L'usinage des nouveaux matériaux dans l'aéronautique : MÉCANUMÉRIC, l'expertise au service de l’innovation
Pourquoi parler d’usinage de nouveaux matériaux dans l’aéronautique ?
En termes d’exigence technique et technologique, l’industrie aéronautique, portée par sa perpétuelle quête de légèreté, compte parmi les secteurs de pointe les plus avancés. Si le critère du poids a toujours été un facteur déterminant du processus constant d’innovation qui la sous-tend, il faut observer que ce gain de performance visait essentiellement des perspectives expansionnistes. En somme, comment faire plus gros, plus loin et moins cher.
Or aujourd’hui, l’objectif n’est plus tant d’améliorer la rentabilité que d’assurer la pérennité du secteur à long terme. Ainsi, la politique du PLUS, portée par une abondance de moyens, a laissé place à celle du MIEUX, qui favorise l’optimisation de leur utilisation, avec un intérêt croissant portée à la durabilité environnementale.
Dans cette dynamique, l'utilisation de nouveaux matériaux joue un rôle essentiel. Les composites, les polymères thermoplastiques, les métaux légers et super alliages offrent des avantages significatifs, tels que la réduction du poids, la résistance accrue à l’usure et aux contraintes mécaniques, la flexibilité de conception, le gain de confort et de sécurité, la réduction des couts et temps de maintenance etc...
Ce faisant, ils incarnent à moyen terme une perspective non négligeable d’optimisation des coûts de fabrication et d’exploitation, économiques, mais aussi environnementaux et énergétiques.
Le défi de l’usinage CNC des matériaux composites, métaux légers et polymères
Devant un tel réservoir d’innovation, il n’est pas étonnant de constater l’émergence d’une forte concurrence parmi les acteurs de la sous-traitance industrielle de la filière aéronautique.
Cependant, ces matériaux ne se contentent pas d’apporter des solutions, ils posent également des défis notamment en termes d'usinage CNC en raison de leur complexité structurelle et de leurs propriétés spécifiques.
La gageure se situe donc du côté des acteurs de la supply chain qui devront parvenir à acquérir ou perfectionner la maîtrise de ces technologies tout en maintenant leur compétitivité, par la réduction de coûts d’usinage et l’augmentation de la cadence de production.
C’est ici que MÉCANUMÉRIC intervient.
Reconnue comme spécialiste internationale de la conception et de la fabrication de machines-outils destinées aux applications les plus exigeantes depuis 30 ans, la société est devenue un partenaire incontournable pour l'usinage complexe des matériaux composites et polymères dans l'aéronautique.
Elle offre une expertise pointue ainsi que des solutions CNC innovantes et adaptées aux besoins de ses clients du secteur aéronautique, comme le fraisage de pièces complexes en aluminium et métaux légers, la découpe au jet d’eau haute pression des composites ou le thermoformage des polymères thermoplastiques et thermodurcissables.
Les composites et leurs usages dans l’aéronautique
La famille de matériaux la plus représentative de cette course à l’innovation est sans conteste celle des composites. L’évolution de leur proportion dans le mix matériaux des avions du constructeur Airbus en est un excellent témoin. Si en 1980, les composites carbone / Epoxy ne composaient pas plus de 10% de la masse structurelle d’un A300, ils représentent aujourd’hui, 50 ans plus tard, plus de 50% de celle d’un A350-900 XWB.
Composites fibre de carbone / Epoxy (PRFC)
Sans doute la catégorie de composites la plus largement présente, dans l'industrie comme au quotidien, les composites en fibre de carbon / Epoxy sont majoritairement employés dans la fabrication du fuselage, des ailes, des VTP et HTP, ils sont composés de strates de fibres de carbone tissées et imprégnées dans une matrice organique, généralement une résine polymère, qui assure le maintien des fibres entre elles et les fixe selon leur forme définitive.
Avantages :
Les matériaux composites à matrice organique, se caractérisent par un rapport poids/résistance très avantageux. De par leur faible densité (1.8), leur résistance élevée aux contraintes mécaniques, thermiques et chimiques, ainsi que par leur flexibilité de conception. Ils permettent la réalisation de pièces complexes et parfois gigantesques tout en offrant une grande résistance aux chocs et à la température.
Les propriétés électromagnétiques de ces composites permettent également la fabrication de matériaux RAM. Leur structure laminaire et la possibilité d’ajouter d’autres matériaux au mélange qui les compose (ferrites, oxyde de fer, etc. ..) leur confère la capacité de modifier ou d’absorber les ondes électromagnétiques, rendant la surface équivalent radar des appareils quasi nulle.
