Construit pour la vitesse :fabriquer des moteurs d'avion de qualité à temps

Pour ce premier article d'une série sur la construction d'avions, nous nous concentrons sur les pièces et composants de moteur, mettant en évidence les problèmes concrets que les fabricants d'outillage aident leurs clients à résoudre au quotidien. Nous examinons également en profondeur ce qui se passe actuellement dans et autour de la fabrication de pièces aérospatiales.

Quel est l'état actuel de l'industrie aérospatiale et de la défense ? La volonté de construire des avions rapidement et de livrer à temps est bien réelle, mais elle n'est pas sans obstacles ni coûts.

Au niveau de la fabrication de pièces, les matériaux résistants à la chaleur et composites peuvent être carrément difficiles à couper. Par conséquent, les fabricants de l'aérospatiale doivent devenir très stratégiques dans leur ingénierie des procédés, la programmation des machines et la sélection des outils, selon trois grands fabricants d'outillage que nous avons interrogés.

Devenir stratégique est très vrai pour tous les composants complexes qui composent un moteur à réaction où les pièces forgées individuelles de 75 000 $ sont la norme - et la mise au rebut est une option coûteuse et indésirable. La rapidité, bien qu'essentielle, ne prévaut pas sur des résultats prévisibles et fiables.

Aéronautique et défense :l'augmentation de la production nécessite des stratégies d'outillage avancées

"Alors que nous voyons les fabricants d'équipements d'origine augmenter leurs taux de production, il subsiste un risque que les fournisseurs rencontrent des difficultés pour accélérer la production", déclare Robin Lineberger, le chef de la division aérospatiale de Deloitte, dans le rapport "2019 Global Aerospace and Defence Industry Outlook". "Pour surmonter ce défi, les fabricants devraient envisager de se concentrer davantage sur le renforcement de la chaîne d'approvisionnement, la gestion efficace des programmes et l'utilisation de technologies avancées pour améliorer la productivité et l'efficacité."

Dans son rapport, Deloitte s'attend à ce que 2018 se termine avec quelque 1 600 avions pour l'année et prévoit 100 de plus que pour 2019. La demande de production implique souvent l'utilisation de machines à débit plus élevé et multitâches. Les « technologies avancées » qu'il mentionne incluent tout, de la métrologie basée sur des capteurs en cours de fabrication à l'usinage multiaxe à grande vitesse, en passant par des outils spécialisés de haute technicité destinés à toutes les spécifications de matériaux que cette industrie hautement réglementée propose.

Ce que Deloitte ne souligne pas, c'est qu'une machine 5 axes avancée peut mettre de six mois à un an à arriver. Ainsi, alors que ceux-ci sont en rupture de stock, certains sous-traitants se débrouillent avec des systèmes 3 axes existants ou d'autres machines vieillissantes, et de nombreux "fournisseurs" de pièces finies pour l'aérospatiale doivent repenser leurs stratégies d'outillage pendant qu'ils attendent, expliquent les fabricants d'outils.

"Ils veulent des moyens de fabrication plus rapides", déclare Bill Durow, responsable de l'ingénierie mondiale spécialisé dans l'aérospatiale chez Sandvik Coromant. « Ils veulent les faire fonctionner à des vitesses plus élevées, qu'il s'agisse d'ébauche ou de finition. Aujourd'hui, le volume de moteurs qui sont produits est à un rythme que nous n'avons jamais vu auparavant dans l'industrie. »

Trouver les bonnes nuances et les bons outils d'insertion conçus spécifiquement pour les superalliages résistants à la chaleur, alias «HRSA», est tout à fait possible aujourd'hui. Mais il y a encore une courbe d'apprentissage sur ces nouveaux matériaux et les géométries nécessaires pour les couper, disent les fabricants d'outillage.

Les outils conçus pour couper l'acier 4140, par exemple, ne sont probablement pas les meilleurs outils pour couper l'Inconel, le titane ou le plastique renforcé de fibres de carbone, ou "CFRP". Au cours des dernières années, certains composants de moteur statiques et rotatifs qui étaient auparavant en titane sont désormais fabriqués à partir de matériaux composites à matrice céramique, ou « CMC », expliquent les ingénieurs de Seco Tools.

"L'art de tout cela est la synergie de tout mettre ensemble", explique Dave Todd, responsable de la zone ouest et de l'aérospatiale, chez Seco Tools. "Nos compétences ont aujourd'hui changé dans l'aérospatiale, et nous sommes devenus beaucoup plus un cabinet de conseil travaillant avec des partenaires technologiques, des fournisseurs de premier plan et des universités... Une grande partie de l'ingénierie des procédés est effectuée hors site dans notre centre technologique."

