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La technologie Mill Turn donne des ailes aux composants de réacteur

15.03.2021
Pour l'usinage du titane, comme dans le cas de cette pièce structurelle, Hermle mise sur la lubrification à sec en aérosol.

La technologie Mill Turn donne des ailes aux composants de réacteur

Une faible consommation de carburant, des émissions réduites et nettement moins de bruit – pour parvenir à ce résultat sur les avions, les réacteurs jouent un rôle crucial. Les géométries complexes, les matériaux à haute rigidité et une surveillance de process complète sont déterminants pour la sécurité et le progrès en ce qui concerne leur production. Avec les variantes Mill Turn de ses centres d'usinage High Performance, Hermle satisfait aux exigences de la fabrication complexe des composants de réacteur à symétrie de révolution comme les disques aubagés monobloc.

"Rotate" – telle est l'instruction énoncée dans le cockpit dès que la vitesse et la portance sont suffisantes pour vaincre la gravité. À cet effet, la condition sine qua non est le bon profil des ailes mais l'élément décisif est cependant l'écoulement de l'air. Ce dernier n'est généré qu'une fois que la poussée est fournie par les réacteurs. Depuis le milieu du 20e siècle, les turboréacteurs à double flux, ou turbofans en anglais, sont les réacteurs d'avion les plus utilisés. Leur principe repose sur la réaction. En amont du compresseur et de la chambre de combustion, une soufflante d'un diamètre nettement plus grand est montée à cet effet : la roue à aubes visible depuis l'extérieur. Elle fait dériver une grande partie de l'air entrant en périphérie du générateur de gaz, produisant ainsi la poussée. La soufflante est entraînée par le générateur de gaz qui n'est ainsi responsable que d'une petite partie de la poussée totale.

Les réacteurs modernes possèdent plusieurs arbres et un engrenage pour ségréger la vitesse de rotation de la soufflante de celle de la turbine. L'évolution et l'optimisation graduelle du turboréacteur à double flux ont amené d'énormes progrès en matière d'efficacité des carburants et de rendement. À cet effet, un facteur important est ce que l'on appelle le taux de dilution, soit le rapport entre le débit d'air massique du flux secondaire, qui s'écoule autour de la turbine, et le flux primaire. Tandis que les réacteurs modernes atteignent aujourd'hui un taux de dilution d'environ 10:1, les réacteurs plus anciens affichent encore des valeurs de 5:1. Les futurs réacteurs devraient atteindre un taux de dilution de 15:1, ce qui les rendra nettement plus économiques et plus silencieux.

Le disque aubagé accueillera les aubes par la suite. Il a été fabriqué sur un centre Hermle C 62 U MT dynamic.

L'aperçu de l'intérieur d'un réacteur dévoile la soufflante, qui, entraînée par la turbine, fournit la poussée.

Progrès technique

Le transport de personnes et de marchandises par voie aérienne est devenu incontournable, même si la crise liée au coronavirus provoque actuellement un effondrement massif du secteur En 2019, les aéroports allemands ont, selon les chiffres de la fédération allemande de l'industrie du transport aérien (BDL), vu passer un total de plus de 248 millions de voyageurs aériens, arrivées et départs confondus, et plus de 4,9 millions de tonnes de fret aérien y ont été transbordés. Il est difficile de prédire combien de temps après la crise ces chiffres seront à nouveau atteints. Mais il ne fait aucun doute qu'ils augmenteront à nouveau. L'avenir du transport aérien dépend autant d'aspects économiques que d'aspects écologiques. La première priorité est de réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions polluantes et sonores. L'ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe), un comité consultatif européen composé de membres issus de la Commission européenne et des industries aéronautique et spatiale, a fixé des objectifs d'évolution concrets à cet égard dans le cadre de sa stratégie de recherche et d'innovation : le "Flightpath 2050" prévoit de réduire d'ici 2050 les émissions de CO2 de 75 et les émissions de NOx de 90 pour cent par passager-kilomètre. En matière de pollution sonore, l'ACARE demande une diminution de 65 pour cent.

