gain de masse
de matière économisée
de temps d’impression par pièce pour 12 pièces imprimées
Industrie
Aéronautique
Challenge
Optimisation d’un bloc hydraulique
Solution
Une optimisation opérationnelle de la pièce en fabrication additive métallique
Projet
La Fabrication Additive propose une grande liberté de conception pour produire des pièces efficaces et de haute performance. Mais la prise en compte des caractéristiques des procédés est essentielle pour la production de pièces en série avec un minimum de frais et de perte. Nous allons voir une optimisation drastique à travers le cas de ce bloc hydraulique aéronautique. A l’origine produit par usinage et utilisant 3200g de matière brute, l’utilisation du procédé LBM et l’intégration de la DfAM au processus de reconception, nous ont permis d’optimiser cet élément jusqu’à lui faire atteindre une masse de 235g seulement.
Contexte
Le bloc hydraulique étudié est un collecteur de fluide utilisé pour les systèmes hydrauliques des avions. Il relie des vannes, des pompes, des actionneurs. Sa conception est toujours faite sur mesure et permet au concepteur de gérer le fonctionnement d’un circuit en combinant les composants d’une unité compacte.
Habituellement, les blocs sont fabriqués à partir d’un brut métallique usiné à la taille requise (dans notre cas, 3200g de Titane), suivi de perçages et alésages pour créer des voies d’écoulement. Un outillage spécialisé est souvent nécessaire en raison de la morphologie.
Ici, l’encombrement final de la pièce est de l’ordre de 70mm x 80 mm x 90 mm pour une masse de pièce usinée de 1552g.
Challenge
La fabrication additive permettant de renverser le paradigme de l’enlèvement de matière à partir d’un brut, il est possible d’obtenir une pièce aux fonctionnalités strictement équivalentes, pour une masse de pièce bien moindre, ainsi qu’une extraction de matière fortement réduite. La première itération de la pièce fournie par Airbus est issue d’une optimisation topologique pure, réalisée à partir du bloc de référence. Les chemins et fixations sont restés identiques, la pièce pouvant être montée en lieu et place de la pièce d’origine. La masse atteignable à l’aide de cette optimisation est de 255g avant usinage et de 235g après usinage.
Cependant, ces algorithmes d’optimisation topologique ne prennent pas en compte les limitations techniques des procédés. Ainsi, certaines formes optimisées pour l’allègement nécessiteront d’une part de réaliser des supports :
- Ce qui consommera une quantité supplémentaire de matériau (ici, 145g de titane)
- Ce qui engendrera des opérations de post traitement supplémentaires – et le coût associé – pour supprimer les supports et recouvrer les faces fonctionnelles requises.
Approche
Afin de pallier cette limitation algorithmique, nous considérons à nouveau le cahier des charges initial et y appliquons les considérations de la chaîne complète de fabrication : impression, traitement, découpe, usinage.
Elle est principalement composée d’un corps cylindrique creux, constitué de plusieurs alésages ainsi que de trois connecteurs. Ces parties sont reliées entre elles pas des bras de formes organiques et élancés. Ce sont ces géométries particulières qui nécessitent un supportage spécifique afin d’être éligible à l’impression 3D métal. Ainsi, plusieurs éléments décisifs sont intervenus dans le processus de fabrication :
- Le choix d’orientation de la pièce : il devait idéalement permettre à la pièce d’être autoportante, de manière à minimiser les coûts de fabrication et le post-traitement.
- L’intégration des supports : les supports primaires, au lieu de devoir être retirés une fois la fabrication terminée pourraient être adaptés pour être intégrés à demeure dans la pièce finale.
- L’organisation du plateau : bien orienter la pièce et ses supports par rapport au dispositif de mise en couche
- La stratégie de numérisation : pour laquelle nous avons fait le choix d’un motif de numérisation simple, un remplissage uniquement pour les supports et un contour pour la pièce.
Solution
La fabrication additive propose une grande liberté de conception pour produire des pièces efficaces et de haute performance. Mais la prise en compte des caractéristiques des procédés est essentielle pour la production de pièces en série avec un minimum de frais et de pertes.
L’intégration de la DfAM au processus de conception maximise l’exploitation de ce procédé et augmente sa rentabilité. Par nécessité, les concepteurs doivent donc aborder le processus de FA de la manière la plus habile et réfléchie possible s’ils veulent être compétitifs.
Il est très important de mettre en perspective ces possibilités avec les moyens de production, les opérations de nettoyage, de retrait des supports ainsi que les opérations de traitement, d’usinage, de finition et de contrôle.
Résultats
Cette étude montre qu’il est possible de prendre en compte les spécificités du procédé LBM dès la phase de conception. Dans notre cas, le volume de matière utilisé pour construire une pièce est réduit d’environ 150g suite à la conception issue d’optimisation topologique, et présente un gain de près de 40% en durée de production pour un plateau de 12 pièces.
Conception autoportante
Economie de matière
Absence de support
Optimisation pour l’usinage
Gain de masse
Gain de temps
En résumé
Ainsi nous avons apporté au client une pièce plus optimisée en termes de coûts globaux, qui prend en compte non pas le simple algorithme d’optimisation topologique exploité en conception, mais l’ensemble de la chaîne de valeur, de la matière brute à l’économie de carburant en passant par chaque opération de fabrication.
Téléchargez notre use case !
Vous souhaitez lire ce contenu tranquillement. Il n’est plus qu’à un clic !