Usinage CNC pour l'aérospatiale :pièces légères en titane et plus encore

L'industrie aérospatiale mondiale est un foyer d'innovation en matière de conception et de fabrication, avec des millions et des millions de pièces métalliques complexes produites chaque année.

L'usinage CNC est un outil important à la disposition de l'industrie aérospatiale. L'usinage aérospatial conduit à des pièces d'avion avancées fabriquées à partir de métaux légers comme le titane et l'aluminium, tandis que l'usinage est également un outil de prototypage précieux pour les départements de R&D aérospatiale.

L'usinage aérospatial couvre également une gamme d'applications. Qu'il s'agisse d'avions commerciaux, de véhicules militaires ou même de voyages spatiaux, l'usinage CNC a un rôle énorme à jouer dans le développement et la production de composants aérospatiaux de précision.

Cet article donne un aperçu de la façon dont l'usinage CNC est utilisé dans l'industrie aérospatiale. Il examine les applications d'usinage CNC aérospatiales, les matériaux d'usinage aérospatiaux, etc.

Qu'est-ce que l'aérospatial ?

L'aérospatiale est une industrie très diversifiée comprenant de nombreux sous-secteurs, couvrant tout, de l'aviation commerciale à l'exploration spatiale. Sa valeur en tant qu'industrie mondiale est estimée à environ 800 milliards de dollars.

La fabrication aérospatiale implique la production de pièces pour des clients commerciaux, industriels et militaires, les gouvernements étant parmi les plus grands sous-traitants de l'industrie. Aux États-Unis, par exemple, les deux principaux acheteurs de biens aérospatiaux sont le ministère de la Défense et la NASA, l'agence de recherche aéronautique et spatiale du pays.

En raison du grand nombre de sous-secteurs de l'aérospatiale et du grand nombre d'applications et de produits au sein de ces sous-secteurs, l'aérospatiale nécessite une large gamme de technologies de fabrication, des techniques traditionnelles comme le moulage et le soudage aux technologies de pointe comme la fabrication additive métallique. L'usinage CNC pour l'aérospatiale se situe quelque part entre ces deux extrêmes, étant une technologie hautement établie qui offre néanmoins des possibilités de conception et de matériaux de pointe.

Qu'est-ce que l'usinage aérospatial ?

L'usinage est le processus de fabrication consistant à retirer des sections de matériau d'une pièce à l'aide d'outils de coupe actionnés par machine. Et l'usinage CNC est une version numérique de l'usinage :des ordinateurs contrôlent des outils de coupe motorisés pour former rapidement et précisément de nouvelles pièces.

L'usinage CNC aérospatial remonte presque à l'invention de l'usinage CNC lui-même, en 1942. L'une des premières applications de l'usinage CNC aérospatial a été la production de cloisons et de revêtements d'ailes. Aujourd'hui, de nombreuses pièces aérospatiales peuvent être usinées, telles que les transmissions, les composants de train d'atterrissage et les composants électriques. L'usinage peut également être utilisé pour réparer ou modifier des pièces existantes, pour ajouter des fonctionnalités détaillées ou pour ajouter des informations textuelles gravées telles que des numéros de série.

Étant donné que de nombreux travaux d'usinage dans l'aérospatiale impliquent la production de composants d'utilisation finale critiques, un usinage de précision est nécessaire avec des centres d'usinage 5 axes de haute qualité. Certaines pièces - composants de moteurs à réaction, par exemple - peuvent nécessiter des tolérances aussi serrées que 4 microns, bien plus serrées que ce qui est généralement acceptable lors de l'usinage CNC.

L'usinage aérospatial est également une forme importante de prototypage pendant la recherche et le développement. Les machines CNC conviennent au prototypage de pièces métalliques aérospatiales qui seront ensuite fabriquées à l'aide de techniques de coulée ou d'autres techniques.

Pièces usinées pour l'aérospatiale

L'usinage aérospatial est responsable de nombreuses pièces aérospatiales, des composants vitaux des moteurs à réaction en titane aux pièces intérieures en plastique léger de la cabine.

