Troy, Michigan, septembre 2019

La fabrication additive, communément appelée impression 3D, suscite de plus en plus d’intérêt, en particulier dans l’industrie aérospatiale où la réduction de la masse et de la consommation de carburant sont les objectifs principaux. La fabrication d’additive offre un énorme potentiel puisqu’elle permet de créer des formes organiques spécifiques,  de réduire la masse, d’intégrer plusieurs pièces et fonctions au sein d’une structure, de réduire les temps de conception et bien plus encore. Cependant, en tant que méthode relativement nouvelle dans l’aéronautique, la fabrication additive reste un procédé peu connu où tant de développements restent à faire en termes de qualification matériaux / procédés. De plus, les capacités de fabrication sont toujours limitées par la taille des machines d’impression 3D, ce qui rend la technologie inappropriée pour les composants de grande taille dans un avion, comme un mât moteur ou une porte d’accès.

La question des dimensions est un obstacle évident pour l’impression 3D. Une porte d’avion est, tout en étant assez grande – en raison de sa complexité et de l’intégration de ses fonctions – une pièce très prometteuse lorsqu’il s’agit de réduire les coûts potentiels grâce à une méthode de production en un seul tenant. Dans cette étude, les ingénieurs de SOGECLAIR Aerospace ont tenté de trouver une solution à ce problème et ont suivi un processus de développement qui combinerait deux méthodes de fabrication – la fabrication additive et la fonderie – Un avantage pour développer et fabriquer cette porte d’avion. Alors que la fonderie est bien connue et qualifiée,, la fabrication additive ouvre la voie vers une liberté de conception qui n’est offerte par aucune autre méthode de fabrication. Pour profiter du potentiel de la fabrication additive et de la fonderie, les étapes d’optimisation et de conception de la porte ont été gérées par la suite logicielle Altair HyperWorks TM .

« Avec Altair HyperWorks, nous disposons d’outils robustes qui offrent une méthode de travail très efficace pour tous nos projets. En particulier Altair OptiStruct, Altair HyperMesh et Altair HyperView sont utilisés quotidiennement et nous aident à trouver les meilleures solutions possibles pour nos conceptions. » Matthieu Deloubes, chef de projet au départementInnovation de SOGECLAIR Aerospace.

SOGECLAIR Aerospace, membre du groupe SOGECLAIR S.A., est un partenaire d’ingénierie et un maître d’œuvre majeur de l’industrie aéronautique. SOGECLAIR Aerospace offre des services de conseil et de gestion de configuration,  de structures aéronautiques, d’installation de systèmes, d’aménagement cabine, d’ingénierie de fabrication et équipements. Les activités de l’entreprise s’étendent depuis la phase de Recherche et Développement jusqu’à la fourniture des produits. SOGECLAIR Aerospace offre également des services de production par l’intermédiaire de ses filiales et coentreprises : AviaComp, ADM, MSB et PrintSky. Les pièces produites comprennent des trappes d’accès aux réservoirs de carburant en matériaux composites pour l’Airbus A350 et la Série C de Bombardier, une structure de plancher métallique pour l’Airbus A380 et des intérieurs de cabine de jets d’affaires.

La simulation chez SOGECLAIR

SOGECLAIR utilise les solutions Altair depuis de nombreuses années et s’appuie fortement sur la suite logicielle Altair HyperWorks pour ses tâches de simulation et de développement. Une vingtaine de personnes travaillent régulièrement avec les outils Altair, dont une partie au sein du département innovation de SOGECLAIR, en charge du développement de la porte EOLE.

Les ingénieurs utilisent différents outils Altair HyperWorks et s’appuient fortement sur Altair OptiStruct, un solveur d’analyse par éléments finis et outil d’optimisation, ainsi que sur Altair HyperMesh et Altair HyperView, qui sont utilisés en pré et post-traitement.

Altair OptiStruct est très parce qu’il intègre un solveur éléments finis et un logiciel d’optimisation et offre une série de fonctionnalités intéressantes pour configurer l’optimisation afin de converger vers une solution satisfaisante. Par ailleurs, SOGECLAIR Aerospace travaille avec Altair Inspire ; la solution d’optimisation de conception/topologie générative et de simulation rapide d’Altair, parce qu’elle est facile à utiliser et très utile, surtout dans la première phase de pré-analyse. SOGECLAIR Aerospace utilise tous les outils d’Altair via le système flexible de licences unitaires d’Altair.

Challenging the God of Winds – Réaliser une pièce unique (unitaire) grâce à la simulation, à l’impression 3D et à la fonderie

L’exemple choisi dans cette étude est une porte d’accès Ebay située à la pointe avant du fuselage qui est utilisée par les opérateurs pour l’inspection et la maintenance des avions. La porte d’accès Ebay s’est avérée une étude de cas intéressante à bien des égards, car l’équipe a dû relever des défis techniques difficiles :

• La porte est trop grande pour être réalisable en DMLS (environ 800 mm x 500 mm x 250 mm),
• Elle est faite d’aluminium AS7G06 qui n’est pas encore qualifié en aéronautique par DMLS, et
• Elle possède une peau très fine avec des tolérances dimensionnelles et géométriques très serrées.

