Fabrication additive grand format : flexibilité accrue pour l'aérospatial

Ascent Aerospace (Macomb Township, Michigan, États-Unis ; Santa Ana, Californie, États-Unis) se présente comme le plus grand fournisseur mondial d'outillage aérospatial, fournissant principalement des solutions métalliques pour moules, assemblage et fixations de trim et perçage. Le focus de l'entreprise en fabrication de moules est sur les grandes aérostructures, comme nacelles, ailes, fuselages, longerons, raidisseurs et cadres. Ses fixations de trim et perçage sont utilisées en usinage CNC, soudage robotique, presses automatiques, systèmes d'inspection et applications d'assemblage.

En 2018, l'entreprise a commencé à envisager d'ajouter la fabrication additive grand format à son portefeuille de Santa Ana et a conduit une évaluation des systèmes, matériaux et applications sur le marché. Reconnaissant qu'elle avait besoin d'une machine grand format capable de produire des outils de taille typique pour Ascent, en 2019 l'entreprise a investi dans un système LSAM de Thermwood (Dale, Indiana, États-Unis) – une cellule de fabrication additive par extrusion à double portique/double fonction de 10 x 40 pieds (3 x 12 m) qui inclut une imprimante grand format à une extrémité et des capacités d'usinage CNC à l'autre. Le système a été installé au deuxième trimestre 2020, juste au début de la pandémie.

Sean Henson, responsable produit global, composites et fabrication additive chez Ascent à Santa Ana, dit que bien que le timing n'était pas idéal, Ascent a pu mettre le nouveau LSAM au travail immédiatement et a commencé un effort multi-mois pour comprendre les capacités, avantages et limitations de la FA grand format dans un environnement de fabrication d'outils.

La courbe d'apprentissage et la pandémie nonobstant, Ascent a livré plus de 20 programmes d'outillage à travers le LSAM dans la première année de son opération. La plupart de ce travail centrait sur la production de fixations, outils de trim sous vide, prototypes et moules. Pour fixations de trim, Ascent a principalement utilisé une résine ABS de Techmer (Clinton, Tennessee, États-Unis) renforcée avec 20% en poids fibres de carbone hachées. Pour applications de moulage nécessitant cyclage haute température, Ascent imprime avec soit polysulfone (PESU) soit polyétherimide (PEI), tous deux renforcés fibres de carbone hachées. Ascent a aussi, en quelques applications, imprimé avec polycarbonate (PC) car il offre des propriétés légèrement meilleures que l'ABS et est un meilleur performeur haute température. Henson dit qu'environ 75% des produits faits avec le système LSAM sont pour utilisation température ambiante, le reste pour cyclage température. Des moules qui voient la température, certains sont maîtres de moule et conçus pour environnements <200°F (93°C), d'autres pour polymérisation autoclave jusqu'à 350-400°F (177-204°C) et 100 psi pression.

Alors, quel est le plus grand avantage du LSAM ? Vitesse et coût, dit Henson. Le délai pour un moule fait LSAM est la moitié de celui pour un moule métallique et les coûts matériaux sont moindres aussi. « La vitesse est énorme », dit Henson. « La raison pour laquelle nous sommes allés vers la FA grand format était les taux de dépôt matériau et juste la quantité qu'on peut construire parce que notre outillage est grand. Nous pouvons construire des trucs vraiment grands vraiment vite. Nos impressions prennent typiquement entre 8 et 15 heures. Dans ce temps, nous sommes capables de fabriquer des outils qui peuvent peser jusqu'à 1000 ou 1500 livres (450-680 kg) de matériau. Donc, nous regardons une empreinte de 13 à 14 pieds de long (4-4,3 m) et 5 pieds de haut (1,5 m) et nous l'imprimons en moins d'une journée. »

De plus, parce qu'Ascent a une machine double portique/double fonction, elle peut imprimer et finir les moules simultanément. « Elle a le double portique », note Henson. « Donc nous avons la capacité d'imprimer sur une moitié du système et d'usiner sur l'autre moitié, et nous pouvons faire tourner ceux indépendamment donc nous pouvons imprimer quelque chose de 10 à 15 pieds de long et usiner quelque chose de l'autre côté de la table qui est la même longueur, et faire tourner ces opérations simultanément. » Aussi, Henson note que parce que l'impression et la finition sont sur la même machine, « le routeur sait où l'imprimante a déposé le matériau », ce qui accélère le processus d'usinage aval. Pour la bonne application et le bon client, dit Henson, l'impression 3D fournit un produit fini, utilisable plus rapidement que possible avec tout matériau ou procédé existant.

Les inconvénients ? Il y en a quelques-uns, commençant par l'aspect forme quasi-nette de l'impression 3D avec un gros extrudeur. « Tout ce qu'on fait est un sur-épaisseur avec usinage post-procédé », souligne Henson. « Le compromis que vous faites pour déposer autant de matériau que le LSAM peut aussi vite qu'il peut est la résolution de vos impressions. Nos [cordons] extrudés font plus de 3/4 de pouce (19 mm) de large et environ 1/4 de pouce (6 mm) de haut. Quand vous regardez une pièce telle qu'imprimée, vous pouvez voir ces festons, vous pouvez les sentir. C'est une couche point FDM, juste grossie 100 fois. Et donc pour tout type de surface lisse, que ce soit un moule température ou un outil de trim ou même juste un prototype lisse, il y a un composant usinage impliqué pour obtenir une finition plus fine, surtout pour applications aérospatiales. »

Le second défi repose sur le fait qu'un thermoplastique renforcé fibres de carbone ne se comporte pas comme l'Invar, l'aluminium ou l'acier. La nature anisotrope des matériaux renforcés fibres signifie leur coefficient de dilatation thermique (CTE) hautement variable dans un moule pendant le cyclage thermique peut rendre difficile la production de pièces finies qui respectent les specs dimensionnelles. « C'est le grand défi qu'on a côté conception et côté impression », dit Henson. « Les clients nous donnent une forme finale et puis nous devons faire un peu de travail de modélisation pour comprendre à quoi l'outil doit ressembler à la fois d'un point de vue structurel et CTE. » Henson dit qu'Ascent apprend à ajuster pour la variabilité CTE dans ses designs, s'appuyant sur essai-erreur, données dérivées de programmes d'impression précédents et retours clients pour affiner ses capacités de conception.

Henson dit que cette combinaison coût/bénéfice – CTE versus vitesse et coût – signifie que ses capacités LSAM doivent être déployées soigneusement, pesant les exigences d'application contre le délai livrable. « C'est une très bonne façon d'avoir un outil en quelques semaines, par opposition à quelques mois », dit Henson. « Mais soyez juste conscients des compromis. Si vous vous attendez à ce qu'il réagisse comme un outil Invar, où vous allez avoir une pièce parfaite, ça ne fera pas ça. Mais pour beaucoup de clients, et surtout beaucoup de clients R&D et développement, c'est une très bonne façon d'avoir un outil rapide. »

Cela dit, au moins un des moules qu'Ascent a imprimé depuis son LSAM est déjà en utilisation pour production d'un avion volant, avec sûrement plus à venir. Et l'entreprise envisage un jour, pas trop lointain, où elle saturera sa capacité LSAM et aura besoin d'en ajouter plus. La propriété de l'entreprise, dit Henson, voit le potentiel de l'impression 3D et est hautement supportive de son usage étendu.