Méthode de sélection systématique des procédés de fabrication des composants structuraux d'aéronefs pour une production économique et écologique

Les pièces de structure d'aéronefs sont produites par usinage car ce procédé est bien maîtrisé et, bien réglé, il préserve les propriétés mécaniques au coeur du matériau. Il entraîne cependant jusqu'à quatre-vingt-dix pour cent de matière perdue sous forme de copeaux. Face aux problèmes économiques et environnementaux causés par ces pertes de matière, d'autres procédés de fabrication tels que le moulage, le forgeage et la fabrication additive sont envisagés car ils permettent de former des pièces aux dimensions quasi-finales. Afin de déterminer l'intérêt de ces procédés de fabrication par rapport à l'usinage habituellement utilisé, ils doivent être analysés et comparés. Le choix des procédés de fabrication étant étroitement lié au matériau utilisé et à la géométrie des pièces, la problématique suivante se pose alors : Comment sélectionner les trios matériaux - conceptions - procédés de fabrication pour réaliser les pièces de structure en aluminium d'aéronefs résistantes, économiques, et respectueuses de l'environnement ? La revue de littérature fait ressortir quatre principales étapes dans le processus de sélection des procédés de fabrication : la définition des critères de sélection pour une application donnée, la présélection des procédés pouvant répondre aux besoins, le classement des procédés et le choix final après une étude des forces et des faiblesses. Les critères de sélection traditionnels sont les propriétés mécaniques du matériau, les capacités techniques des procédés de fabrication et les coûts de fabrication. Les critères environnementaux étant très peu et partiellement pris en compte. Les méthodes de sélection multicritères, principalement Analytic Hierarchy Process et Technique for Order Preferences by Similarity to an Ideal Solution, sont utilisées pour déterminer un indicateur de sélection à partir des valeurs des critères de sélection. La comparaison des procédés de fabrication est, dans la majorité des cas répertoriés, réalisée à partir d'une géométrie unique, conduisant à une comparaison d'alternatives non équivalentes. L'optimisation topologique couplée à la conception pour la fabrication permettent de concevoir des formes adaptées aux procédés de fabrication visés. En effet, la revue de littérature montre que les formes générées par optimisation topologique ne sont pas toujours fabricables. L'application de règles de conception pour la fabrication dans une boucle d'optimisation topologique permet d'obtenir des formes optimisées et fabricables. En ce qui concerne les coûts de fabrication et les impacts environnementaux, la littérature regorge de modèles avancés permettant d'obtenir des estimations des coûts de fabrication. Les indicateurs environnementaux et l'analyse de cycle de vie permettent d'évaluer la performance des procédés de fabrication. De cette revue de littérature, les objectifs de recherche suivants ressortent : 1. Développer une méthodologie de sélection des matériaux - conceptions - procédés de fabrication afin de déterminer les alternatives de fabrication qui permettent de réaliser des pièces équivalentes à l'usinage en termes de propriétés mécaniques ; 2. Déterminer les procédés de fabrication alternatifs à l'usinage, pour lesquels le design permet de satisfaire les exigences techniques et mécaniques ; 3. Développer des méthodes et outils permettant une comparaison économique et environnementale des procédés de fabrication. Pour répondre au premier objectif, des alternatives de fabrication équivalentes sont proposées en considérant les matériaux, la conception des pièces et les procédés de fabrication. À la différence des travaux actuellement disponibles dans la littérature, des trios matériaux - conceptions - procédés de fabrication sont formés. Les trios identifiés sont dit équivalents lorsqu'ils satisfont tous les mêmes objectifs en termes de caractéristiques techniques et de propriétés mécaniques. Dans le cadre de nos travaux, les pièces sont conçues pour satisfaire un facteur de sécurité minimum de 1, 1 sur la limite d'élasticité. Pour former les trios, une méthodologie de sélection des matériaux et de conception pour la fabrication est développée et présentée dans le premier article de la thèse par articles. L'optimisation topologique est alors introduite comme outil de conception pour la proposition d'alternatives de fabrication équivalentes. Les pièces sont conçues dans un matériau adapté au procédé de fabrication visé pour répondre au même objectif. La masse est alors utilisée comme critère de présélection : une alternative de fabrication est compétitive si la masse du composant obtenu est plus petite