduit à l'adoption de nouveaux matériaux et technologies de fabrication inédits

La fabrication additive, mieux connue sous le nom d'impression 3D est devenu le moyen privilégié, souvent unique, de produire des composants et des outils aérospatiaux rentables. "La fabrication additive a perturbé le secteur", a déclaré Adam Broda, responsable principal de l'ingénierie de production pour la fabrication additive chez Boeing Co. à Chicago.

Les tendances récentes en matière de fabrication additive en aérospatiale (AM) visent à l’utiliser pour réduire les longs délais de fabrication des composants et des outils, at-il déclaré, ainsi que pour réduire le coût des pièces de conceptions complexes. Mais il a également lancé une révolution du logiciel de conception et de simulation, qui aidera les fabricants de l’aérospatiale à optimiser leurs conceptions. Par exemple, le logiciel d'optimisation de la conception, associé aux pièces et aux outils AM, a aidé les équipes de Boeing à réduire leurs coûts tout en réduisant le poids de l'avion et en améliorant leurs performances. «Un autre avantage de la fabrication additive est que Boeing produit moins de déchets», a-t-il noté. «Cela permettra également à l'entreprise de réduire le nombre d'outils volumineux stockés, car Boeing n'aura besoin que de stocker le fichier individuel à imprimer à la place de l'outil lui-même.»

L’usine de Boeing à Auburn, dans le Washington, utilise les techniques de frittage laser direct (DMLS) et de fabrication de filaments fondus (FFF) et envisage à l’avenir de mettre en œuvre la technologie de lit de poudre de polymère. Selon Broda, ces méthodes offrent un bon équilibre entre une efficacité de pointe et une technologie renforcée en production.

Scott Killian, responsable du développement commercial pour le secteur aérospatial chez EOS North America, à Pflugerville, au Texas, est le fabricant du matériel d’impression métallurgique DMLS que nous venons de mentionner, ainsi que de diverses technologies d’impression sur polymères. "Polymer continue de jouer un rôle important dans l'aérospatiale, mais la plate-forme qui attire le plus l'attention et est à l'origine de la croissance explosive de ces cinq ou six dernières années est l'impression 3D en métal, en particulier la fusion sur lit de poudre", a-t-il déclaré. «L’aérospatiale a vraiment été l’une des premières industries à découvrir tout ce que l’impression sur métal peut faire.»

  • Fabrication Additive rapide

filtre RF imprimé en 3D conçu par Airbus Defence and Space

(Le filtre RF imprimé en 3D conçu par Airbus Defence and Space et intégré dans la charge utile du satellite. Le nouveau filtre réduit le poids de 50% par rapport au modèle précédent. (Fourni par 3D Systems))

Il existe un dicton répété au sein de la communauté AM: la complexité est libre. C’est ce qui explique en grande partie l’attrait de l’impression 3D pour les lanceurs d’engins spatiaux, de drones et d’avions commerciaux. Il n’ya pas de meilleure méthode pour réduire le poids des véhicules et augmenter les performances qu’une solution offrant une liberté totale lors de la conception de composants critiques.

Dans le même temps, les vitesses de fabrication relativement faibles de l’impression 3D - du moins par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles - sont encore très rapides pour les entreprises produisant de quelques centaines à quelques centaines d’aéronefs par an. Et bien que ni l’AM, ni les polymères, ni les métaux n’aient atteint les vitesses nécessaires pour répondre aux volumes de produits automobiles ou de produits de consommation courante, rassurez-vous, ils y parviennent.

«L’impression 3D étant encore une technologie relativement nouvelle, les vitesses d’impression disponibles et la précision des pièces s’améliorent rapidement», a expliqué Killian. "Et quand on considère le potentiel de combiner ce qui autrement aurait besoin de plusieurs pièces en une seule pièce, ou la possibilité d’imprimer facilement des formes qui étaient auparavant impossibles à produire, l’impression 3D continuera de jouer un rôle important dans l’industrie aérospatiale; Les succès futurs proviendront des applications dans lesquelles son coût d’entrée plus élevé et ses taux de production plus lents sont avantageux par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles. ”

3D Systems Inc., Rock Hill, S.C., est un autre fournisseur de systèmes AM attentif au prix de l’aérospatiale. Bryan Newbrite, ingénieur en aérospatiale responsable de l’équipe des applications aérospatiales avancées de la société, a souligné que «l’impression 3D» signifiait de nombreuses choses différentes.

