Création de stratégies démonstratrices de conception et de fabrication hybrides pour l'outillage aérospatial - Axe métallique

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La fabrication de pièces aérospatiales présente plusieurs défis importants, dont ceux du délai et du coût de réalisation. En effet, l'usinage de ces pièces demande l'utilisation d'une grande diversité d'outils et de fixations aux détails très complexes dont le nombre d'exemplaires restent limité. Conséquemment, les coûts associés à concevoir un nouvel outil, l'envoyer en production et en effectuer un contrôle de qualité reste très élevé. De plus, l'outillage conçu présente habituellement une complexité très élevée. Ceci entraîne comme conséquence qu'une très grande quantité de matériel est requise et que celle-ci est usinée en grande partie pour atteindre les dimensions finales des pièces (buy-to-fly élevé). La fabrication additive a le potentiel de résoudre ces problématiques grâce à une personnalisation plus grande lors de la conception, permettant de produire des outils et fixations en petite série avec plus grande efficacité en diminuant la perte de matériel. La fabrication additive métallique par fusion sur lit de poudre (PBF) permet de produire des pièces très complexes avec allègement de poids. Cependant, les pièces d'outillage requièrent souvent des sections épaisses, ce qui constitue une dépense inutile de produire ces pièces par PBF. De plus, bien que certains de ces outils et fixation peuvent être produits par PBF, la plupart présente des dimensions trop grandes pour être obtenues par ce type de système. La fabrication additive par dépôt sous énergie dirigée (DED) devient alors très intéressante; les sections épaisses des pièces proviennent de plaques et les ajouts complexes sur ces pièces peuvent être produites par DED, diminuant les coûts de production de ces outils. Les délais de production peuvent aussi être réduits de façon significative grâce à plusieurs étapes de conception mises en parallèles avec les étapes de production. Par exemple, la préforme provenant d'une plaque ou d'un bloc peut être envoyée à l'usinage alors que la conception est débutée, mais le tolérancement final et les précisions géométriques ne sont pas encore fixées. Par la suite, les sections produites par DED seront fabriquées alors que les étapes de conception seront complétées. Ces sections produites par DED deviennent aussi plus rapides à produire et moins coûteuses que leur équivalent usinées, dû au fait qu'il y ait moins de matière à ajouter qu'à usiner et aussi à la diminution de la perte de matériel qui provient des rejets sous forme de copeaux. Un nouvel enjeu se présente quant à l'utilisation du DED par rapport à la précision dimensionnelle du procédé. En effet, les outils et fixations servant à l'usinage de pièces aéronautiques ont besoin d'une grande précision dimensionnelle et possèdent des tolérances très serrées. À l'opposé, le DED possède une précision dimensionnelle relativement faible et celle-ci est inversement proportionnelle à la productivité du système. Des étapes d'usinage deviennent donc requises suite au DED, ce qui diminue la valeur ajoutée du procédé par rapport aux réduction de délais et de coûts de production souhaité. Cet ensemble de problématiques est ce qui a développé l'intérêt de la fabrication additive hybride, qui, dans le cas qui nous intéresse, implique un système DED combiné avec une CNC. Ce type de système permet d'usiner les pièces en production, résultant en des précisions dimensionnelles quasi-finales. Plus enjeux scientifiques sont cependant à investiguer, dont l'influence des étapes intermédiaires d'usinage sur la qualité du dépôt subséquent, le développement de produits d'acier 4340 optimisant la précision dimensionnelle et un coût de production plus faible, des pièces d'aluminium complexes produites sur des alliages d'aluminium corroyés et l'intégration de polymère dans les outils pour des réductions de coûts et de poids supplémentaires.