ou égale à celle de la pièce conçue pour l'usinage. La méthodologie précédemment développée est ensuite appliquée à la famille des pièces de structure d'aéronefs formées de poches à parois minces, afin de déterminer les procédés de fabrication compétitifs par rapport à l'usinage, pour lesquels le design permet de satisfaire les exigences mécaniques. Dans le second article, les alternatives de fabrication suivantes sont comparées pour la famille des pièces de structure d'aéronefs formées de poches à parois minces : — Al7075-T6 - Conception pour l'usinage - Usinage ; — A201.0-T7 - Conception pour le moulage - Moulage sous pression ; — Al7055-T77511 - Conception pour le forgeage - Forgeage à chaud ; — AlSi10Mg - Conception pour la fabrication additive - Fusion sélective au laser. À partir de l'étude d'une poche, les résultats sont généralisés à la famille de pièces. Il est ainsi démontré que le forgeage à chaud ne permet pas de réaliser les pièces formées de poches multiples. Le moulage sous pression produit des pièces plus lourdes que les pièces usinées : cette alternative n'est donc pas compétitive. La fusion sélective au laser produit des pièces pouvant être jusqu'à 20% plus légères que les pièces usinées : cette alternative est compétitive. Les alternatives de fabrication sont ainsi identifiées pour la famille des pièces de structure d'aéronefs formées de poches à parois minces et la méthodologie développée peut être utilisée pour former des alternatives de fabrication pour d'autres familles de pièces. Dans le but de comparer les alternatives de fabrication, les critères suivants sont utilisés : techniques, mécaniques, économiques, environnementaux et sociaux. Ayant proposé des alternatives de fabrication équivalentes en termes de caractéristiques techniques et de propriétés mécaniques, seuls les critères économiques, environnementaux et sociaux sont utilisés pour comparer les alternatives. Dans nos travaux, les critères économiques et environnementaux sont utilisés pour comparer les alternatives. L'intégration des critères sociaux est discutée pour des travaux futurs. Une méthodologie de sélection des procédés de fabrication basée sur des critères économiques et environnementaux est alors développée dans le troisième article. La logique floue est utilisée comme méthode de sélection et les résultats sont proposés pour trois courants de pensée : équilibré, environnementaliste et économiste. La méthodologie permet de générer, pour la première fois, des abaques de sélection comme outils de sélection systématique des procédés de fabrication. Les abaques sont exploités pour déterminer les conclusions des différents cas possibles et pour permettre à l'utilisateur d'évaluer rapidement les alternatives à sa disposition. La méthodologie et les outils développés sont appliqués à la comparaison des alternatives identifiées compétitives pour la famille des pièces de structure d'aéronefs en aluminium formées de poches à parois minces. Il est ainsi démontré que pour les courants de pensée équilibré et environnementaliste, la fusion sélective au laser donne le meilleur compromis entre les critères économiques et environnementaux. L'usinage s'avère le meilleur choix du point de vue des économistes. L'originalité de la recherche réside en la comparaison d'alternatives de fabrication équivalentes à partir de l'introduction d'une nouvelle unité fonctionnelle : des designs conçus pour les procédés de fabrication, utilisant un matériau compatible avec le procédé et satisfaisant un facteur de sécurité de 1, 1 sur sa limite d'élasticité. Aussi, pour la famille des pièces de structure d'aéronefs en aluminium formées de poches à parois minces, la fusion sélective au laser est la seule alternative compétitive par rapport à l'usinage. Enfin, des abaques de sélection basés sur les critères économiques et environnementaux sont introduits comme outils de sélection systématique des procédés de fabrication. Les conclusions suivantes ressortent de l'étude. L'intégration d'une étape de conception par optimisation topologique et conception pour la fabrication dans une procédure de sélection de matériaux et de procédés de fabrication permet de former des trios matériaux - conceptions - procédés de fabrication équivalents en termes d'exigences techniques et mécaniques, assurant ainsi une comparaison plus précise des options. La comparaison du forgeage à chaud, du moulage sous pression et de la fusion sélective au laser à l'usinage pour la fabrication d'une pièce, a permis de montrer que la fusion sélective au laser est l'alternative compétitive à l'usinage, en termes d'exigences techniques et mécaniques et de masse, pour la famille des pièces de structure d'aéronefs en aluminium formées de poches à parois minces. L'implémentation