Les trois fabricants d'outillage disposent de laboratoires de test qu'ils utilisent pour tester des solutions potentielles pour leurs clients. Tous les trois préfèrent également effectuer une combinaison de tests en laboratoire et de tests sur site pour s'assurer que les stratégies exactes fonctionnent sur la chaîne de production physique réelle.

Vous envisagez des opportunités de fabrication de pièces dans l'aérospatiale et la défense ? Lisez « Fabrication 101 :Faire partie de l'industrie aérospatiale ».

Le problème et les solutions pour gérer la chaleur dans la zone de découpe

L'efficacité énergétique stimule la demande de composants plus légers utilisant des matériaux résistants à la chaleur qui peuvent être difficiles à usiner. Une partie de l'impulsion pour des performances de moteur plus efficaces est environnementale :une combustion plus propre est également plus efficace.

« Les exigences en matière d'ingénierie le ramènent au niveau du fournisseur, ce qui signifie que vous devez disposer d'un temps de réponse plus rapide sur la technologie d'outillage pour prendre en charge les matériaux avancés », explique Scott Causey, spécialiste du segment de marché chez Seco Tools. "Et certains matériaux peuvent nécessiter une stratégie d'outillage complètement différente pour couper simplement en fonction de leur complexité :un matériau HRSA ordinaire n'utilise pas la même stratégie de coupe qu'un composite à matrice céramique."

Un matériau CMC est en couches et peut se casser facilement s'il n'est pas manipulé correctement.

Mais pensez aussi à ceci :un matériau résistant à la chaleur - qui est excellent pour l'efficacité d'un turboréacteur incroyablement chaud - crée également beaucoup de chaleur lors de la coupe. Les nuances d'outils nécessitent elles-mêmes un niveau de résistance à la chaleur pour que le travail soit fait.

Pour aider à répondre au besoin de liquide de refroidissement, la livraison à travers l'outil est devenue un détail essentiel dans les outils pour l'usinage avancé. Les fabricants d'outils trouvent constamment de nouvelles innovations dans la livraison de liquide de refroidissement, y compris certains outils qui ont plusieurs ports pour livrer dans les emplacements de coupe les plus immédiats au moment le plus efficace.

En parlant de liquide de refroidissement :où va la technologie de refroidissement ? Découvrez dans " L'avenir des fluides pour le travail des métaux, des lubrifiants pour machines et des liquides de refroidissement ."

Pleins feux sur les moteurs d'avion

Les géométries nécessaires pour découper les formes et les matériaux des pièces de moteur nécessitent une réflexion dimensionnelle. Il existe des aubes de moteur et des profils d'air de forme unique qui peuvent combiner différents matériaux, un composite avec du titane, par exemple.

Pour lutter contre cela, ces fabricants conçoivent et testent une gamme complète de nuances destinées à couper les matériaux les plus difficiles :Inconel, HRSA, titane et bien d'autres. Et il y a un autre moyen :ils construisent des outils aérospatiaux personnalisés selon les besoins. Ces outils personnalisés deviennent souvent des gammes de produits standard pour tous les clients.

Trois des principaux fabricants d'outillage décrivent comment les spécifications OEM et les géométries uniques des pièces aérospatiales ont poussé l'outillage personnalisé à devenir des gammes de produits standard, une fois éprouvées sur le terrain. Les trois fabricants ont des programmes pour l'aérospatiale et des pièces très spécifiques optimisées pour les applications de composants de moteur d'aujourd'hui, notamment :aubes/turbines, profils aérodynamiques, disques de turbine, carters de turbine, bobines, carters de ventilateur et arbres.

Voici quatre exemples de composants de moteur réels fabriqués où le bon outillage a eu un impact. Tous incluent des fabricants aérospatiaux de niveau 1 avec une moyenne de 35 à 40 machines dans leur atelier qui fonctionnent 365/24/7. Ce ne sont en aucun cas les seuls domaines des offres de composants de moteur pour ces fabricants.

Sandvik Coromant S'attaque à la productivité dans les Blisks

Défi : Il fallait sept jours pour fabriquer un blisk. La pièce à base de nickel avait une lame profonde et une fente étroite. L'ébauche de la longue portée s'est avérée inefficace avec les approches de fraisage traditionnelles. L'emballage des copeaux était excessif. Les machines plantaient.

"Nous avons vu ce qu'ils faisaient, juste brûler les fraises en bout, à plein régime :aller et retour, aller et retour, aller et retour", explique Durow. "Ils avaient des outils redondants, ils les apportaient à l'atelier de rebroyage, puis les réutilisaient... Cela prenait beaucoup de temps et utilisait beaucoup de fraises en bout."