Les pièces qui se prêtent à l'usinage CNC aérospatial sont généralement des pièces à faible volume qui nécessitent une résistance élevée et des caractéristiques fines. Ces pièces sont généralement limitées en taille par la taille des centres d'usinage CNC, mais plusieurs matériaux différents peuvent être utilisés - généralement des alliages de titane ou d'aluminium, mais avec d'autres options comme les plastiques techniques et les composites également disponibles. Certaines pièces peuvent être post-usinées uniquement, après avoir été coulées ou extrudées.

L'usinage aérospatial peut être utilisé pour les prototypes et les pièces d'utilisation finale. Cependant, les pièces d'utilisation finale doivent répondre à des critères, normes et certifications de sécurité stricts.

Les pièces usinables pour l'aérospatiale comprennent (mais ne sont pas limitées à) :

• Composants du train d'atterrissage
• Aubes de turbine et autres composants de moteur à réaction
• Carter moteur
• Systèmes de génération d'oxygène
• Corps de filtre pour systèmes de filtration de liquide et d'air
• Connecteurs électriques pour systèmes électriques
• Commandes de mouvement
• Actionneurs
• Composants du fuselage
• Côtes d'aile
• Disques
• Arbres pour transfert de puissance
• Boîtiers de missiles et autres composants
• Pièces de cabine
• Sièges, accoudoirs et plateaux

Certifications d'usinage aérospatial

L'usinage CNC aérospatial est une procédure critique qui ne laisse aucune place à l'erreur. Là où certaines industries autorisent des tolérances lâches et des variations de matériaux, l'aérospatiale exige une précision et une cohérence totales afin de garantir la sécurité des personnes.

Différentes applications et pièces doivent répondre à différentes normes et certifications, et il existe des normes spécifiques à chaque pays ainsi que des normes internationales. Cependant, une certification particulièrement importante applicable à de nombreuses applications est la AS9100 certification, une norme internationale SAE attribuée aux fournisseurs qui est décrite comme un "modèle d'assurance qualité dans la conception, le développement, la production, l'installation et l'entretien" dans l'aérospatiale.

Une extension de ISO 9001 , la certification AS9100 n'est pas requise pour toute la production de pièces aérospatiales, mais les clients peuvent rechercher des fournisseurs disposant de la certification pour garantir la qualité.

D'autres certifications importantes pour l'usinage aérospatial incluent ITAR (International Traffic in Arms Regulations), un ensemble de directives du département d'État américain décrivant les exigences américaines en matière de vente et de production de technologies figurant sur la liste américaine des munitions, et les rapports d'inspection du premier article AS9102 , qui indiquent la conformité aux exigences de vérification des pièces aérospatiales.

De telles certifications ne sont pas nécessairement requises pour le prototypage aérospatial, puisque les prototypes ne seront pas utilisés sur des avions actifs.

Matériaux d'usinage aérospatiaux

L'usinage CNC est un processus polyvalent qui peut être utilisé pour fabriquer des composants à partir de métaux et de plastiques. Dans l'aérospatiale, cependant, deux métaux particuliers règnent en maître :le titane et l'aluminium. Cela est dû à la haute résistance (en particulier le titane) et à la légèreté (en particulier l'aluminium) des matériaux.

Alliages de titane

Aucune industrie dans le monde n'utilise plus d'alliage de titane que l'aérospatiale. Il est facile de comprendre pourquoi il en est ainsi :le métal a un excellent rapport résistance/poids, résiste à la corrosion et fonctionne à un niveau élevé à des températures extrêmes. Le titane est devenu un matériau de base dans la production aérospatiale, et son utilisation augmentera encore au cours du siècle prochain.

Les avions qui utilisent de grandes quantités de titane pour leurs divers composants comprennent des véhicules commerciaux comme l'AirBus A380 et le Boeing B787, ainsi que des avions militaires comme les hélicoptères F-22, F/A-18 et UH-60 Black Hawk.