En marge, les composites en graphite de carbone (C/C)
Les composites dits Carbone/Carbone sont fabriqués par superposition de fibre de carbone figée dans un liant organique auquel on va faire subir un traitement pyrolytique. La chaleur et la pression transforment les composés organiques en carbone presque pur, qui, en s’amalgamant en plus gros cristaux de graphite, vont conférer au matériau ses propriétés, notamment son extrême dureté.
Avantages :
En plus de la légèreté caractéristique de cette famille de matériaux, les composites C/C se distinguent par leur capacité à conserver leurs propriétés mécaniques jusqu’à des températures pouvant dépasser 2000 °C. Il possède également des propriétés de conductivité thermique particulièrement intéressante. Bien qu’élevée dans le sens de la fibre, supérieure même à celle du cuivre dans certaines conditions, elle est faible dans le sens transverse (Δ ^10-100).
Raisons pour lesquelles on les retrouve majoritairement dans les systèmes subissant les plus intenses forces de friction comme les freins des aéronefs, les tuiles et boucliers thermiques des engins spatiaux ou encore certains composants des turboréacteurs. Leurs propriétés leur permettent de limiter la montée en température lors de la conversion d’importantes forces de frottement en énergie thermique et d’évacuer efficacement la chaleur ainsi produite à l’interface, sous forme convective ou sous forme radiative.
Satisfaire aux exigences d'usinage de l'aéronautique
Si les caractéristiques intrinsèques des composites leur confèrent des propriétés exceptionnelles, il est toutefois important de noter qu’elles sont aussi synonymes de nuits blanches pour les ingénieurs matériaux.
Au-delà de la complexité d’un processus de confection, long et couteux, ce qui va particulièrement nous intéresser ici, sont les difficultés posées lors de l’usinage de finition des pièces.
Car oui, ces matériaux présentent de véritables défis pour qui entreprend de les travailler sans les méthodes et outils adéquats.
De plus, est-il utile de rappeler que l'usinage aéronautique nécessite une précision extrêmement élevée avec des marges d’erreur ridiculement faibles en raison de la nature critique des composants impliqués ? Par conséquent, l'usinage de matériaux composites pour la filière aéronautique nécessite des équipements et des processus spécialisés, afin d’assurer la qualité des pièces avec une grande répétabilité.
Quelles sont les difficultés d’usinage des matériaux composites ?
Structure laminaire et anisotropie constitutive :
Le caractère anisotrope de leur structure est un véritable défi pour les machines CNC et leurs outils. Les matériaux composites peuvent présenter des propriétés variables en raison de la dispersion et de l’orientation des fibres, ainsi que de leur qualité initiale de fabrication. Cela rend l’usinage des composites plus difficile, non seulement car les propriétés du matériau varient d’une zone à l’autre, mais aussi parce que les forces de coupe entraînent des efforts de cisaillement et des vibrations qui peuvent provoquer la délamination des couches.
Pallier ce phénomène nécessite une adaptation des paramètres d’usinage ainsi qu’un contrôle avancé des vibrations.
Une machine d’usinage CNC destinée à travailler les composites doit être capable de régler finement et dynamiquement, la puissance, la vitesse rotation et d’avance de la broche pour adapter l’usinage à la résistance du matériau. Cela permet d’éviter les problèmes tels que l’usure excessive des outils ou la dégradation de la pièce.
Elle doit de plus être équipée d’un système avancé de contrôle des vibrations pour minimiser leur impact négatif
Quelque exemples de réalisations pour et par les clients de Mécanuméric dans le secteur de l'aéronautique :
Nature cassante :
Si le carbone qui compose la fibre des composites est réputé pour sa grande résistance à la compression et à l’étirement, il n’en est rien pour ce qui est de la torsion. Or c’est bien cette dernière contrainte qui est appliquée sur la partie du matériau en contact avec la broche.
Ce faisant, il s’agit d’étudier minutieusement l’engagement de l’outil de fraisage pour éviter le délaminage et affiner la rugosité de surface. Diverses techniques sont employées à cette fin, telles que les fraisages ascendants et descendants ainsi que l'usinage à grande vitesse.
Nature abrasive :
Les fibres de carbone sont très résistantes et abrasives, ce qui peut entraîner une usure rapide des outils de coupe traditionnels. Des outils spéciaux en carbure de tungstène ou en diamant sont souvent nécessaires pour y résister.
De plus, les copeaux générés lors de l’usinage des composites peuvent être problématiques car, en plus d’être abrasifs, ils sont aussi collants et difficiles à évacuer. Ils peuvent endommager les surfaces usinées, obstruer les outils et entraîner des vibrations indésirables. Une machine CNC intégrant la gestion efficace des copeaux est essentielle pour maintenir la qualité de l’usinage.
