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.