d'une méthodologie de sélection des alternatives de fabrication basée sur les critères économiques et environnementaux à partir de la logique floue a permis de générer des abaques de sélection pour les courants de pensée équilibré, environnementaliste et économiste ; et ainsi classer les alternatives, même lorsque les méthodes classiques affectant des poids aux critères de sélection sont limitées. L'analyse économique et environnementale de l'usinage et de la fusion sélective au laser pour la fabrication des pièces à l'étude met en évidence la fusion sélective au laser comme la meilleure solution des points de vue équilibré et environnementaliste. L'usinage constitue le meilleur choix pour les économistes. La discussion fait ressortir le besoin d'intégrer la résistance en fatigue et de réaliser des études expérimentales afin de valider la compétitivité de la fusion sélective au laser par rapport à l'usinage. En plus d'intégrer les critères sociaux, d'autres abaques de sélection doivent être développés. Enfin, les étapes de post-traitement doivent être intégrées au processus de sélection.

Abstract

Structural components of aircraft are machined because this process ensures high mechanical performance. Nevertheless, up to ninety percent of the material can be wasted. To face economical and environmental problems caused by material waste, in this work, casting, forging and additive manufacturing are considered as alternatives to machining as they support the production of near-net-shape components. In order to qualify the advantages of these alternative manufacturing processes, they must be compared to machining. The challenge may this be stated as follows: How may material - design - process triplets be selected to produce structural components of aircraft that support loading, are economical and are environmentally friendly? Review of the literature reveals four steps in the procedure for selecting manufacturing processes: definition of selection criteria, screening, ranking and documentation. The traditional manufacturing process selection criteria are: material mechanical properties, manufacturing process capabilities and manufacturing costs. Environmental impact is gradually being introduced as an additional criterion. In the literature, multi-criterion decision-making methods, especially the analytic hierarchy process (AHP) and the technique for order of preferences by similarity to an ideal solution (TOPSIS) are used to determine a selection indicator from selection criteria values. By means of case studies, the manufacturing processes are compared using a like starting geometry that is then subjected to non-equivalent manufacturing alternatives. Geometries suitable for each manufacturing process were generated via topology optimization and application of design for manufacturing principles. The literature review supports the statement that shapes resulting from topology optimization are not always directly manufacturable. By applying design for manufacturing rules in a topology optimization loop, optimized and manufacturable shapes were obtained. Economical and environmental impacts remain to be evaluated. Manufacturing cost models are available in the body of published work. Indicators of environmental impact and life cycle analysis can be used to compute environmental performance grades for each manufacturing process. Based upon review of the literature, the following objectives were drawn. 1. Develop a material - design - process selection methodology to identify manufacturing processes able to compete with machining based on mechanichal properties. 2. Identify manufacturing processes capable of delivering a design that satisfies the mechanical requirements of the design subject. 3. Develop a methodology and tools for comparison of manufacturing processes. In order to fulfill the first objective and generate equivalent manufacturing strategies, manufacturing alternatives were identified with material, design and manufacturing process considered. To this end, as has not been done in the publications reviewed, material - design - process triplets were conceived. Triplets are supposed equivalent when they satisfy the same objectives in terms of technical characteristics and mechanical properties. In this work, components were designed to meet a minimum yield strength safety factor. A material - design - process selection methodology was proposed in the first article. That process establishes equivalent triplets for a given application. Topology optimization is therefore introduced as a design tool to devise equivalent manufacturing alternatives. Components were designed of a material suitable for the manufacturing process to be used. Therefore, component mass was used as a