Simulation Mécanique du Processus d'usinage des Pièces Aéronautiques – SIMP-Aero

Le projet repose sur un outil de simulation numérique, qui calcule la relaxation des contraintes et met à jour la géométrie du maillage de la pièce, à partir de la suite chronologique des volumes de matière à enlever. On obtient, ainsi, l’histoire des déformations de la pièce de l’ébauche jusqu’à la pièce finie. Pour valider la cohérence de cet outil avec la réalité, les champs de contraintes résiduelles initiaux doivent être caractérisés par deux campagnes expérimentales différentes, selon la morphologie de la pièce brut initiale. D’autre part, le recalage du modèle de simulation est effectué, via la mise en œuvre d’une méthode de corrélation d’image (DIC), pour mesurer la déformation des pièces in-situ, à chaque étape de l’usinage. Ainsi, cet outil de simulation permet d’estimer la déformation de la pièce, selon sa géométrie et la gamme employée. Dans le cadre de la conception optimale de la géométrie d’une pièce, cet indicateur vient s’ajouter aux indicateurs usuels comme la minimisation du poids, du temps d’usinage et du coût d’usinage. L’optimisation recourt alors à un processus utilisant deux optimisations imbriquées par algorithmes génétiques qui produisent et améliorent une famille de géométries de pièces ou de gammes d’usinage selon un macro-critère calculé par une méthode AHP.

Le projet SIMP-Aero a produit plusieurs résultats majeurs. Expérimentalement, les résultats concernent le développement de méthodes de mesure de contraintes résiduelles et de déformation in-situ pendant l’usinage. L’applicabilité et la précision des méthodes sont validées. Numériquement, les résultats concernent le développement d’outils numériques de simulation du comportement mécanique des pièces et d’optimisation de leur géométrique et de leur gamme d’usinage. Ces outils seront utilisables dans le cas de la conception de nouveaux avions. Le couplage entre la modélisation de la déformation et la mesure in-situ a été un facteur important d’avancée dans le domaine de la prédiction des déformations d’usinage. Par ailleurs, il a été une étape scientifique importante dans la formalisation d’une méthodologie de recherche sur la performance des processus de fabrication et leur optimisation multicritère. Par la suite, plusieurs thèses ont poursuivi ces travaux. Dorénavant, optimiser une gamme de fabrication selon les seuls critères de coût ou de productivité est insuffisant. Il est nécessaire de prendre en considération de nouveaux indicateurs, notamment liés au développement durable. Ce projet s’est poursuivi avec le projet ANR IMaDe (ANR-19-CE10-0002).

La modélisation du comportement mécanique des pièces en usinage est aujourd’hui un terrain de recherche d’avenir, défriché par ce projet. En effet, l’usinage souffre de ne pas utiliser de modèles mécaniques efficaces durant les processus, contrairement à la forge, au matriçage ou à la fonderie. Le monde industriel a pris conscience de l’impact de l’usinage sur l’état mécanique des pièces. Grâce à ces modèles, nous passons d’un point de vue micro lié à l’état mécanique des surfaces à un point de vue macro dans le volume de la pièce. Ces travaux inaugurent donc de nouvelles voies de recherche, que ce soit dans la prise en compte plus précise de certains états mécaniques, la prise en compte de géométrie plus fine, ou bien l’application à de nouveaux matériaux ou de nouveaux processus.

Rebergue, G.; Blaysat, B.; Chanal, H.; Duc, E. Advanced DIC for accurate part deflection measurement in machining environment. Journal of Manufacturing Processes. 2018, 33, 10-23.

Rebergue, G.; Blaysat, B.; Chanal, H.; Duc, E. In-situ measurement of machining part deflection with Digital Image Correlation. Measurement. 2022, 187, 110301.

Rambaud, P.; Mocellin, K. New numerical approach for the modelling of machining applied to aeronautical structural parts. Esaform 2018, Palermo, AIP Conference Proceedings 1960, 070022 (2018).

