De nouveaux sommets pour de nouveaux matériaux

Lors du développement d'outils avancés pour l'usinage de composants aérospatiaux, il suffit parfois d'un simple microscope pour comprendre comment un matériau interagit avec l'outil de coupe.

Les progrès de l'industrie aérospatiale sont souvent liés aux progrès réalisés dans le domaine des matériaux, notamment en ce qui concerne le rapport poids/résistance et la résistance à la température des nouveaux matériaux.

Aujourd'hui, les matériaux de choix pour les moteurs aérospatiaux sont les superalliages résistants à la chaleur (HRSA), un cocktail complexe de métaux spéciaux - nickel, cobalt, fer et certains alliages à base de TiAl (aluminure de titane) - qui offrent des avantages cruciaux tels que la possibilité de températures de travail élevées. Nombre de ces composants ont des formes complexes et peuvent être imprimés en 3D. Cela crée de nouvelles opportunités de fabrication et de nouveaux défis pour les fabricants de machines-outils tels que Sandvik Coromant.

L'astuce de la conception d'outils

Depuis les débuts du vol habité avec des avions en bois et en tissu, les fabricants ont toujours cherché à réduire le poids de l'appareil. Au fil des ans, les constructions en alliage d'aluminium et de titane ont remplacé le bois et le tissu, puis la fibre de carbone et les matériaux composites sont entrés dans la danse.

Par rapport aux matériaux standard tels que le fer, les matériaux HRSA d'aujourd'hui, dans toutes leurs permutations chimiques et physiques, ont des propriétés inconstantes. Des outils plus perfectionnés sont nécessaires pour couper et finir les composants aérospatiaux en lots qui présentent un intérêt financier et technique pour les fabricants.

Checking wear under the microscope.

"L'astuce dans la conception des outils de coupe a toujours été d'augmenter la durée de vie de l'outil en réduisant l'usure, tout en atteignant des vitesses de coupe plus élevées", explique Stina Odelros, ingénieur R&D senior chez Sandvik Coromant, "mais l'industrie aérospatiale exige des tolérances de composants extrêmement élevées, et parfois il n'y a pas de possibilité de changement d'outil dans un processus, nous développons donc constamment de nouveaux outils qui sont plus performants. Nous devons savoir quelles sont les difficultés rencontrées par nos clients, puis nous essayons de résoudre leurs problèmes".

Des matériaux en constante évolution

Odelros explique que les avionneurs et les fournisseurs modifient constamment les matériaux tels que le HRSA et d'autres mélanges d'alliages pour atteindre ces objectifs. Outre les contraintes de poids, un composant de moteur doit également être capable de résister à des températures extérieures de moins 60 degrés Celsius et à des températures internes de quelque 2 000 degrés Celsius.

La mise au point d'outils pour cette industrie exigeante est délicate. La seule façon de voir comment fonctionne un outil est d'examiner les plaquettes utilisées au microscope pour voir comment elles s'usent. "Nous ne pouvons pas accéder à tous ces matériaux sur le marché, c'est pourquoi nous dépendons de collaborations avec des clients clés pour nous dire comment nos plaquettes se comportent", explique Odelros.

L'essentiel du travail de R&D

Comme l'explique Odelros, un composant d'avion imprimé en 3D, forgé ou moulé ne peut pas être tourné, fraisé, fini ou percé avec un outil déjà utilisé. L'usinage d'un composant de moteur volumineux et coûteux peut parfois prendre une semaine ou deux, et chaque passe d'usinage doit être continue pour éviter toute déficience structurelle. Une panne d'outil à mi-parcours n'est pas acceptable, car elle peut entraîner une défaillance de la pièce. Et la défaillance d'une pièce dans un moteur peut être catastrophique si elle se produit en plein vol.

Senior R&D Engineer Stina Odelros.

Ce qu'Odelros recherche donc au microscope, outre l'usure contrôlée, c'est l'ampleur de l'usure et la présence de types d'usure plus imprévisibles tels que l'écaillage ou la fracture, qui, dans le pire des cas, pourraient conduire à des échecs de production coûteux.

C'est là le cœur du travail de recherche et développement. Alors qu'une plaquette en carbure n'est pas plus grosse qu'un ongle moyen, les permutations de sa construction - les angles, les substrats, les revêtements, la constitution du matériau, la structure cristalline et les traitements tels que le dépôt chimique ou physique en phase vapeur - sont presque infinies. La bonne combinaison et le bon mélange peuvent donner des résultats sur mesure pour des utilisations spécifiques du client.