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<strong>Une multitude d'autres procédés innovants</strong>

<strong>LES AUTRES PROCÉDÉS</strong> <strong>LES PROCÉDÉS DE FABRICATION INNOVANTS QUI INTERVIENNENT À DIFFÉRENTS STADES DE LA FABRICATION ET DANS DIFFÉRENTS DOMAINES SONT TRÈS VARIÉS : TRANSFORMATION PAR EXTRUSION, PROCÉDÉ CÉRAMIQUE, PERÇAGE VIBRAT

Une des clés de la construction aéronautique, véritable « leitmotiv » des grands constructeurs, est le principe du « buy-to-fly ratio », allié à celui du « near net shape ». En d'autres termes, une précision de forme la plus proche possible de l'objectif final en phase de fabrication, donc une tolérance la plus faible possible, diminuant les opérations de finition, et assurant de fait une quantité de matière minimale. Ces qualités, qui font le succès de la fabrication additive, apparaissent comme étant également celles de la transformation MMC par extrusion, basée sur la déformation de la matière à chaud.

« Ce procédé n'est certes pas novateur puisqu'il a été inventé par Cefival dans les années 1940, mais il est encore très peu utilisé en aéronautique, alors que ses avantages sont pourtant comparables à ceux des procédés les plus récents, avec en outre une expérience bien plus grande, assurant aujourd'hui un "buyto-fly ratio" de 4 (contre 9 en moyenne), ainsi qu'une parfaite maîtrise de sa mise en oeuvre, donc des cycles et des coûts », explique Daniel Métivier, directeur du développement de Cefival. Utilisable avec tous les aciers inoxydables, les superalliages et même le titane, ce procédé demande également d'être intégré dès la phase de conception de la pièce mais, bien que présentant une faible tolérance de 4 à 5 mm, ne permet pas de s'affranchir de tout usinage. En outre, il garantit une qualité préservée de la matière, celle-ci restant homogène, et peut s'accommoder de quantités aussi réduites que 300 kg en commande.

UN FORT POTENTIEL. « Les produits fabriqués par extrusion, sans soudure, peuvent être pleins ou creux, et de formes infiniment variées ; au total, plus de 6000 formes différentes de profils ont été créées. La plupart sont issues de barres laminées ou filées à chaud, droites d'origine mais pouvant être courbées puis cintrées et soudées », souligne Daniel Métivier. Les domaines d'application sont divers, apparaissant essentiellement aujourd'hui sur deux types de pièces : les anneaux de réacteurs (roulés soudés), civils (CFM56, GE90, GP7000) et militaires ; les profilés de structure, droits ou cintrés (plus récents, notamment depuis l'apparition du titane) utilisés pour les rails de sièges, les raidisseurs de mâts moteurs et d'ailerons, des maillages de renfort (en particulier pour l'A350 et le B787), auxquels s'ajoutent des charnières de portes d'avions-cargos (de grandes dimensions et soumis à de fortes sollicitations). On mesure donc un fort potentiel, inexploité, en aéronautique.

Et si l'innovation se cachait parfois derrière des procédés connus mais non utilisés à bon escient ? LE PROCÉDÉ CÉRAMIQUE. Si l'Inconel 718 (base nickel) est très utilisé en aéronautique pour ses qualités de bonnes résistances, mécanique et thermique, il est également très difficile à usiner. Cette problématique a été résolue par Mitsubishi Materials Corp. en remplaçant les traditionnelles fraises en carbure monobloc par des fraises en céramique, de structure également monobloc (et non en plaquettes) pouvant être utilisées pour tous matériaux et alliages réfractaires.

« La céramique conserve en effet une bonne résistance à des températures élevées (plus de 800 °C), alors qu'à même température les matériaux réfractaires se ramollissent et deviennent ainsi plus faciles à usiner. Le principe consiste donc à générer de telles températures par la fraise elle-même avec des vitesses de rotation et d'avance très élevées (7 à 10 fois pour la rotation et de l'ordre de 500 à 1000 m/min contre 30 à 35 m auparavant), permettant ainsi un usinage plus aisé et plus précis, bien que restant à un stade d'ébauche », explique Eric Crosland, responsable technique chez MMC Métal France, groupe Mitsubishi Materials.

Obtenue à partir d'un barreau de céramique, la fraise est de forme et de profil très travaillés. Elle a été présentée pour la première fois à l'automne à l'EMO 2015 de Milan puis à Industrie 2016 de Paris. Elle est actuellement en phase de tests, mais laisse d'ores et déjà augurer d'excellents résultats, notamment en termes de rendement (multiplié par 10), avec une optimisation des temps de cycle et une augmentation de la durée de vie de l'outil, qui se verrait plus que doublée.