Rambaud, P.; Perez, I.; Mocellin, K.; Madariaga, A.; Arrazola, P.J. 1st Esaform Mobility Grant: Modeling of Post Machining Distortions in Thin Walls Applied to Aluminum Parts compared to experimental results. Esaform 2019, Vitoria-Gatseiz, AIP Conference Proceedings 2113, 080015 (2019).

Dans le cadre de la production de pièces de structure aéronautique, ce projet a pour but de développer les outils numériques permettant d’évaluer la distorsion des pièces laminées, forgées ou matricées durant l’usinage, afin d’en valider la géométrie, d’en optimiser le processus d’usinage voire d’en modifier la définition géométrique. Ce projet suit un projet FUI, terminé en juin 2015, qui avait regroupé Aubert et Duval, Constellium, le Cemef et l’Institut Pascal / IFMA. Ce projet avait porté sur l’étude de la déformation après usinage d’une morphologie de pièces, fabriquée à partir d’un nouvel alliage d’aluminium-lithium. Sa conclusion nous a permis d’exprimer des problématiques scientifiques plus fondamentales.
La conception des pièces de structure aéronautique répond à une exigence de résistance mécanique tout en cherchant une réduction du poids et une minimisation du coût de fabrication. Les pièces sont physiquement réalisées à partir d’une préforme, dont 80% à 90% de la masse est éliminé par usinage. Ce fort enlèvement de matière engendre un rééquilibrage des contraintes internes induites par la mise en forme initiale, qui déforme la pièce usinée, augmente le coût et le temps de fabrication. La maîtrise de cette déformation est donc un facteur de réduction des coûts et d’optimisation du processus, par la simplification des opérations et le contrôle du volume de métal engagé.
Durant l’usinage, nous avons constaté que la déformation de la pièce dépend de la situation d’usinage et en particulier du type de bridage utilisé, ainsi que de la planification de l’usinage qui produit un rééquilibrage continuel des contraintes. Le problème d’identifier la planification qui aboutit à la distorsion minimale n’est pas résolu. Le but de ce projet est ainsi de proposer une modélisation théorique et expérimentale de la distorsion de la pièce pendant l’usinage.
Le projet est structuré suivant cinq lots :
- Caractérisation des contraintes résiduelles dans les pièces préformées, pour identifier les champs de contraintes nécessaires à la simulation pour différents matériaux et différents procédés. La mesure des contraintes résiduelles et l’évaluation de son incertitude sont des problèmes complexes dans le cas des pièces industrielles massives.
- Développements numériques sous le logiciel Forge ®, pour modéliser l’enlèvement de matière et estimer la distorsion en réduisant les temps de calcul et en améliorant la qualité de la prédiction.
- Développement d’une méthode de mesure des distorsions, non intrusive, de la pièce lors de l’usinage applicable dans l’environnement perturbé de la machine outils.
- Optimisation des gammes de fabrication, pour contrôler l’influence de la déformation sur le respect des spécifications géométriques et adaptation de la conception des pièces.
- Validation sur des pièces industrielles, de la simulation par comparaison avec les résultats expérimentaux.
Ce projet concourt à la proposition d’une simulation fidèle du comportement mécanique des pièces durant l’usinage à l’instar des autres procédés comme la fonderie ou la forge. En effet, il n’existe pas d’outils permettant d’évaluer l’état de chargement mécanique d’une pièce pendant l’usinage.
Au niveau industriel, la maitrise de la déformation des pièces et l’enrichissement de l’expertise d’Aubert et Duval et de Constellium est un avantage concurrentiel majeur dans un marché aéronautique en pleine évolution qui doit absorber une augmentation importante des cadences et l’apparition de concurrents low-cost sur les marchés très techniques de l’obtention de préformes. Les clients attendent dorénavant de leur fournisseur d’être en mesure de les conseiller sur les processus avals dans une démarche de réduction des coûts.