«Nous proposons huit types différents de technologie de fabrication additive et sept types différents de logiciels liés aux additifs, ce qui ne représente qu'un faible pourcentage de tous les logiciels disponibles aujourd'hui. Par conséquent, lorsque les utilisateurs parlent d'impression 3D, ils peuvent désigner un grand nombre de choses», a-t-il déclaré. «Il est plus utile d’examiner des applications et objectifs spécifiques, qu’il s’agisse d’améliorations de la dynamique des fluides, de la réduction de poids grâce à une topologie optimisée ou de la simplification de la chaîne d’approvisionnement, car moins de pièces sont désormais nécessaires.»

Dans le même ordre d'idées, que signifie réellement «aérospatiale» ? Newbrite a déclaré que des entreprises telles que Boeing et Airbus comptaient des centaines et, dans certains cas, des milliers de pièces imprimées dans leurs différents avions, tout en notant que le secteur militaire et plus particulièrement l'industrie spatiale avaient facilement adopté les solutions d'impression les plus rapides, tout simplement parce qu'ils étaient les plus clairs.

"Si vous pouvez réduire le poids d'un satellite géostationnaire d'un kilogramme, par exemple, vous économiserez entre 30 000 et 50 000 $ en coûts de lancement qui peuvent maintenant être consacrés à des fonctionnalités de satellite supplémentaires", a-t-il déclaré. «Un autre avantage considérable rendu possible par l’impression 3D est l’amélioration de l’échange de chaleur sur les moteurs de fusée, les turbines et même les microprocesseurs, un avantage comparable à celui obtenu avec les canaux de refroidissement conformes dans les moules d’injection plastique.

Le succès de l'additif commence à la table à dessin. «Si vous essayez d’imprimer des pièces conçues pour la fabrication soustractive, vous écrasez une cheville carrée dans un trou rond. Même dans le meilleur des cas, vous allez construire quelque chose de légèrement moins fonctionnel et probablement beaucoup plus cher.»

Robert Yancey, directeur de la stratégie pour le secteur de la fabrication et de la production et du développement des affaires chez Autodesk Inc., San Francisco, ajoute que la conception d'un additif est un animal très différent, avec lequel l'industrie dans son ensemble est toujours aux prises.

«Avec tout produit fabriqué, les concepteurs doivent se préoccuper de la forme et de la géométrie de la pièce, des matières premières utilisées pour le fabriquer et des processus de fabrication réels», a déclaré Yancey. «C’est cette triade qui détermine l’aspect final de la pièce et son fonctionnement, mais la façon de naviguer dans tout cela est très différente lorsque l’on parle d’usiner quelque chose à partir d’une billette ou de la construire couche par couche. ”

Dans le cadre d’un projet de recherche concerté, Autodesk et le Jet Propulsion Lab de la NASA ont appliqué une conception générative au développement d’un atterrisseur interplanétaire capable de parcourir des distances extrêmes. La structure interne de l'atterrisseur prototype a été fabriquée à l'aide d'une combinaison d'usinage soustractif traditionnel et de fabrication additive. (Fourni par Autodesk)

La complexité de conception peut être libre avec l'impression 3D, mais cette liberté a un coût. Selon M. Yancey, il existe davantage de variables à prendre en compte, et un élément clé du processus global consiste à trouver le moyen de calculer le meilleur équilibre entre les options de conception et les paramètres de construction tels que l'épaisseur de la couche, les structures de support, la puissance du laser, la vitesse d'impression et les coûts. , etc.

«C’est la raison pour laquelle la technologie de conception générative et d’autres fonctionnalités logicielles avancées sont devenues si importantes pour la communauté de la fabrication additive, car elles permettent non seulement de résoudre des problèmes mathématiques complexes, mais offrent également divers compromis commerciaux et techniques permettant d’explorer toutes les différentes options offertes aux utilisateurs. designers », a-t-il déclaré.

