« Une conception de qualité est, pour les hommes et la planète, un point de plus en plus essentiel », selon la stratégie d'innovation gouvernementale britannique. Cela inclut l'aérospatiale, où les avions de demain devront voler de manière plus durable et soutenir les objectifs "net zéro" dans le monde entier. Steve Weston, Industry et Tech Centre Manager — Aerospace chez Sandvik Coromant, explique ici pourquoi des outils optimisés et la connaissance des processus seront cruciaux pour la durabilité et l'innovation dans l'aérospatiale, en particulier lorsqu'il s'agit de travailler avec des matériaux de plus en plus difficiles à usiner.

Les avions durables de demain s'appuieront de plus en plus sur les superalliages réfractaires (SAR) et les composites à matrice céramique (CMC) de nouvelle génération à base de poudre, car ils peuvent résister à des températures élevées pour une combustion plus efficace du carburant et de faibles émissions. Cependant, ces matériaux doivent être résistants à la chaleur, au fluage et conserver de bonnes propriétés matérielles à des températures extrêmes. Cela représente des défis au stade de l'usinage.

Le rapport sur la Stratégie d'innovation britannique affirme que les nouvelles technologies et les nouveaux processus seront essentiels à la fabrication et à l'usinage à grande échelle de ces matériaux avancés. La collaboration au sein de l'industrie sera également essentielle, ce que démontre déjà l'Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) de Sheffield, au Royaume-Uni.

Sandvik Coromant a été l'un des premiers membres à rejoindre l'AMRC lors de sa création en 2000, avec Boeing et Messier Dowty (aujourd'hui Safran Landing Systems). Ils ont ensuite été rejoints par des sociétés comme British Aerospace, Rolls-Royce, GKN Aerospace et Airbus et, aujourd'hui, l'AMRC compte environ 118 membres au total. La plupart des projets du centre sont de nature collaborative, financés et sélectionnés par tous les membres. L'AMRC emploie aujourd'hui plus de 500 chercheurs et ingénieurs hautement qualifiés du monde entier. Tous se consacrent à des projets de plusieurs millions de livres qui peuvent soutenir une économie forte et favorable à l'innovation.

Pour l'aérospatiale, si nous parlons de durabilité, les nouvelles technologies et les nouveaux processus devraient se concentrer sur la capacité à brûler de nouveaux types de carburant, comme le carburant durable pour avions et l'hydrogène liquide, pour créer des émissions plus faibles. Comme toujours, la capacité de fonctionner à plus haute température va de pair avec une combustion plus efficace du carburant. Si nous couplons cela avec des taux de compression plus élevés, ce que la plupart des nouveaux et futurs moteurs peuvent supporter, alors le résultat est une plus grande efficacité. Cela signifie une combustion moindre de carburant avec une puissance accrue et un bruit réduit.

Les nouvelles technologies et les nouveaux processus sont particulièrement répandus dans la fabrication des avions de taille moyenne à couloir unique comme l'Airbus A321

Innovations pour la durabilité

Avec les moteurs aérodynamiques, le cœur du moteur est relativement petit et le ventilateur à l'avant est relativement grand. Ainsi, la vitesse à laquelle vous pouvez faire tourner le ventilateur représente un facteur limitant. Pour y remédier, au cours des cinq à dix dernières années, des réducteurs ont été introduits entre la soufflante et le cœur du moteur. Ils permettent au ventilateur de tourner plus lentement tandis que le cœur du moteur tourne plus vite pour une compression élevée et un meilleur rendement énergétique.

Cependant, il faut des composants SAR pour que cela fonctionne. Ces matériaux sont composés métallurgiquement pour conserver leurs propriétés lorsqu'ils sont exposés à des conditions extrêmes. Mais cela signifie également que les contraintes générées lors de l'usinage de ces matériaux sont élevées. La capacité unique de ces superalliages à base de nickel, de fer et de cobalt à se comporter à proximité de leur point de fusion leur confère également une usinabilité généralement faible.

Une pièce qui est de plus en plus utilisée dans l'aérospatiale est le blisk, un composant qui comprend à la fois un disque de rotor et des pales. Contrairement aux disques traditionnels, qui présentent des fentes dans le diamètre extérieur dans lesquelles s'insèrent les pales, les blisks combinent le disque et les pales en un seul composant et sont plus légers que les disques traditionnels avec pales. Cela permet de réduire le nombre de composants dans le compresseur tout en diminuant la traînée et en augmentant l'efficacité de la compression de l'air dans le moteur d'environ 8 %.

Les blisks sont généralement situés du côté du compresseur froid des moteurs d'avion et sont généralement fabriqués en titane dans un premier temps, puis migrent vers des matériaux SAR lorsqu'ils sont plus proches de la chambre de combustion. L'usinage de ces composants de manière efficace, et selon les normes les plus élevées, nécessite des outils optimisés et une connaissance des processus pertinents pour ces matériaux avancés.

C'est pourquoi les domaines des projets internes de Sandvik Coromant sont si fortement orientés vers une variété de composants et de caractéristiques clés des moteurs d'avion. Il s'agit entre autres de disques, de blisks, d'arbres et de carters. Nous observons en particulier une utilisation accrue des blisks dans les moteurs à turbine à gaz actuels et nous nous attendons à ce que cette tendance se poursuive, car les dernières onces de puissance potentielle et d'efficacité énergétique sont extraites des architectures de moteur actuelles.