LA FSW SUR ARIANE 6. De son côté, la technique de soudage par friction malaxage (en anglais Friction Stir Welding ou FSW) vient de franchir une étape fondamentale, lui apportant toute sa crédibilité, avec son choix par Airbus Safran Launchers comme solution nominale pour l'assemblage des réservoirs du prochain lanceur Ariane 6. C'est également un juste retour sur investissement pour la filière associative du groupe Institut de soudure (IS), où la FSW est sujet de travaux de R&D depuis plus de quinze années.

« Il s'agit d'une nouvelle technique de soudage à l'état solide, présentant des avantages certains par rapport aux procédés conventionnels, où la fusion est atteinte, et par rapport à d'autres principes d'assemblage tel que le rivetage par exemple. Elle est déjà utilisée en production pour des planchers ferroviaires et des pièces navales, par exemple, mais reste anecdotique en aéronautique, bien que déjà employée par la Nasa », annonce Amarilys Ben Attar, ingénieur d'études spécialiste de la FSW.

Le procédé consiste à assembler deux pièces en les amenant à un état pâteux grâce à un outil en rotation. Baptisé « pion », celui-ci pénètre dans la matière en avançant suivant le plan de joint des pièces à assembler tout en restant en rotation. Il provoque ainsi successivement un échauffement par friction puis un malaxage de cette matière, réalisant ainsi de proche en proche la soudure (toujours à l'état solide) sous forme d'un cordon qui apparaît sur le même plan après le passage de l'outil. Le matériau avec lequel est réalisé cet outil dépend du type de matériau à souder. Dans le cas le plus général d'aluminium ou de cuivre, il s'agira d'acier ou d'alliages plus complexes de cobalt ou de nickel.

Cette technique demande un solide maintien des pièces à souder par un bridage simultané, d'autant plus nécessaire que l'effort développée par l'outil en rotation est important. Par ailleurs, elle doit être, elle aussi, prévue dès la phase de conception des pièces qu'elle permettra de réaliser, afin de tirer tous les bénéfices qu'elle peut apporter.

DES AVANTAGES MULTIPLES. Les principaux avantages de ce procédé se répartissent entre les caractéristiques de la soudure obtenue et la mise en oeuvre du procédé. « Les cordons de soudure présentent tout d'abord une très bonne tenue mécanique (en statique et en fatigue); il n'y a pas de métal d'apport, ce qui permet une bonne maîtrise de la composition du joint, et des assemblages hétérogènes sont possibles. De son côté, le procédé ne requiert pas de consommable (hors l'outil proprement dit, c'est-à-dire pas de rivets, ni de gaz ou de matériau d'apport) ; il y a une faible déformation des pièces à assembler; la soudure est reproductible et automatisable ; sa vitesse d'exécution est élevée ; il n'y a pas ou peu d'usinage postsoudage; enfin, le procédé est "propre", car peu consommateur d'énergie », énumère Amarilys Ben Attar.

En revanche, il n'y a pas de métal d'apport pour compenser le manque de matière en cas de défaut d'accostage ; de plus, le soudage de matériaux à haut point de fusion par ce procédé reste difficile (problématique de durée de vie de l'outil de soudage); les coûts d'investissement sont importants et le procédé demande un référentiel normatif plus détaillé.

« Mais la FSW redonne certainement des arguments aux métaux face aux composites, du fait de meilleures propriétés en fatigue, permettant de diminuer l'épaisseur (et donc la masse) ainsi que la possibilité de réparation », conclut Amarilys Ben Attar.

DES BRIQUES TECHNOLOGIQUES. Le choix d'Airbus Safran Launchers résulte de plusieurs travaux déterminants de R&T menés en collaboration avec l'IS et d'autres industriels. Effectués ici en alternative au procédé traditionnel de soudage à l'arc (TIG) actuellement mis en oeuvre sur les réservoirs d'Ariane 5, les travaux portaient sur l'utilisation de la FSW pour l'assemblage de démonstrateurs de réservoir en aluminium-lithium selon deux étapes : le soudage (en longitudinal) de quatre panneaux pour obtenir un cylindre de 2,3 m de diamètre; puis l'assemblage de deux cylindres par soudage circonférentiel. C'est à l'issue du soudage de plusieurs dé-monstrateurs que le choix a été entériné pour Ariane 6, sachant qu'il reste encore à finaliser et qualifier le procédé (procédures de CND, caractérisation mécanique sous conditions cryogéniques, industrialisation). D'autres travaux, financés à 50 % par la DGAC, ont été menés par Stelia Aerospace dans le cadre du projet Offset - Optimized Front Fuselage Structure with Enhanced Technologies. Ils ont porté ici sur l'assemblage de la casquette métallique de cockpit d'avions, ayant un fuselage de 2 à 4 m de diamètre, et remplaçant le principe du rivetage (en fait, le soudage de sept raidisseurs sur une peau casquette). Cinq prototypes ont permis de réaliser les essais de choc à l'oiseau et toutes les caractérisations mécaniques des assemblages en statique, fatigue et corrosion selon des spécifications Airbus.