preselection criterion; a manufacturing alternative is competitive if the component mass obtained is less than or equal to the mass of the component designed for machining. This methodology was applied to the family of thin-walled structural components of aircraft. The following manufacturing alternatives were compared, each one representing a triplet. — Al7075-T6 – Design for machining – Machining; — A201.0-T7 – Design for casting – Vacuum high-pressure die casting; — Al7055-T77511 – Design for forging – Hot forging; — AlSi10Mg – Design for additive manufacturing – Selective laser melting. From the study of a pocket, the results were generalized to the family of thin-walled structural components. Results show that forging cannot be used for thin-walled structural components of aircraft, even with a redesign attempt. Vacuum high-pressure die casting leads to heavier components and cannot compete with machining in applications where weight is a decisive factor. Selective laser melting is a competitive process for the manufacturing of pocketed structural components of aircraft and components can be up to 20% lighter than machined counterparts. Competitive manufacturing alternatives were therefore identified for the family of thin-walled structural components of aircraft composed of pockets. The methodology can be applied to devise manufacturing alternatives for other applications. In order to compare manufacturing alternatives, five categories of criteria are used for manufacturing process selection: technical, mechanical, economical, environmental and social. Once a set of alternatives has been proposed that is equivalent in terms of the technical and mechanical criteria, then only the economical, environmental and social criteria need be weighed to rank the alternatives. In this work, economical and environmental criteria are used. The integration of social criteria is discussed for future work. A manufacturing process selection methodology based on economical and environmental criteria was developed in the third article. Fuzzy logic was used and the results are discussed for each of three schools of thought: the economist, the environmentalist and the neutral observer. Novel manufacturing process selection charts were generated. The exploitation of the proposed charts generates conclusions for all possible cases, enabling rapid comparison of alternatives by the user. The methodology and proposed tools were applied to compare competitive alternatives for the family of thin-walled structural components of aircraft. For our case studies, the results show that SLM is the best trade-off for the neutral and environmentalist points of view. Machining is preferred by the economist. The originality of the proposed work is in the comparison of equivalent manufacturing alternatives by introducing a new functional unit, which is design for manufacturing in the appropriate material while meeting a safety factor of 1.1 on the yield strength. For the family of thin-walled structural components of aircraft, SLM is the only competitive alternative to machining. The originality of this work also lies in the introduction of economical and environmental process selection charts as tools for systematic selection of manufacturing processes. The following conclusions are drawn. Integrating a design stage by topology optimization and design for manufacturing in a material and process selection procedure allows the generation of material - design - process triplets that are equivalent in terms of mechanical resistance, ensuring a more precise comparison of manufacturing options. Comparing hot forging, vacuum high-pressure die casting and selective laser melting to machining shows that only selective laser melting is competitive to machining in terms of technical requirements, mechanical resistance and mass, for the family of aluminum alloy thin-walled structural components of aircraft. Developing a methodology for manufacturing alternative selection based on fuzzy logic allows the generation of selection charts for neutral, environmentalist and economist modes of thinking, and can rank alternatives even where classical weighted-criteria methods are limited. Economical and environmental comparison of machining to selective laser melting to produce aluminum alloy thin-walled structural components of aircraft identifies selective laser melting as the best trade-off for neutral and environmentalist modes of thinking. Machining is the best choice for economists. The discussion identifies the need to integrate fatigue considerations and to perform experimental studies in order to validate SLM as competitive relative to machining. In addition to the integration of social criteria, other selection charts must be developed.