Afin d'atteindre ces objectifs, les concepteurs d'avions et de réacteurs travaillent à l'amélioration de l'aérodynamisme et du poids des avions ainsi que du carburant et des réacteurs. Ces derniers recèlent actuellement le plus gros potentiel pour atteindre ces chiffres ambitieux. À cet effet, deux variables réglantes physiques sont particulièrement pertinentes : l'efficacité de la poussée et le rendement thermique. De nouveaux systèmes basse pression contribuent à augmenter le taux de dilution et génèrent ainsi plus de poussée à consommation réduite. Les concepteurs atteignent les limites théoriques du rendement thermique en augmentant notamment les pressions, les températures ou les rendements des composants à l'aide de générateurs de gaz novateurs dans lesquels règnent des températures de plus de 2000 degrés Celsius. Afin de réduire les émissions de bruit, ils font entre autres varier la forme et le nombre d'aubes individuelles de la soufflante.

Les géométries complexes et les grands composants comme ce module de soufflante : le C 62 U MT dynamic maîtrise les deux.

Des contraintes en constante augmentation

Des géométries plus complexes, des pressions plus élevées et des températures plus critiques – chaque augmentation de l'efficacité dans le réacteur implique également une sollicitation plus importante des composants du réacteur et par conséquent des matériaux et des procédés d'usinage. La société Maschinenfabrik Berthold Hermle AG est connue pour ses fraiseuses et centres d'usinage haute précision. En 2010, l'entreprise spécialisée dans l'usinage par enlèvement de copeaux présentait sa première machine MT (Mill Turn), le modèle C 42 U MT. "Cela a amorcé notre grande entrée dans le secteur de l'aérospatiale", se souvient Martin Wener, responsable Key Account Management chez Hermle. "Avant, nous n'étions pas particulièrement focalisés sur ce secteur, même si nos fraiseuses étaient, bien entendu, déjà utilisées par les constructeurs de réacteurs." Grâce à la technologie MT, Hermle a pu ajouter d'autres exploitants à sa clientèle, sachant que l'entreprise intéresse désormais aussi les concepteurs de réacteurs, à tel point qu'un pourcentage à deux chiffres du chiffre d'affaires total est aujourd'hui généré par le segment de l'aérospatiale.

Pour Wener, l'un des secrets du succès réside dans le concept de la machine : "Nous sommes en mesure de faire pivoter le corps que nous usinons par tournage. Cela nous donne un énorme avantage par rapport aux tours classiques." En effet, le pivotement simultané permet aux exploitants d'employer des outils plus courts et donc plus rigides. De plus, il est également possible d'usiner des contours complexes avec un seul outil. "Nos exploitants ont par conséquent besoin de moins d'outils et en plus, on les trouve dans la gamme standard. Ainsi, ils font des économies considérables en termes de coût d'investissement", explique Wener.

Les aspects de la précision, de la stabilité et de la précision à long terme sont tout aussi déterminants. "Une série de réacteurs sera produite pendant une longue période pouvant aller jusqu'à 20 ans. Les fabricants attendent de nos machines une précision et une fiabilité tout aussi longues jusqu'à la dernière pièce", déclare Wener. "Voilà un défi particulier, compte tenu du fait que nos installations servent à réaliser des usinages à 5 axes très complexes sur des matériaux difficiles à usiner tels que l'Inconel ou des matériaux développés en interne qui résistent aux hautes températures." Alors que la disponibilité des pièces de rechange est pertinente pour tous les secteurs, l'exigence d'uniformité des machines est une spécificité du segment de l'aérospatiale. "Même lorsqu'un projet s'étend sur plusieurs années, nous pouvons garantir, à la demande du client, que chaque machine construite et fournie par nos soins au cours de cette période sera identique. Peu importe que des mises à jour système logicielles ou matérielles aient eu lieu pendant ce temps", explique Wener. Ici, le concept standard de Hermle présente des avantages par rapport aux machines spéciales.

C'est avec le C 42 U MT dynamic que la société Hermle s'est lancée dans les tâches de tournage-fraisage exigeantes en 2010.

