Le laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis imprime en 3D un moule en composite pour avion Boeing de près de 2 tonnes

fr.wedoany.com Rapport : Le 21 septembre, le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département de l'Énergie des États-Unis a annoncé l'achèvement d'un projet de fabrication additive métallique à grande échelle mené en collaboration avec Boeing. Les deux parties ont utilisé la technologie de fabrication additive par arc électrique pour imprimer en 3D un ensemble de Stamp Form Die (SFD), un moule de formage pour composites thermoplastiques pesant près de 2 tonnes. Ce moule mesure environ 6 pieds de haut et 4 pieds de large ; son impression continue a duré 8 semaines. Il sera ensuite utilisé par Boeing dans le cadre du projet HiCAM de la NASA consacré à la fabrication à haut rendement d'avions en composites, afin de valider le procédé de formage rapide de grandes pièces d'avion en composites thermoplastiques.

Le SFD est un outillage de formage sous pression : une plaque de composite thermoplastique, après chauffage, est placée entre deux moules métalliques supérieur et inférieur, et la pièce est formée sous pression. Un SFD traditionnel nécessite généralement plusieurs étapes de fabrication telles que l'usinage, la coulée, le forgeage et le perçage. ORNL et Boeing cherchent ici principalement à vérifier s'il est possible d'utiliser la fabrication additive par arc fil (WAAM) pour raccourcir le cycle de fabrication des grands outillages et intégrer directement les canaux de régulation thermique à l'intérieur du moule.

Le projet a utilisé le système Arc-1 de l'installation de démonstration de fabrication d'ORNL pour l'impression. Ce système, composé d'un robot industriel et d'une torche de soudage, forme la pièce par dépôt couche par couche en faisant fondre en continu un fil métallique, et peut alimenter simultanément plusieurs matériaux métalliques. Pour ce moule, la zone principale de reprise des charges est en acier à faible teneur en carbone, afin de satisfaire aux exigences de résistance structurelle et de rigidité ; la surface de travail est revêtue d'acier inoxydable déposé, afin d'améliorer la résistance à la corrosion, la stabilité dimensionnelle et la durabilité à long terme. Le procédé WAAM multi-matériaux permet de configurer les matériaux d'un même grand outillage selon les exigences de performance de chaque zone.

La structure de régulation thermique constitue un autre point clé de la conception de ce moule. Les grands moules métalliques traditionnels comportent généralement des canaux de chauffage et de refroidissement rectilignes obtenus par perçage, tandis que la fabrication additive permet aux ingénieurs de former directement, pendant l'impression, des canaux courbes épousant la surface du moule, rapprochant ainsi les fluides de chauffage et de refroidissement de la surface de formage. Cette conception permet d'améliorer la répartition de température du moule et l'efficacité du cycle thermique, ce qui agit directement sur le chauffage, le formage et le refroidissement rapides des composites thermoplastiques.

Les grands outillages en acier sont confrontés, lors du procédé WAAM, à des problèmes marqués de contraintes résiduelles et de déformation. À mesure que le métal en fusion se dépose couche par couche et refroidit, le moule tend à se déformer et à présenter des écarts dimensionnels. L'équipe d'ORNL a donc ajouté des nervures de renfort temporaires à l'arrière du moule et a utilisé la simulation des contraintes résiduelles pour corriger en continu la conception structurelle et les paramètres de compensation d'impression. Après 32 cycles d'itération de simulation, l'écart entre la pièce imprimée finale et la géométrie cible a été maintenu dans une plage de quelques millimètres.

Une fois l'impression terminée, le moule a été transporté à Baker Industries, dans le Michigan, pour un traitement de recuit destiné à libérer les contraintes résiduelles internes ; les nervures de support temporaires mises en place lors de l'impression ont ensuite été retirées, puis la finition et les autres étapes de fabrication ont été achevées afin que le SFD final réponde aux exigences d'utilisation de Boeing. Baker Industries est une entreprise du groupe Lincoln Electric, et cette technologie WAAM avait été développée au préalable par ORNL et Lincoln Electric dans le cadre d'un accord de recherche et développement en coopération.

Ce moule intégrera le système de validation de fabrication de composites aéronautiques du projet HiCAM de la NASA. HiCAM se concentre sur l'augmentation des cadences de fabrication des structures d'avions civils en composites, le formage rapide des composites thermoplastiques constituant l'une des voies technologiques importantes. Ce projet valide l'étape de fabrication d'un grand outillage de formage métallique, et non l'impression 3D directe de pièces structurelles d'avion ; son point central réside dans la réalisation, par WAAM multi-matériaux, d'un moule complexe de près de 2 tonnes pour composites aéronautiques, en intégrant les canaux de régulation thermique, la compensation structurelle et la finition ultérieure dans un processus de fabrication complet.