Yancey souligne que le "drapage" (lay-up composite), l'alter ego de l'additif, est utilisé depuis plus de 40 ans dans les applications aérospatiales. Il a suggéré que la nouvelle génération de concepteurs de produits imprimés en 3D puisse apprendre de précieuses leçons sur la qualification et la certification des pièces de ceux expérimentés dans ce processus de fabrication, bien que de plus en plus automatisé.

  • Composites Directionnels: L'aéronautique ne retournera jamais plus aux métaux !

Andrew Purvis a cette expérience. Le chef de projet d'ingénierie de fabrication pour l'automatisation des composites chez Electroimpact Inc., Mukilteo, Washington, Purvis, a déclaré qu'une grande partie de l'industrie aérospatiale avait adopté des composites pour une utilisation dans les panneaux d'aile d'avions, les stabilisateurs horizontaux, les surfaces de contrôle négatif et les structures de fuselage.

"Les nouveaux composites directionnels offrent un module d'élasticité et un rapport résistance poids tellement élevés que certains de ces composants ne fonctionneraient tout simplement pas s'ils étaient fabriqués en matériaux métalliques", a-t-il déclaré. "Cela, et les progrès que nous avons réalisés dans la mise en forme automatisée de bandes (ATL) et dans le placement avancé de fibres (AFP) ont rendu la fabrication de composites très prévisible et rentable."

Purvis a déclaré que la transition commerciale vers les composites avait commencé après que l'armée eut commencé à utiliser la technologie ATL pour certains de ses avions. Dans ce scénario, le besoin de hautes performances face à des vitesses, des forces G et des températures de service extrêmes - sans parler du besoin d'avions furtifs - justifiait un prix beaucoup plus élevé. Depuis lors, Boeing et d’autres ont ressenti les mêmes pressions en faveur d’aéronefs très performants, faisant des composites le matériau de choix.

La simulation du processus de fabrication est tout aussi importante avec la stratification composite que dans l’usinage CNC. Dans cet exemple, le logiciel de simulation VERICUT de CGTech montre un robot AFP fabriquant un composant d’aile. (Fourni par Electroimpact)

Purvis et l’équipe Electroimpact relèvent bon nombre des mêmes défis que tout autre fabricant d’additifs. «Il y a un certain nombre de choses qui doivent être réunies pour que tout cela fonctionne correctement», a déclaré Purvis. «Nous avons des logiciels de conception, de programmation et de simulation qui doivent faire leur travail. Il y a la machine-outil et la tête d'impression qui déposent le matériau. Ensuite, il y a les humains qui exploitent l'équipement. C’est assez complexe, mais c’est un processus mature, bien compris, qui continuera de croître dans ses capacités."

  • Des Jets pour les Jets

Bien que cela puisse sembler maintenant, toutes les technologies alternatives de fabrication aérospatiale ne sont pas de nature additive. Simon Kenworthy, responsable du développement des affaires chez Shape Technologies Group dans le Kent, Washington. Un des leaders dans le domaine des équipements pour jet d'eau à ultra-haute pression et abrasifs (AWJ), y compris Flow International Corp. et d'autres marques, a déclaré que la technologie de découpe était utilisée pour une grande variété d'aérospatiale. Besoins. Il s’agit notamment de couper les pièces forgées, de retirer les revêtements thermiques des composants du moteur, de déglacer les pièces moulées à l’injection, et d’un processus auquel Purvis d’Electroimpact peut se rapporter, l’usinage de composants composites pour avions.

«La découpe au jet d’eau abrasif est la meilleure méthode de parage des matériaux composites, principalement parce qu’elle laisse un tranchant très net», a déclaré Kenworthy. «Il n’existe aucune délamination, aucune fibre exposée, aucun retrait ou déformation de la fibre et aucun effet thermique indésirable sur le substrat. Comparée aux technologies mécaniques telles que le fraisage et le forage, même celles spécialement conçues pour le coupage composite, cette technologie est de loin plus efficace."

Comme tous ceux qui utilisent des matériaux composites vous le diront, c’est très abrasif. Les outils à pointe de diamant, à revêtement de diamant ou à nervure de diamant sont généralement utilisés, car l'usure des arêtes est trop élevée avec les outils en carbure conventionnels. Outre leur coût et leurs performances plus élevés, ces outils peuvent toujours créer les mêmes problèmes que Kenworthy vient d’évoquer, chacun d’eux pouvant conduire à une défaillance prématurée des composants.