Une seule machine, deux procédés

Hermle propose actuellement trois machines de la gamme High Performance Line en version MT : C 42 U, C 52 U et C 62 U. Avec ces dernières, le constructeur de machines offre la possibilité de réaliser des tâches de tournage simultanées sur des pièces jusqu'à 1200 millimètres de diamètre et 900 millimètres de hauteur. Le poids maximal lors du tournage ne doit pas dépasser 700 (C 42 U MT), 1000 (C 52 U MT) ou 1500 kilogrammes (C 62 U MT) lors du tournage, soit d'énormes masses mises en rotation. La structure rigide de la machine, essentielle pour les tâches de tournage, est garantie d'emblée avec les machines Hermle. Une évolution qui a été fortement accélérée par les applications aérospatiales est en revanche la précontrainte de palier hydraulique de la broche. "La broche est le maillon le plus faible de tout le système. C'est pourquoi nous avons développé une rigidification en fonction de la vitesse de rotation", explique le responsable du Key Account Management. La commande adapte automatiquement la charge qui pèse sur le palier : à faible vitesse de rotation, donc précisément lorsque la machine usine des matériaux difficiles à usiner, le système de broche se rigidifie sensiblement. À cet effet, une pression hydraulique supplémentaire est appliquée aux ensembles de palier à faible vitesse de rotation. En cas de vitesse de rotation plus élevée, la pression hydraulique diminue de sorte que seul le bloc ressort détermine encore la précontrainte de palier.

Chez Hermle, le C 52 U MT est considéré comme une machine polyvalente et flexible grâce à son grand espace de travail malgré un encombrement minimal.

Le C 62 U MT dynamic est le modèle phare de la gamme Hermle High Performance Line et permet un usinage efficace et hautement dynamique des composants jusqu'à 2500 kilogrammes.

Des détecteurs pour la sécurité de fonctionnement

Fraisage précis dans la masse : une turbine en titane, sur un C 42 U MT dynamic de Hermle.

Lors de l'usinage par enlèvement de copeaux de composants de réacteur, la surveillance de process est également essentielle. Des dommages ultérieurs dans le réacteur peuvent avoir des conséquences dévastatrices. Une documentation complète des différentes étapes de fabrication est d'autant plus importante. "La surveillance du réfrigérant en est un exemple. Elle fournit la preuve de la présence continue de réfrigérant pendant un processus de perçage. Une interruption du flux de réfrigérant peut localement provoquer un effet trop important de la chaleur et par conséquent une altération de la structure du matériau. Cela peut présenter un risque de défaillance plus tard pendant le fonctionnement", précise Wener. C'est pourquoi des détecteurs sont intégrés dans les machines d'usinage afin de mesurer la pression et le débit à l'intérieur du circuit de refroidissement. Les données générées par la surveillance de process sont ensuite conservées avec le composant.

Parmi ces composants, on trouve par exemple les disques aubagés monobloc. Un disque aubagé monobloc (DAM), ou en anglais blisk (mot-valise réunissant blade et disk), désigne un composant de réacteur qui réduit considérablement les travaux de montage et donc les frais ainsi que le poids : au lieu de monter des aubes (blades) individuelles sur un disque, les profils sont fraisés dans la masse. Le temps d'usinage peut atteindre 20 heures. L'un des défis consiste à adopter la bonne stratégie d'usinage : les aubes allongées ne doivent pas entrer en oscillation pendant l'usinage. À cela s'ajoute l'usure des outils. "Ici, les exploitants profitent de notre automation des outils", explique le responsable du Key Account Management. L'usure est très importante lors de l'usinage des matériaux difficiles à usiner. "Le changement d'outil sans opérateur apporte bien souvent une augmentation considérable de l'efficacité", souligne Wener. Pour l'équipement automatique des centres d'usinage, un changeur de palettes est suffisant compte tenu des longs temps d'usinage.

À la fin, les constructeurs de réacteurs disposent d'un disque aubagé monobloc d'une valeur d'environ 100000 euros qui est prêt au montage hormis un réusinage pour compacter la surface. Mais le résultat d'usinage n'est pas la seule chose convaincante. "Un retour récurrent est que les clients se sentent bien accompagnés chez nous", raconte Martin Wener. Cela commence par une prise en compte attentive de leurs souhaits et va jusqu'au service après-vente souvent considéré comme une référence dans le domaine de la construction de machines-outils, en passant par les techniciens d'application Hermle qui fournissent des conseils rapides, élaborent des solutions en collaboration avec l'exploitant et réalisent des essais de fraisage, même en dernière minute.

Des matériaux difficiles à usiner, de grands diamètres et des tolérances strictes : Hermle fabrique un carter de turbine en titane sur le C 62 U MT dynamic.

Difficult-to-machine materials, large diameters and narrow tolerances – Hermle manufactures a turbine housing made of titanium on a C 62 U MT dynamic.

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