L'ensemble de ces travaux ont permis des conclusions très positives, grâce à leurs résultats probants, essentiellement en termes de qualité. Ils ont également permis l'acquisition d'un vrai savoirfaire, préparant une place à la FSW en production de série, et laissant augurer d'autres projets.

OPTIMISATION DU PERÇAGE VIBRATOIRE. Dans le domaine de la finition, le procédé de perçage vibratoire a également franchi une étape importante en matière de résultat, grâce à l'association d'un foret MCS de Mitsubishi Materials avec un procédé développé par Mitis. « Le résultat permet désormais de s'affranchir des difficultés de perçage des structures composites et des panneaux sandwich CFRP (alliant le carbone à un ou deux métaux de type aluminium ou titane). Dans le premier cas, il fallait en effet s'affranchir du caractère très abrasif de la matière, due au fibrage la constituant. Dans le deuxième cas, le danger venait des copeaux de l'un des matériaux qui pouvaient détériorer les suivants », explique Eric Crosland (MMC Métal France, groupe Mitsubishi Materials).

Dans un premier temps, MMC a développé un foret, désigné MCS, dédié à l'usinage des composites, mais s'accommodant très bien de tous les assemblages en sandwich. Constitué d'un revêtement diamant à grain fin - afin de faciliter le glissement - et doté d'une géométrie très élaborée, celui-ci est coupant et résistant à l'abrasion.

De son côté, la société Mitis a élaboré un système de porteoutil intégrant un procédé qui crée une oscillation de façon modulée et répétitive. L'effet est de casser les copeaux, notamment les plus longs, produits par exemple avec de l'aluminium, permettant ainsi des gains en termes de qualité, durée de vie et précision (avec toutefois quelque danger de délaminage subsistant en sortie de perçage avec des composites).

« L'assemblage de cette interface avec le foret MCS a permis d'optimiser le perçage vibratoire des structures composites et sandwich avec un ou deux métaux, en éliminant les dangers propres à chacun. La source d'innovation réside maintenant dans l'élaboration d'un mécanisme permettant de programmer l'ondulation dans le perçage, et ce de façon variable et programmable selon les différentes couches traversées », conclut Eric Crosland.

PLUS DE ROBOTIQUE. La principale vocation de la robotique, source même de son immense avantage, est l'automatisation des tâches répétitives cela permettant, du fait d'une vitesse d'opération élevée, des gains de temps substantiels. Ses applications sont de plus en plus importantes en aéronautique, à l'issue d'une phase longue mais fondamentale de « proof of concept », qui demande également une certaine adaptation de la part de l'utilisateur.

Deux procédés novateurs développés par Gébé 2 ont par exemple permis de robotiser des fonctions qui étaient jusqu'à présent réalisées sur machinesoutils fixes ou par la main de l'homme. « Leur mise en oeuvre a déjà pu contribuer, par le gain de productivité obtenu, au suivi des augmentations de cadence de production des avions commerciaux, notamment de l'A320neo », souligne Didier Barbarit, son directeur général. Outre les robots eux-mêmes, spécialité de Gébé 2, ils résultent du développement d'effecteurs dédiés et accompagnés de tous les outils et accessoires périphériques nécessaires.

La première tâche ainsi réalisée est le perçage sur chaîne des panneaux acoustiques des moteurs, constitués de sandwich composites, lui-même composé d'un nid-d'abeilles en Nomex recouvert de peaux de carbone de 1 à 1,5 mm d'épaisseur. Le perçage de multiples trous (40000 au mètre carré) dans la première peau de carbone permet d'absorber le bruit. Les effecteurs sont constitués ici de plusieurs électrobroches portant chacune un foret qui peut tourner jusqu'à 60 000 tours/min. Chacun de ces effecteurs peut percer jusqu'à vingt trous simultanément au rythme de quinze trous par seconde. Outre des gains substantiels de temps, les avantages de ce procédé s'expriment ici en termes de flexibilité et d'agilité.

Les premières cellules robotisées ont été livrées et ont été utilisées sur le premier moteur Leap récemment livré à Airbus.

La deuxième fonction robotisée est celle du ponçage à vocation de préparation de surfaces (composites ou métalliques) en vue de peinture, de collage ou simplement d'amélioration esthétique. Le procédé consiste ici à assurer un effort et un mouvement de balayage parfaitement maîtrisés et adaptés au type de surface et à la vocation du ponçage. Un outil périphérique assure le changement de disque sur l'effecteur, permettant ainsi autonomie et efficacité du système.