Solution : Un outil de plongée en carbure monobloc similaire à ce qui avait été fait dans les opérations de matrices et de moules. De plus, un deuxième outil avec un diamètre plus petit a ensuite été utilisé pour nettoyer les cuspides.

"Nous avons ramené notre éprouvette au laboratoire et nous avons eu l'idée d'utiliser les routines de plongée", explique Durow. «Ça a vraiment très bien fonctionné. Et ce qui est bien, c'est que nous avons presque éliminé une autre opération de semi-finition avec le nettoyage secondaire. »

Résultat : Rasé quatre jours sur la production de sept jours de disque dur avec l'ébauche et la semi-finition. Il a également fini par devenir une offre standard pour les applications blisk.

Kennametal économise un gros achat grâce à un Air Foil

Défi : Une feuille d'air de forme irrégulière fabriquée à partir d'Inconel était découpée dans un processus d'usinage électrochimique, ou «ECM», où la pièce était maintenue par un matériau en alliage de bismuth. Les coupes agressives de la matière première n'étaient pas possibles, la production était donc lente. Les forces de pulsation provoquaient des broutages et des vibrations, et une durée de vie réduite de l'outil.

Solution : Conception d'une stratégie de coupe qui a ajusté l'hélice, le nombre de cannelures et la microgéométrie de l'outil pour minimiser la poussée vers des coupes plus lourdes. Pour les coupes plus légères, ils ont augmenté l'hélice et modifié le diamètre et le nombre de cannelures pour s'assurer qu'il y avait trois points de contact tout au long de la rotation.

Résultat : Coupe lisse, durée de vie accrue de l'outil et taux d'enlèvement de métal maximum accrus. Le client a pu annuler la commande d'une nouvelle machine d'un million de dollars qui était sur le point d'être commandée.

Outils Seco Prend le contrôle des rainures découpées dans un disque moteur

Défi : Problèmes de contrôle des copeaux dus à la découpe de rainures profondes dans l'Inconel 718 traité thermiquement dans un disque de compresseur qui maintient les pales du ventilateur. Les routines de plongée profonde entraînent la rupture de l'outil et une faible durée de vie de l'outil.

Solution : Un système de tournage et de rainurage multidirectionnel associé à un arrosage haute pression. Une stratégie de coupe géométrique en zigzag et en rampe a permis d'amincir les copeaux, de réduire la chaleur et d'augmenter la durée de vie de l'outil.

Résultat : Une réduction de 15 à 20 % du temps de cycle. Gagnez le contrôle du processus et réduisez le fardeau des interventions manuelles chronophages.

Kennametal élimine les vibrations dans un carter de moteur

Défi : Retrait d'un pouce complet de titane pour un carter de moteur mais il ne pouvait pas être tourné. Il y avait trop de force de coupe et peu de productivité des outils existants. Il était difficile de contourner des zones de fonctionnalités spécifiques.

« Les carters de moteur sont censés être ronds, n'est-ce pas ? Mais ce n'est vraiment pas le cas », déclare Mark Francis, ingénieur de projet pour l'aérospatiale et la défense chez Kennametal. "Ils regorgent de fonctionnalités qui éliminent la possibilité d'effectuer un simple cycle de tournage... Je dirais que 80 % du temps, le matériau est coupé par fraisage."

Solution : Utilisez un outil spécialisé qui pourrait s'adapter autour du diamètre et éliminer simultanément les vibrations et la poussée.

Résultat : Une ligne de production stable et fiable avec une efficacité de coupe de métal prévisible. Des outils personnalisés qui deviennent un standard.

L'importance du processus de production et du coût par composant

Gardez à l'esprit :la plupart des fournisseurs de fabrication de pièces aérospatiales de niveau 1 n'utilisent pas exactement le même équipement d'usinage, même s'ils fabriquent les mêmes pièces à partir des mêmes spécifications OEM. Les fabricants d'outils et les spécialistes du travail des métaux doivent comprendre chaque environnement d'usinage et concevoir des stratégies qui fonctionnent pour chaque environnement d'usinage unique.

Indépendamment, les trois fabricants d'outillage, qui sont des concurrents, voulaient qu'une chose soit parfaitement claire :l'accent devrait être mis sur les gains de productivité résultant de l'utilisation des bons outils destinés à avoir un impact réel sur la productivité et la précision. Ils pensent également qu'une vue plus globale de la mesure du coût par composant permet de respecter les délais de livraison d'un nombre croissant d'avions.

La preuve, disent-ils, est dans la productivité.

Les taux de production aérospatiale sont-ils réels ? Participez à la conversation sur forum métallurgie . [inscription requise]