Cependant, les blisks présentent des défis d'usinage uniques car ils sont souvent fabriqués à partir de SAR. Les composants exigent des tolérances dimensionnelles et géométriques serrées, tout en maintenant des normes élevées d'intégrité et d'état de surface.

Les blisks, qui comprennent à la fois un disque de rotor et des pales, sont de plus en plus utilisés dans l'aérospatiale mais présentent des défis uniques en matière d'usinage

Un usinage plus sûr

En réponse à ces défis d'usinage, Sandvik Coromant offre un certain nombre de solutions d'outillage pour soutenir l'usinage rentable et de qualité supérieure des composants de moteurs aéronautiques. Une de ces méthodes - que Sandvik Coromant recommande - est le fraisage latéral à forte avance. Cette technique implique un petit engagement radial avec la pièce à usiner, ce qui permet d'augmenter les vitesses de coupe et les taux d'avance ainsi que les profondeurs de coupe axiales tout en réduisant la chaleur, l'épaisseur des copeaux et les forces radiales.

Pour accompagner cette méthode, Sandvik Coromant a mis au point la gamme de fraisage latéral à avance rapide CoroMill® Plura HFS. La gamme comprend une série de fraises à queue avec des géométries et des nuances uniques, et se compose de deux familles de fraises à queue. Une famille est optimisée pour les alliages de titane, l'autre pour les alliages de nickel. L'évacuation des copeaux et la chaleur sont des défis spécifiques à l'usinage du titane, aussi la première famille présente-t-elle une version solide de l'outil pour des conditions normales d'évacuation des copeaux. La deuxième famille est dotée d'un système de refroidissement interne et d'un nouveau booster de refroidissement pour un contrôle optimal des copeaux et de la température.

Un essai client a été réalisé pour comparer une fraise CoroMill® Plura HFS de 12 mm de diamètre avec un outil concurrent de même taille. Cet essai consistait à usiner un boîtier de turbine basse pression (LPT) en alliage à base de nickel Waspaloy 420 vieilli, en utilisant un centre d'usinage horizontal avec une profondeur de coupe axiale accrue et une profondeur de coupe radiale réduite. Le résultat a été que les taux d'enlèvement de métal ont été considérablement augmentés avec CoroMill® Plura, ce qui a conduit à une augmentation impressionnante de 198% de la productivité pour le client. La solution a également été appliquée aux blisks ainsi qu'aux disques et carters de turbine, aux aubes d'usinage et aux festons de réduction de poids.

Parmi les autres solutions du portefeuille de Sandvik Coromant figurent ses nuances de tournage de nouvelle génération, à la fois en carbure et en nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN), qui sont conçues pour le tournage de finition à grande vitesse de composants fabriqués à partir de matériaux ISO S. Ces nuances sont, à leur tour, complétées par des nuances de tournage d'ébauche en céramique de nouvelle génération conçues pour des performances de premier ordre. Les dernières nuances de finition sont testées et optimisées par Sandvik Coromant pour offrir l'intégrité de surface constante exigée par les fabricants de moteurs aérospatiaux, tout en produisant des composants de façon constante avec des tolérances serrées.

La fraise CoroMill® Plura de Sandvik Coromant a permis une augmentation de la productivité de 198% pour un client, et a été appliqué aux blisters et autres composants

L'avenir

Comme décrit dans le rapport de Stratégie d'innovation britannique , les centres mondiaux d'innovation, comme l'AMRC, continueront de voir « des entreprises de toutes tailles créer de nouveaux produits révolutionnaires, devenir plus efficaces et atteindre une pleine croissance, tout en gardant un œil sur le marché mondial, ainsi que sur le marché national ».

Les composants SAR, tels que les blisks, deviendront également plus répandus dans les avions durables de demain. Certes, l'un des principaux fabricants aérospatiaux avec lequel Sandvik Coromant travaille à l'AMRC développe des moteurs ultra-ventilés de plus grande taille, afin de parvenir à des conceptions super économes en carburant qui fonctionnent aux biocarburants. D'autres innovations clés comprennent des pales flexibles moulées par transfert de résine qui sont conçues pour se détordre lorsque la vitesse de rotation du ventilateur augmente. Ces technologies sont déjà répandues dans les avions de taille moyenne à couloir unique tels que l'Airbus A321.

Selon d'autres prévisions, les avions de taille moyenne seront les premiers à fonctionner à l'hydrogène, tandis que les avions domestiques plus petits alimenteront les ambitions électriques. Il existe aujourd'hui de nombreuses petites start-ups qui produisent des moteurs électriques plus petits pour les avions, et CNBC rapporte que le marché des voitures volantes - connues sous le nom de taxis aériens électriques — pourrait atteindre 1,5 milliard de dollars dans le monde d'ici 2040. Il pourrait même y avoir des points d'atterrissage régionalisés à l'avenir. Par exemple, les passagers pourraient monter à bord d'un avion à hydrogène pour voyager plus localement, disons autour de l'Europe, ou d'un avion à biocarburant pour voler plus loin, vers un endroit comme les États-Unis.

Au niveau des composants, ces applications s'appuieront sur des matériaux de nouvelle génération pour lesquels les solutions d'outillage optimisées de Sandvik Coromant, ainsi que sa connaissance approfondie des processus et des applications, sont déjà bien équipées. Sandvik Coromant et l'AMRC contribueront à faire en sorte que la conception de processus optimisés reste essentielle pour les principaux fabricants de l'aérospatiale, mais aussi pour les populations et la planète.