Les pièces aérospatiales en titane comprennent les composants de la cellule et du moteur à réaction, tels que les disques, les pales, les arbres et les carters. Beaucoup d'entre eux peuvent être usinés.

Parce que le titane est plus dur que l'aluminium, il peut être plus difficile à usiner CNC, provoquant l'usure de l'outil et l'accumulation de chaleur. Cela signifie que l'usinage aérospatial du titane peut nécessiter un régime machine réduit et une charge de copeaux plus importante. (Consultez notre guide sur l'usinage du titane pour plus d'informations.) Cependant, étant donné que l'usinage aérospatial implique généralement l'équipement d'usinage le plus avancé et le plus haut de gamme disponible, cela pose rarement un problème.

Alliages d'aluminium

L'aluminium est un autre métal largement utilisé dans l'usinage aérospatial, et qui existe depuis plus longtemps que le titane et les composites modernes.

Les alliages d'aluminium sont légers et ont une résistance à la traction élevée. L'aluminium forme un revêtement d'oxyde lorsqu'il est exposé à l'air, ce qui le rend résistant à la corrosion, et il est également hautement formable (plus que le titane), ce qui facilite l'usinage CNC.

Dans l'usinage CNC aérospatial, l'alliage d'aluminium le plus courant est l'aluminium 7075, dont le principal élément d'alliage est le zinc. Bien qu'il ne soit pas aussi usinable que d'autres alliages, le 7075 a une excellente résistance à la fatigue. De nombreux composants d'aile, de fuselage et de structure de support sont fabriqués à partir de ce matériau.

Les autres alliages d'aluminium aérospatiaux usinables comprennent le 4047 (gaine/remplissage), le 6951 (ailettes) et le 6063 (structurel). Les alliages de la série 6000 sont généralement considérés comme plus usinables que les autres.

Superalliages Inconel

La Special Metals Corporation a développé une gamme de superalliages austénitiques à base de nickel-chrome appelés Inconel.

Une qualité particulière du matériau, l'Inconel 718, a été développée spécifiquement pour les applications aérospatiales. L'une de ses premières utilisations très médiatisées était le boîtier du diffuseur du moteur à réaction (une pièce à très haute pression qui relie le compresseur à la chambre de combustion) du moteur Pratt &Whitney J58, qui était utilisé dans des véhicules comme le Lockheed SR-71 Blackbird. .

L'Inconel 718 a été utilisé plus récemment par SpaceX d'Elon Musk dans le collecteur de son moteur Merlin, alimentant le lanceur Falcon 9. On le trouve également dans d'autres composants aérospatiaux tels que les aubes de turbine, les systèmes de conduits et les systèmes d'échappement des moteurs.

En tant que métal écroui, l'Inconel 718 doit être usiné avec le moins de passes possible; les machinistes déploient généralement une coupe agressive mais lente à l'aide d'un outil de coupe dur. Le superalliage a cependant une bonne soudabilité.

Plastiques techniques

En plus des métaux comme le titane et l'aluminium, l'usinage aérospatial peut impliquer l'utilisation de plastiques hautes performances tels que le PEEK, le polycarbonate et l'Ultem.

Les plastiques peuvent être un substitut utile aux métaux en raison de leur poids très léger, de leur bonne résistance aux chocs et aux vibrations, de leurs propriétés d'étanchéité et de leur résistance chimique. Ils offrent également une isolation électrique supérieure aux métaux.

L'usinage CNC aérospatial de plastiques techniques peut produire des pièces aérospatiales telles que des intérieurs de cabine, des plateaux, des accoudoirs, des boîtiers, des coussinets d'usure, des isolants, des tubes, des composants de vannes et des tableaux de bord rétro-éclairés.

Une considération importante est que les plastiques aérospatiaux doivent répondre à des exigences spécifiques en matière de flamme, de fumée et de toxicité. Les matériaux appropriés incluent le nylon (certaines qualités, y compris le nylon 6), le PEEK, l'Ultem et le PPS.