Impression 3D et usinage des pièces métalliques flexibles

Imposée par des considérations de fonctionnalité et d’encombrement, la conception de composants d’aéronefs et des satellites conduisent à des pièces de géométries complexes. Celles-ci engendrent souvent des rapports entre la masse du brut de départ et celle de la pièce finale (buy-to-fly ratio : BTFR) élevés. Ces ratios sont significativement plus élevés pour les pièces dites flexibles, formées essentiellement de parois minces. Les méthodes de fabrication classiques, tel l’usinage, résultent en des pièces dont le BTFR de l’ordre de 15 à 20:1, ce qui augmente considérablement les coûts de fabrication et induit la perte de grande de quantité de matière première sous forme de copeaux. Pour certains de ces composants, la fabrication additive (FA) ou plus précisément l’impression 3D (Imp3D) propose une alternative fiable depuis que cette technologie a atteint un niveau de maturité avancé (TRL7-9). Les principales familles de procédés d’Imp3D de pièces métalliques sont la fusion par faisceau laser, la fusion par faisceau d’électrons (EBM) et le dépôt de métal au laser. Les techniques LBM et EBM sont principalement destinés à la fabrication des pièces semi-finies tandis que le LMD est destiné à la réparation et l’ajout de formes comme les nervures et les bornes sur des composants existants. Pour les trois procédés, la matière est exposée à des cycles thermiques complexes. Selon la technologie, différents types de défauts sont produits, tant d’ordre microstructural (manque de fusion, porosités, phases indésirables), mécanique (perte de dureté, contraintes résiduelles), géométrique (déformation) et microgéométrique (fini de surface). Comparé au LBM et EBM, le LMD est un procédé plus productif en termes de vitesse de balayage et d’épaisseur de couches déposées, en plus d’une meilleure intégrité et homogénéité (indépendance de la direction d’impression) au niveau de et la microstructure. Toutefois, les LBM et EBM ont une meilleure résolution/précision et un meilleur fini de surface. Pour réduire les coûts de fabrication, les efforts en R&D doivent non seulement améliorer les performances mécaniques des pièces imprimées, mais aussi réduire le temps d’impression et les coûts associées aux matières premières. Cependant, toute augmentation de la vitesse d’impression ou l’utilisation de matière première non optimale augmente la taille des défauts.
La possibilité d’imprimer et usiner à faible coût des pièces flexibles à parois minces ou rajouter des parois minces sur des pièces existantes n’a pas été abordée d’une façon directe par des centres de recherche au Canada. L’optimisation de l’usinage des pièces à parois minces, même celles fabriquées à partir des matériaux standards, reste parmi les thèmes d’actualité les plus abordés en usinage. Ces deux niches présentent plusieurs défis, entre autres par rapport aux limites du procédé pour chaque technologie d’Imp3D en termes d’épaisseurs de parois, de microstructure et de contraintes résiduelles, mais aussi et surtout en termes de tolérancement et finition (usinage, polissage, etc.). C’est dans ce contexte que le CTA vise le développement de l’expertise de ses chercheurs en matière de finition des pièces flexibles de haute précision issues de l’Imp3D.