Sensibilité à la chaleur des EPOXYDES :
Certains matériaux composites sont sensibles à la chaleur générée pendant l’usinage. Les résines ne subissent généralement pas de déformation avant 290°C. Cependant, certaines fonctions d’usinage, comme le fraisage, peuvent atteindre des températures locales avoisinant les 900°C si rien n’est fait pour limiter la montée en température. L’accumulation de chaleur peut alors entraîner des déformations, des dégradations ou des changements de propriétés du matériau.
Des techniques spéciales, telles que l’utilisation de liquides de refroidissement ou l’usinage à sec à grande vitesse et des capteurs de température sont nécessaires pour préserver l’intégrité structurelle du matériau.
L'évolution des méthodes d'usinage des matériaux composites
Propulsé par le fort potentiel de ces matériaux, l'usinage des composites a connu d'importantes évolutions au fil des années.
Le fraisage des matériaux composites
Si les méthodes d'usinage traditionnelles, comme le perçage et le fraisage, produisaient des fissures et des dommages sur les pièces en matériaux composites, une entreprise innovante du secteur de l’usinage CNC telles que MÉCANUMÉRIC, a développé des machines et des méthodes destinées à relever le défi de l’usinage de cette famille de matériau, tout en se conformant aux exigences du secteur de l’aéronautique.
La machine de découpe et de fraisage 3 axes MECAPRO NL, pensée pour un usage industriel intensif en est un parfait exemple. Avec des dimensions « catalogue » jusqu’à 7 610 x 2 600 mm de courses utiles (voir plus en conception sur mesure), elle intègre, les fonctions avancées nécessaires à l’usinage des composites :
- l’usinage haute vitesse,
- la lubrification,
- le nez aspirant pour la gestion des copeaux,
- le plateau à dépression pour le maintien des pièces
- le contrôle de la puissance et de la vitesse d’avance de la broche
- des capteurs de chocs de vibrations avec alerte,
- des capteurs de température avec alerte.
La découpe au jet d’eau des matériaux composites
Parallèlement, de nouvelles technologies de coupe, comme les machines de découpe au jet d'eau ont permis le développement de procédés d'usinage sans vibration qui produisent des résultats de haute qualité.
La gamme de machines CNC de découpe au jet d'eau à haute pression de la société MECANUMERIC permet d’usiner des pièces techniques très résistantes en composites. Avec de l’eau pure, ou, mélangée avec de l'abrasif pour les plus durs d’entre eux, le jet d’eau, précis et puissant, effectue une découpe de haute précision, même pour des formes complexes, en préservant totalement la structure moléculaire du matériau découpé. C’est une solution idéale pour les applications nécessitant des tolérances strictes et une finition de surface de haute qualité.
En plus de répondre aux problématiques posées par l’usinage de matériaux composites (anisotropie, dureté et abrasivité) une machine comme la MECAJET II, s’offre le luxe d’être extrêmement polyvalente. Elle peut effectuer des découpes sur une large gamme de matériaux, des plus souples aux plus rigides, tout en conservant une précision micrométrique.
Grâce à la maitrise technologique de MÉCANUMÉRIC, les matériaux composites sont désormais plus accessibles aux industriels, avec des temps de traitement plus rapides et une plus grande répétabilité.
MÉCANUMÉRIC : Une solution d’usinage CNC pour chaque application
Il convient de noter que les exigences spécifiques varient en fonction du type de matériau composite, de la géométrie de la pièce et des conditions d’usinage.
Par conséquent, il est important de choisir une machine d’usinage CNC, ainsi que des paramètres d’usinages qui répondent aux besoins spécifiques de l’usinage des composites envisagés.
Particulièrement soucieuse du devoir de conseil qui l’engage auprès de ses clients, la société MÉCANUMÉRIC met à leur disposition le service CARE. Composé de plus de 20 personnes pouvant intervenir dès la phase d’étude du projet, ils veillent à la transmission de l’expertise et du savoir-faire MÉCANUMÉRIC, afin que chaque utilisateur tire le meilleur parti de ses machines CNC.
La cellule d’essais qui accompagne les industriels souhaitant travailler de nouveaux matériaux ou améliorer la qualité / le temps d’usinage de leurs pièces est particulièrement plébiscitée pour les applications les plus complexes.
MECANUMERIC maitrise différentes technologies de découpe et d'usinage, découvrez une présentation de notre savoir-faire et expertise enFraisage, Découpe Jet d'eau