Un argument similaire, quoique légèrement différent, peut être avancé en faveur de l’utilisation de l’AWJ pour couper les superalliages résistant à la chaleur que l’on trouve dans les moteurs à réaction. Bien que moins abrasive que les composites, la dureté extrême des HRSA est suffisante pour tester le courage de tout machiniste. En comparaison, AWJ ne se soucie pas de la dureté, de la dureté ou de l’épaisseur du matériau, car l’usinage est fait avec de minuscules morceaux de grenat tranchant qui ont été injectés dans un jet d’eau à très haute pression (jusqu’à 94 000 psi). Il n’ya pas d’usure d’outil ni de force de coupe; il suffit de patience.

(Cette machine Aquarese AWJ de Flow peut être utilisée dans une variété d'usinages de composants aérospatiaux. (Fourni par SHAPE Technologies))

Comme avec la plupart des processus d'usinage aujourd'hui, l'AWJ est également devenu hautement automatisé. Les machines-outils à commande numérique offrent désormais jusqu'à cinq axes de mouvement, ce qui permet de couper des surfaces complexes en angle, tandis que le chargement et le déchargement robotisés permettent un usinage sans surveillance et économique. «Certainement, avec certains composants plus petits tels que les aubes de moteur, les temps de cycle sont mieux mesurés en secondes», a déclaré Kenworthy.

  • Mélange de technologies traditionnelles et nouvelles

Même dans des ateliers d'usinage traditionnels, des technologies résolument non traditionnelles sont utilisées pour améliorer les opérations d'usinage dans l'aérospatiale. Stuart Weiler, directeur du PLM chez Elite Aerospace Group Inc., une entreprise de conception, d'ingénierie et de fabrication de composants d'aéronefs basée à Tustin, en Californie, a déclaré que la société s'appuyait sur une combinaison de centres d'usinage à cinq axes, de tours à commande numérique à la suisse, et même une impression 3D pour ses clients dans le satellite, les avions et le "nouvel espace"

Mais cette société, âgée de cinq ans, va bien au-delà des normes avec l’adoption des technologies de l’industrie 4.0. Elle a connecté ses machines-outils au réseau d'entreprise et développé des tableaux de bord pour la surveillance à distance et les analyses de production à l'aide de PTC ThingWorx. Il expérimente la réalité augmentée dans l’espoir d’améliorer ses opérations d’assemblage et de partager des informations avec des clients du secteur de l’aérospatiale. Elle exploite une division distincte qui offre des services de programmation et d’ingénierie à contrat. Et grâce à sa propre utilisation des logiciels ThingWorx et PLM de PTC Corp., il est depuis devenu un revendeur à valeur ajoutée de ces produits.

«Pour être honnête, je ne peux citer aucune nouvelle entreprise de fabrication que nous avons gagnée grâce à notre relation avec PTC, mais cela nous a certainement donné une plus grande efficacité dans les ateliers et nous a rendus un peu plus compétitifs», a expliqué Stuart. , qui est responsable du logiciel. «Nous avons même donné à certains de nos clients l’accès à nos tableaux de bord afin qu’ils puissent vérifier leurs pièces sans passer par nous. Et bien sûr, disposer d’un système PLM vérifie fermement la boîte de documentation requise par quiconque effectue des travaux en aérospatiale - sans cela, il est presque impossible de remporter des projets importants. Nous sommes encore une jeune entreprise, mais nous reconnaissons que l’industrie aérospatiale est en train de changer et que nous devons rester au courant de toutes les nouvelles technologies qui se présentent si nous voulons continuer à la servir. "

À mesure que «l’alternative» se généralise, les fabricants de l’aérospatiale aident à faire progresser ces nouvelles technologies clés tout en apprenant à les utiliser efficacement.

Mots Clés: Fabrication additive 3D, aérospatiale et défense, Usinage alternatif, Fluides de coupe, Formation et fabrication, impression 3D, 3D Systems Inc., fabrication additive, réalité augmentée, Autodesk Inc., Boeing Co., Electroimpact Inc., Elite Aerospace Group Inc., EOS Amérique du Nord, Shape Technologies Group

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