La conception d’outillage en aéronautique

LA CONCEPTION D’Outillage EN AÉRONAUTIQUE

La conception de l’outillage associé à une pièce

La conception d’outillage pour la fabrication et l’assemblage de pièces mécaniques constitue une discipline propre en soi. Elle considère le type de pièce à fabriquer, les procédés employés pour sa fabrication, le matériau de la pièce, les tolérances, ainsi que de nombreuses autres contraintes.

À partir de la géométrie des objets à produire, le concepteur d’outillage doit prévoir des moyens de support, des dispositifs de positionnement de pièce, des mécanismes d’ajustement ou encore des systèmes de localisation d’outillage qui permettront la fabrication selon les tolérances requises. Dans certains cas, il doit définir des outillages ou des portions d’outillage qui épousent parfaitement la forme de la pièce à fabriquer afin de faciliter sa rétention ou son positionnement. Les outillages doivent parfois permettre à la pièce d’épouser certaines formes une fois la pièce fabriquée, lorsque des aspects d’élasticité sont en jeu.

De plus, le concepteur d’outillage doit, le plus souvent possible, utiliser des éléments standards, qu’ils soient de type quincaillerie (vis, boulons, écrous, rondelles, etc.) ou de type modulaire (plaques perforées, tés de positionnement, etc.), pour réduire le coût de l’outillage en évitant la fabrication de pièces spéciales. Il se doit de donner à la solution le plus de possibilités d’évolution, puisqu’une pièce évoluera à quelques reprises au cours de son cycle de vie, période s’échelonnant sur plusieurs dizaines d’années dans le secteur de l’aéronautique.

L’outillage aéronautique amène des difficultés supplémentaires à cause des formes complexes devant être produites pour répondre aux contraintes aérodynamiques, des calculs élastiques supplémentaires liés à l’usage de matériaux composites ou encore de la taille des pièces devant être fabriquées ou assemblées.

les tôles de revêtement

Un stage effectué chez Bombardier aéronautique à l’été 2003 [1] a permis de recueillir un bon nombre d’informations liées au domaine des tôles de revêtement.

Pour produire ces tôles de revêtement à diverses épaisseurs, trois procédés peuvent être employés. D’abord, dans certains cas, la tôle est faite d’un regroupement de tôles usinées d’épaisseurs variables, collées à l’aide de liant à base d’époxy. Une pièce peut aussi être fabriquée par usinage intégral de manière à offrir les épaisseurs requises sans avoir à procéder à des assemblages impliquant de nombreuses pièces ou un temps de fabrication élevé. Finalement, dans le cas qui nous intéresse, c’est-à-dire celui de l’usinage chimique, la tôle à fabriquer est produite à partir d’une pièce de métal en feuille ayant l’épaisseur maximale requise qui, après avoir été masquée adéquatement, est trempée dans une solution acide permettant d’attaquer la surface et d’amincir la région exposée. La forme et le type de matériau de la pièce devant être traitée influencent le temps de trempage.

Selon les chiffres obtenus en stage, l’usinage chimique est employé chez Bombardier aéronautique sur environ 30 000 pièces annuellement, ces pièces étant réparties en plus de cinq mille modèles différents.

Selon i’usage ou leur position dans l’appareil, ces pièces possèdent des caractéristiques qui permettent de les regrouper en quatre familles.

l’usinage chimique des tôles 

Le procédé d’usinage chimique en lui-même n’est pas récent: l’attaque du plomb à l’aide de vinaigre se faisait déjà à des fins décoratives environ 400 avant J.-C.[2], mais il a fallu attendre beaucoup plus longtemps avant que des solutions corrosives suffisamment concentrées puissent attaquer les métaux plus structuraux. Les procédés relatifs à la préparation des solutions alcalines, des acides sulfurique et hydrochlorique remontent à la deuxième moitié du neuvième siècle. Les solutions étaient alors employées à des fins médicinales et artistiques (pigments pour peinture et verre). Avec le quinzième siècle apparaissait la première technique nous amenant à l’usinage chimique actuel: l’attaque chimique des armures (armor etching).

En aéronautique, l’usinage chimique est employé dans la fabrication des tôles de revêtement des avions. Cette innovation est attribuée à Manuel C. Sanz, ingénieur à la North American Aviation en 1953 [2], qui résolut un problème de poids excédentaire sur des enveloppes de missiles. L’idée générale est la suivante : pour procéder à l’assemblage mécanique des panneaux de revêtement à la structure, une certaine quantité de matière est nécessaire à la manipulation et au maintien de la cellule à l’aide de rivets. Cependant, les contraintes mécaniques engendrées dans la cellule complétée ne demandent pas une aussi grande quantité de matière. On a donc pensé à fabriquer des panneaux de revêtement à épaisseurs multiples : une épaisseur globale servant à faire la liaison avec les différentes pièces de structure et des épaisseurs inférieures servant à offrir une résistance suffisante aux contraintes engendrées lors des diverses situations d’utilisation, dont le décollage et l’atterrissage, situations plus extrêmes.

Le stage effectué à l’été 2003 a permis de dresser la liste des différentes étapes de production d’une pièce par usinage chimique et des paramètres à considérer pour ce procédé.

Avec la technique employée actuellement, pour que seules les zones requises soient attaquées chimiquement, il est nécessaire que les portions à protéger soient masquées avec un revêtement à l’épreuve de l’acide. Ce revêtement est appliqué sur la totalité de la pièce par trempages successifs dans un bassin de revêtement protecteur et est ensuite découpé à l’aide d’un gabarit de découpe. Le découpage doit se faire avec précaution pour respecter la forme et les dimensions de la poche désirée, sans abîmer la surface de la pièce; une égratignure, si minime soit-elle, entraînera des conséquences pouvant forcer le rejet de la pièce après l’usinage chimique. Une fois la pièce protégée, elle est trempée dans un bain d’acide pour une durée relative à la quantité de matière devant être érodée par l’attaque.

Lorsque l’érosion est complétée, la pièce est enlevée du bain d’acide et nettoyée de l’acide et de son revêtement protecteur. La pièce est maintenant prête aux opérations ultérieures.

l’outillage aéronautique 

La fabrication d’un aéronef est une tâche exigeant de très grands moyens techniques et technologiques. Qu’il soit petit ou grand, l’appareil, une fols complété, comportera plusieurs milliers de pièces aux géométries différentes, faites de divers matériaux et nécessitant de très nombreux procédés de fabrication.