Les matériaux composites connaissent depuis plusieurs années une effervescence spectaculaire dans l’industrie. Le lancement par Boeing et Airbus des avions fabriqués en composite, ainsi que leur utilisation ou les projets de fabrication qui apparaissent dans de nombreux autres domaines industriels illustrent cette tendance irréversible. En effet, ces matériaux rigides et plus légers que le métal sont de plus en plus prisés dans la fabrication des automobiles de Formule 1, de navires, des éoliennes ou de produits de loisirs.
L’industrie aéronautique reste, pour le moment, le principal consommateur de matériaux composites. Le revers de la monnaie : la difficulté à usiner ces matériaux très abrasifs, qui mettent à rude épreuve les outils de coupe. Qu’à cela ne tienne, le fabricant suédois
SANDVIK COROMANT a mis au point plusieurs solutions de coupe adéquates. «
Nous répondons à deux types de défis techniques, explique Bruno Gardes, responsable des applications aéronautiques chez Sandvik Coromant.
Il faut assurer la qualité des perçages réalisés dans des pièces qui sont en composites renforcés avec des fibres de carbone ou hybrides, avec des empilements de couches de titane voir d’aluminium. Nos outils évitent aussi la contamination du trou par le délaminage du carbone, un phénomène extrêmement nocif pour la précision de l’usinage. »
A ces exigences de qualité s’ajoutent celles de productivité. «
La durée de vie de l’outil est un facteur de choix essentiel pour les utilisateurs, ajoute le spécialiste de Sandvik Coromant.
Le coût du mètre percé reste un paramètre important et pour le réduire nous mettons au point des outils développés spécialement pour ces applications. »
De nombreux exemples spécifiques d'usinage dans l'aéronautique illustrent les avantages potentiels de solutions proposées par
SANDVIK COROMANT. Par exemple, pour le perçage des caissons centraux faits d’empillages avec fibre de carbone, titane et Aluminium, des pièces qui sont généralement usinées à l'aide d'unités de production automatisées (UPA) pneumatiques. «
Il est important dans ce cas, de réduire le plus possible les bavures en sortie des trous et de produire de bons états de surface », explique Bruno Gardes. Les forets Sandvik Coromant/Precorp à pointe diamant avec géométrie 86PT produisent des trous d'excellente qualité.
Autre défi : le détourage des enveloppes de dérive de queue d’aéronefs en fibre de carbone. «
Les exigences incluent dans ce cas la production de bons états de surface avec une rugosité de 1.25 µm et un écaillage aussi réduit que possible », constate l’expert de Sandvik. «
Les meilleurs outils pour ces applications sont des outils spéciaux CoroMill Plura, soit en carbure avec revêtement diamant, soit en version PCD brasé, d'un diamètre qui se situe généralement autour de 10 mm et avec deux arêtes de coupe. Ce type d'outil autorise une vitesse de rotation de 10 000 tr/min et une avance de table d'environ 3 200 mm/min. »
De manière similaire, pour le surfaçage de structures primaires en fibre de carbone pour les ailes et les caissons d'ailes, CoroMill 590 équipée de plaquettes PCD CD10 est la solution à retenir. Elle autorise des vitesses de coupe de l'ordre de 300 m/min.
Ces solutions sont développées dans plusieurs établissements de recherche établis par Sandvik Coromant dans le monde. Outre les laboratoires du siège de la société en Suède, les utilisateurs européens ont à leur disposition le Centre d'Applications dédié aux composites à Orléans en France. «
On y trouve des équipements idoine pour développer les projets, avec notamment un centre d'usinage CNC cinq axes, des UPA et des perceuses à main couvrant toute la plage des vitesses de rotation », précise Bruno Gardes. Les UPA et les machines CNC comportent aussi des unités de perçage avec assistance antivibrations Mitis. Ces dernières facilitent la fragmentation des copeaux et éliminent la nécessité des cycles de perçage avec micro interruptions. Une technologie qui réduit considérablement les temps de cycle.
Sandvik Coromant dispose aussi d'un centre de recherche au Royaume-Uni. Situé au Advanced Manufacturing Research Center de l'Université de Sheffield, il travaille sur de nombreux développements pour l'usinage des composites. Ces recherches utilisent des techniques comme l'analyse par tomographie, la mesure des températures et l'observation par caméra à grande vitesse.
Fraise pour composites CoroMill Plura Compressor (Photo Sandvik)
Parmi les derniers outils issus de ces centres de R&D de Sandvik Coromant, on relèvera la nouvelle fraise CoroMill Plura Compressor pour les composites. Elle combine une double hélice, positive et négative, qui compresse les bords des pièces détourées afin d'en réduire l'écaillage qui est un problème courant avec les CFRP et d'autres types de composites. «
Cet outil convient aux applications dans des matériaux d'une épaisseur minimum de 6 mm, conseille le spécialiste. Il possède une microgéométrie avec six arêtes de coupe et produit des états de surface avec Ra nettement inférieur à 4 µm. » Les débits copeaux sont élevés. Pour réduire les vibrations, il est recommandé d'appliquer le fraisage en opposition. Il faut aussi veiller à maintenir la ligne de séparation des hélices au milieu du matériau.
Pour Bruno Gardes, «
une des plus grandes avancée dans le domaine des outils de coupe pour les matériaux composites de ces dernières années a été la technologie du PCD veiné. » Elle consiste à intégrer des arêtes diamant aux forets carbure cémenté pour profiter d'arêtes dure et résistantes à l'usure sur des corps de forets résistants. Le process de fabrication du PCD veiné ébauche la géométrie nécessaire pour l'application et la matière usinée. Le PCD en poudre (avec une taille de grain sélectionnée) est soumis à une pression élevée très précise à haute température pour fixer la veine sur le carbure. «
La technologie du PCD veiné autorise des variations dans les géométries de coupe qui n'étaient pas possibles avec les traitements de pointes PCD conventionnels », constate Bruno Gardes. La technologie du PCD veiné permet aussi diverses conceptions des outils pour les adapter soit à des montages instables, soit à des applications rigides en grandes séries pour produire des trous de précision.
Les recherches continuent d’ailleurs, chez Sandvik Coromant pour développer les outils de demain. Des projets sont en cours sur le perçage orbital, sur le détourage (avec hélice faible), la simulation de l'usinage de CFRP en paquets et l'étude des mécanismes d'usure dans les composites CFRP…