Baptisée EOLE d’après le dieu grec des vents, l’étude décrit la fonderie de précision appliqué sur une porte d’accès d’avion. Le procédé de fabrication est basé sur la fonderie cire perdue à partir d’un modèle en résine imprimé en 3D. L’étude EOLE a été menée par SOGECLAIR Aerospace en collaboration avec le CTIF, Ventana et voxeljet, un fabricant leader de systèmes d’impression 3D pour applications industrielles spécialisé dans l’impression 3D plastique ou sable à l’aide de jet de liant.

Le principal problème technique abordé dans ce projet était la coulée d’une porte d’accès d’avion (pièce de classe 2F) en une seule fois et de forme quasi définitive intégrant une peau mince à des raidisseurs organiques. Dans le but de démontrer que cela est possible, les ingénieurs impliqués dans cette étude ont suivi une feuille de route systématique garantissant que toutes les exigences du projet sont respectées. L’étude d’optimisation a duré environ deux mois, a comporté huit essais d’optimisation topologique et quatre boucles de vérifications des contraintes mécaniques pour obtenir une conception satisfaisante.

Parmi les nombreux défis auxquels les ingénieurs ont dû faire face dans le cadre de ce projet, deux étaient de la plus haute importance. Pour la coulée, l’épaisseur de la peau devait être réglée à l’épaisseur de paroi minimale possible. C’est important, car la surface extérieure de la porte est considérée comme faisant partie du fuselage et doit répondre à des exigences très élevées de tolérances dimensionnelles et géométriques. Un autre point délicat sur la porte d’accès était la connexion entre la peau et les raidisseurs. Pour y faire face, SOGECLAIR aerospace a esquissé quelques idées qui ont été reprises dans un modèle CAO et la simulation du processus qui a suivi.

Au début de l’étude, l’optimisation topologique a été utilisée dans le but d’identifier l’agencement de matière optimal dans un espace de conception donné tout en respectant des contraintes dimensionnelles et mécaniques. Dans une analyse éléments finis ultérieure, les ingénieurs ont examiné la conception optimisée. La simulation de coulée qui s’en est suivie, en particulier la fraction solide, a permis aux ingénieurs d’améliorer la conception de la pièce et de minimiser la présence de défauts (retrait, fissures, etc.).

Des simulations de remplissage et de solidification ont été effectuées afin de prédire avec précision la position et la taille de certains défauts tels que des zones de remplissage incomplètes ou des bulles d’air. Ensuite, des échantillons de faisabilité ont été réalisés pour des zones représentatives de la porte d’accès de l’avion, en particulier les plus délicats. Sur la base de ces échantillons, SOGECLAIR aerospace a finalement fabriqué la porte d’accès à l’échelle réelle en imprimant le modèle 3D en résine PMMA. Selon cette procédure, la résine a d’abord été trempée dans de la barbotine et recouverte d’une coquille composée de plusieurs couches de sable pour construire le moule. Ensuite, le moule a été chauffé et la résine a pu être éliminée. Enfin, la porte d’accès a été coulée et traitée thermiquement après démoulage. Le résultat a été une porte d’accès optimisée qui répondait à toutes les exigences importantes de ce projet.

Avantages de la symbiose simulation, impression 3D et fonderie cire perdue

SOGECLAIR aerospace est très satisfait des résultats des simulations obtenus avec les outils HyperWorks d’Altair puisque la nouvelle conception a atteint tous les objectifs. S’il reste encore beaucoup à faire sur le plan de la certification et de la qualification avant qu’une telle solution ne vole sur un futur avion, l’utilisation des solutions Altair a permis aux ingénieurs d’optimiser la conception des portes, notamment en termes d’économie de poids.

Parmi les avantages offerts par la simulation, SOGECLAIR aerospace a apprécié le gain de temps considérable réalisé par les ingénieurs en travaillant avec les logiciels Altair.. Les solutions Altair ont permis à SOGECLAIR aerospace de réduire les cycles et les temps de développement, car il aurait fallu beaucoup plus de temps pour obtenir les mêmes résultats sans l’aide de la simulation. Dès que la certification des pièces fabriquées selon cette méthode sera établie, SOGECLAIR aerospace disposera d’un processus de simulation avancé qui sera appliqué à de nombreux autres composants potentiels afin d’optimiser davantage les caractéristiques globales de l’avion.

Pour en savoir plus sur les technologies d’Altair, vous pouvez participer à la conférence technologique Altair Aerospace et Defense qui se déroulera du 30 septembre au 1er octobre en vous inscrivant ICI.

Plus sur Altair : www.altair.com