Fusion jet d'eau, laser pour une efficacité dans l'usinage CFRP/CMC

Alors que les matériaux polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) et composites à matrice céramique (CMC) prolifèrent dans les moteurs d'avion, les composants spatiaux et les applications hypersoniques, l'usinage devient un problème où la précision et l'efficacité peuvent modifier les résultats du programme. Essayer d'usiner des caractéristiques de haute fiabilité et de haute précision dans les CFRP et les CMC peut être difficile en raison de leur dureté et de leur abrasivité, ce qui entraîne des vitesses d'usinage lentes, des effets indésirables sur les propriétés des matériaux, une incapacité à répondre aux spécifications des pièces et des coûts d'exploitation élevés, y compris les outils récurrents remplacement.

Pour relever ce défi, une gamme de technologies laser a été développée pour l'usinage de ces composites avancés. Alors que les lasers offrent le potentiel d'une efficacité accrue et d'une élimination des coûts d'outillage récurrents, la chaleur générée se dissipe dans le matériau, créant un potentiel de microfissuration et de changement de matériau. Les lasers coupent également au point focal du faisceau lumineux, ce qui entraîne des coupes en forme de V qui peuvent être problématiques pour des tolérances précises.

La technologie Laser MicroJet développée par Synova (Duillier, Suisse) crée un faisceau laser entièrement contenu dans un jet d'eau. Le laser est réfléchi à l'interface air-eau, semblable en principe à une fibre optique, tandis que l'eau refroidit la zone de coupe et lave les débris de la saignée. Les avantages du Laser MicroJet par rapport aux lasers conventionnels incluent l'absence de brûlure ou de dégradation thermique, moins de bavures pour des surfaces plus lisses, des coupes rectilignes et une plus grande précision.

CW a rencontré pour la première fois le Laser MicroJet lors de sa visite en 2017 de l'usine de production de GE Aviation à Asheville, N.C., aux États-Unis, pour les composants de moteur CMC. Ici, il est utilisé pour usiner des trous dans les carénages CMC pour les moteurs d'avion LEAP. « Cette technologie permet de maintenir un haut niveau de précision dans le diamètre du trou », explique Ryan Huth, responsable de la production de CMC chez GE Aviation. « Le MicroJet peut percer ces trous en deux minutes contre une heure avec un usinage conventionnel », explique Huth. CW le magazine sœur de Modern Machine Shop , a également publié un article informatif sur le Laser MicroJet.

Le pouvoir de l'eau et de la lumière

Synova a été fondée en 1997 par le Dr Bernold Richerzhagen, qui a breveté la technologie Laser MicroJet après ses recherches à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Lausanne, Suisse) dans les années 1990. La technologie a été largement adoptée pour le découpage des tranches de semi-conducteurs en 2001. Synova a ensuite établi des filiales locales aux États-Unis, au Japon, en Inde et en Corée en 2003. Celles-ci ont été étendues pour inclure désormais des centres de micro-usinage, avec une expansion à court terme prévue à Taïwan et en Chine. En 2009, Synova a établi un partenariat de développement coopératif avec Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokyo, Japon), introduisant une nouvelle série de machines et les faisant progresser pour l'usinage de dispositifs médicaux, de mécanismes d'horlogerie, d'aubes de turbines de moteurs à gaz et à réaction, de dispositifs à semi-conducteurs. et outils de coupe en matériaux extra-durs.

Dans le système Laser MicroJet, un faisceau laser traverse une chambre à eau sous pression et est focalisé dans une buse. Les lasers sont de type industriel courant — Nd:YAG à semi-conducteurs — avec une puissance de 10 à 200 watts et une longueur d'onde de 1 064 (infrarouge), 532 ou 355 nanomètres. Le jet très fin — diamètre de 50 à 70 microns — d'eau filtrée et déminéralisée est utilisé à une basse pression de 200 à 650 bars. Il en résulte une faible consommation d'eau, de l'ordre de 2-3 L/h, et une force négligeable de moins de 0,1 newton exercée sur le matériau.

Comment est-il possible de réaliser une ablation laser efficace dans l'eau ? « Le laser est pulsé environ 10 000 fois par seconde », explique Jacques Coderre, directeur commercial de Synova pour les États-Unis. « Pour chaque impulsion laser, un plasma est généré qui pousse l'eau vers le haut, permettant ainsi l'ablation. À la fin de l'impulsion, le plasma s'effondre et l'eau nettoie maintenant la surface et dissipe la chaleur. Il note que le jet d'eau élimine également la complexité et les variations de processus de maintien de la focalisation du laser généralement requises avec les systèmes laser secs. « Cela permet de couper des pièces épaisses ou non planes sans avoir à se soucier de la mise au point », explique Coderre. "La technologie produit également un laser cylindrique qui crée des murs parfaitement parallèles avec des largeurs de saignée étroites."

Configuration pour les composites

Le Laser MicroJet fonctionne bien non seulement pour les CMC, mais aussi pour les CFRP et les stratifiés empilés. Au cours des tests, il a produit des trous de 3 millimètres de diamètre dans un stratifié de plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) de 2,6 millimètres d'épaisseur à des vitesses allant jusqu'à 1 440 mm/min. « Avec un laser classique, il faut ralentir à cause de la chaleur, note Coderre. « Les fraises conventionnelles peuvent atteindre des vitesses similaires mais ont des coûts d'exploitation plus élevés en raison du remplacement d'outils requis. »

Le Laser MicroJet peut couper des stratifiés CMC de 1 pouce d'épaisseur. « La vitesse est basée sur un taux d'ablation assez constant de 1 mm ³ /min », observe Coderre.

Synova propose une gamme de machines et a présenté l'année dernière son système CNC LCS 305 à cinq axes. « Cette machine excelle dans les coupes 3D de haute précision et est bien adaptée aux petites pièces CMC », explique Coderre. « Mais ce n'est pas un bon choix pour les grandes pièces en PRFC. » Pour cela, Synova a intégré son Laser MicroJet dans une machine à portique, capable d'usiner des pièces de plus de 2 mètres sur 3 mètres. « Il est également facile à intégrer aux robots et facile à programmer », ajoute-t-il. Pour les découpes 2D, le logiciel MicroJet convertit un fichier CAO en code machine. Une fois vérifié, l'opérateur appuie simplement sur un bouton et la machine exécute la routine de coupe. Pour les découpes 3D, Coderre explique qu'un post-processeur extrait les données 3D nécessaires du fichier CAO et les formate pour le Laser MicroJet.

Pour la capacité Factory 4.0, un wattmètre laser, un capteur de positionnement et une correction automatique de l'angle du jet sont intégrés au système Laser MicroJet. « Il est très flexible », explique Coderre, « facile à intégrer dans la production de pièces en tant que système autonome ou dans le cadre de lignes entièrement automatisées pour une production à grand volume sans opérateur. » La technologie a déjà fait ses preuves dans les pièces CMC pour les moteurs d'avion LEAP, poursuit-il. « Pour les composites, il offre des coûts de fabrication inférieurs, obtenus grâce à des vitesses de production plus rapides, des coûts d'exploitation réduits, une fiabilité plus élevée et des rendements plus élevés. » Une telle efficacité est en effet ce dont les composites ont besoin alors que de nouveaux matériaux, marchés et technologies de métaux compétitifs continuent d'évoluer.