VERS LA COBOTIQUE. Un stade ultérieur de la robotique consiste à faire réaliser par les robots des tâches plus intelligentes, de façon collaborative, éventuellement en présence d'opérateurs humains : c'est ce qu'on appelle la « cobotique » ou robotique collaborative. « Une application très courue est par exemple le "kitting", ou la préparation des kits de montage. Mais on peut aussi imaginer une fonction de troisième main : la mémorisation d'une trajectoire complexe, avec manoeuvres d'évitement, devant être effectuée par le bras du robot, l'apprentissage pouvant s'effectuer par un opérateur en atelier et non plus par un informaticien logiciel », explique Jean-Philippe Jahier, directeur de l'innovation et du déploiement des nouvelles technologies chez Thales Alenia Space. Ce type d'application, demandant une sensibilité accrue, nécessite la présence d'un plus grand nombre de capteurs sur le robot dont le bras articulé doit dès lors fonctionner autour d'au moins sept axes si l'on veut retrouver les mêmes degrés de liberté que la main humaine, au bout de son bras, lui-même au bout de l'épaule, en passant par le coude… En outre, l'agilité ou la flexibilité, pouvant permettre de faire réaliser au robot plusieurs tâches au même endroit, devient un objectif légitime, passant ici par un changement de l'effecteur. Le challenge est donc entre les mains des intégrateurs de systèmes robotiques, maîtrisant diverses technologies (vision artificielle, préhension…) et seuls capables d'assembler des composants dont les coûts sont actuellement en nette diminution. « Non seulement la sensibilité intrinsèque des cobots offre de nouvelles possibilités très intéressantes pour robotiser simplement des tâches complexes mais leurs bras légers, souvent à sept axes, permettent de concevoir des ateliers flexibles avec des robots déplaçables et reconfigurables », souligne Didier Barbarit. Un domaine à suivre, donc…¦

Messer France, protecteur de l'environnement

Un domaine dont on a peu l'occasion de parler est celui de l'utilisation des gaz par l'industrie. Et pourtant, nombreuses sont les opérations requérant des gaz contrôlés, purs ou mélangés, en vrac ou en bouteilles : la fonte, la forge, la découpe laser, le traitement thermique, le soudage… Ainsi d'ailleurs que la fabrication additive, consommatrice d'argon.

Messer France, filiale du groupe allemand du même nom qui est l'un des plus importants gaziers mondiaux, accompagne plus particulièrement la filière aéronautique. « Nous développons des solutions techniques de gaz à la carte, innovantes, pour optimiser les process de nos clients et réduire leur impact sur l'environnement », souligne Philippe Grognet, responsable des marchés de la métallurgie. Et, effectivement, deux exemples d'innovation, intervenant dans les domaines de la fabrication et du transport, et se traduisant à la fois par des gains de temps, de qualité et de coûts, ainsi que par des effets très bénéfiques au plan de l'environnement, sont à mettre au compte de Messer France.

Le premier exemple porte sur le procédé de fabrication de composites à résines thermodurcissables. « Le procédé

consiste à récupérer de la chaleur en provenance de l'autoclave, grâce à un circuit d'eau, et d'utiliser celle-ci pour vaporiser, au sein d'un échangeur thermique, de l'azote liquide qui sera injecté dans le même autoclave. Dans le même temps, le phénomène de vaporisation permet à l'eau de se refroidir avant de revenir vers l'autoclave », explique Philippe Grognet.

« Gaz neutre, l'azote est utilisé afin de stabiliser les fortes pressions devant régner dans l'autoclave tout en préservant des dangers de combustion des matériaux carbonés présents. A noter en effet les paramètres impressionnants de fonctionnement que sont le débit de gaz de 30000 m3 par heure et une pression supérieure à 10 bars. Cette solution, économique et sécurisée par rapport à une solution à air comprimé, se traduit par le double avantage de réduire la consommation électrique du procédé de fabrication composites, donc le coût, et d'améliorer le bilan carbone. En outre, il peut s'adapter aux énergies possiblement captables sur le même site », poursuit encore Philippe Grognet. Cette solution a été implantée dans trois usines, respectivement chez Stelia Aerospace à Méaulte et chez Duqueine, à la fois à Civrieux et à Nantes. Le deuxième exemple concerne le transport du mastic aéronautique utilisé dans les aérostructures et qui doit être transporté à température négative et contrôlée. Messer a développé un procédé permettant d'utiliser les frigories du CO2, récupéré sous forme gazeuse auprès d'entreprises industrielles qui en rejettent en grande quantité, puis de le transformer par procédé cryogénique en neige carbonique. Celle-ci est alors injectée dans les bacs spécialement aménagés pour le transport du mastic, permettant ainsi de conserver la température requise pendant tout le temps du trajet jusqu'à la livraison aux clients utilisateurs. L'évolution de l'offre porte aujourd'hui sur des capacités croissantes. MESSER

FRANCE

S.A.S

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