Magazine Lundi 10 décembre 2018 - 14:38

La trappe Éole, une optimisation réussie

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Grâce au procédé de fonderie de la cire perdue, la trappe Éole est une prouesse technologique qui ouvre la voie à de nouvelles applications industrielles. Développée par Sogeclair Aerospace et ses partenaires – le CTIF, Voxeljet, Altair et Ventana –, la trappe de maintenance aéronautique en aluminium Éole a remporté le trophée 3D Print 2018. Une optimisation réussie !

La fabrication additive suscite de plus en plus d’intérêt, en particulier dans l’industrie aéronautique où la réduction de la masse et de la consommation de carburant compte parmi les objectifs principaux. Elle offre un énorme potentiel en permettant de créer des formes organiques spécifiques, d’intégrer plusieurs pièces et fonctions au sein d’une même structure, ou encore de réduire les temps de conception. Cependant, en tant que méthode relativement nouvelle dans l’aéronautique, la technologie additive reste un procédé peu connu où nombre de développements restent à faire en termes de qualification des matériaux et des procédés. Ajoutons que, les capacités de fabrication étant toujours limitées par la taille des machines d’impression 3D, cette technologie reste encore difficilement applicable pour la fabrication de composants de grande taille, comme un mât moteur ou une porte d’accès, par exemple.

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Concevoir de grandes structures aéronautiques

La question des dimensions des pièces est un obstacle évident pour la fabrication additive. Malgré sa taille, une porte d’avion est, en raison de sa complexité et de l’intégration de ses fonctions, une pièce d’importance lorsqu’il s’agit de réduire les coûts potentiels grâce à une méthode de production en un seul tenant. Les ingénieurs de Sogeclair Aerospace ont tenté de trouver une solution à ce problème en suivant un processus de développement combinant deux méthodes de fabrication : la fonderie, méthode bien connue et disposant de qualifications [[OU certifications‑?]], et la fabrication additive, qui permet une liberté de conception inédite. Pour tirer pleinement profit du potentiel de ces technologies de fabrication, les étapes d’optimisation et de conception de la porte ont été gérées à l’aide de la suite logicielle Altair HyperWorksTM. « Avec Altair HyperWorks™, nous disposons d’outils robustes qui offrent une méthode de travail très efficace pour tous nos projets. Altair OptiStruct™, Altair HyperMesh™ et Altair HyperView™ sont utilisés quotidiennement et nous aident à trouver les meilleures solutions possibles pour nos conceptions‑ », explique Matthieu Deloubes, chef de projet au département Innovation de Sogeclair Aerospace. 

Simulation, impression et fonderie 

L’exemple retenu pour les recherches de Sogeclair est une porte d’accès Ebay située à la pointe avant du fuselage, utilisée par les opérateurs pour l’inspection et la maintenance des avions. Il s’est avéré que cette porte d’accès constitue une étude de cas intéressante à bien des égards. Pour réaliser cette pièce, l’équipe a dû relever des défis techniques particulièrement épineux :

• la taille de la porte, qui est trop grande pour être réalisée par frittage laser direct de métal (DMLS) (environ 800 mm x 500 mm x 250 mm) ;

• son matériau, l’aluminium AS7G06, qui n’est pas encore qualifié en aéronautique par DMLS ;

• enfin, la porte possède une peau très fine avec des tolérances dimensionnelles et géométriques très serrées.

L’étude Éole, dont le nom fait référence au dieu grec des vents, a été menée par Sogeclair Aerospace en collaboration avec le CTIF, Altair, Ventana et Voxeljet, un fabricant de systèmes d’impression 3D pour applications industrielles spécialisé dans le procédé 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. À cet effet, les ingénieurs impliqués ont suivi une feuille de route systématique garantissant que toutes les exigences du projet soient bien respectées. L’étude d’optimisation a duré environ deux mois et comporté huit essais d’optimisation topologique ainsi que quatre boucles de vérifications des contraintes mécaniques pour obtenir une conception satisfaisante.

Deux des nombreux défis auxquels les ingénieurs ont dû faire face dans le cadre de ce projet se sont révélés de la plus haute importance. Pour la coulée, l’épaisseur de la peau devait être la plus minime possible. 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. Le second point, particulièrement délicat, 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 du projet, 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 ultérieure des éléments finis, les ingénieurs ont examiné la conception optimisée. La simulation de coulée qui s’en est ensuivie, 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. 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.  Résultat : une porte d’accès optimisée qui répondait à toutes les exigences importantes de ce projet.

Avantages de la symbiose de la fabrication additive et de la fonderie

Sogeclair Aerospace est très satisfaite des résultats des simulations obtenus avec les outils Altair HyperWorksTM, la nouvelle conception ayant atteint tous les objectifs. S’il reste encore beaucoup à faire sur le plan de la certification et de la qualification avant qu’une pièce produite au moyen de ces procédés ne vole sur un avion, ces technologies ont permis aux ingénieurs d’optimiser la conception des portes, notamment en termes d’économie de poids. Parmi les avantages offerts par la simulation, l’entreprise a également apprécié le gain de temps considérable réalisé par les ingénieurs, permettant de réduire les cycles et les temps de développement. 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 des avions.

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Optimisation topologique de la trappe d'accès Éole.

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Analyse éléments finis de la trappe d'accès Éole.

Contenu Encadré

Sogeclair Aerospace 

Sogeclair Aerospace, membre du groupe Sogeclair SA, est un partenaire d’ingénierie et un maître d’oeuvre majeur de l’industrie aéronautique. L’entreprise 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 d’équipements. Ses activités s’étendent de la phase de recherche et développement (R&D) 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 ainsi que des intérieurs de cabine de jets d’affaires.

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