Usinage composite TP forte épaisseur : pas une mince affaire !

Je suis Sébastien Louvel, responsable du pôle Usinage au techcenter Shap’in, et #ExpertByDaher en usinage des composites.

Aujourd’hui, j’avais envie de vous parler d’une avancée majeure dans notre feuille de route, qui consiste à alléger les avions pour réduire leur consommation de carburant. Et surtout vous expliquer le rôle de l’usinage dans cette réussite.

Cette année, les équipes R&D de Daher ont finalisé le développement de nervures thermoplastiques (TP) soudées. Ce sont des pièces de structure essentielles dans la conception des voilures. Leur design optimisé, combiné à l’utilisation de matériaux composites, permet de réduire significativement la masse.

Ces nervures sont composées d’un grand L et d’une cornière. Leur assemblage par soudure permet d’éviter l’utilisation de fixations métalliques, tout en conservant les performances mécaniques attendues. L’utilisation d’une résine thermoplastique est particulièrement adaptée à cette configuration : elle peut être chauffée plusieurs fois pour être retravaillée… et soudée.

Le résultat est parlant : les nervures TP soudées développées chez Daher sont environ 20 % plus légères que leurs équivalents métalliques. À l’échelle d’un avion de type A320, avec une trentaine de pièces par aile, cela représente près de 100 kg gagnés par avion.

Le caractère à la fois innovant et hautement technique de ces pièces a d’ailleurs été salué cette année par un JEC Innovation Award. 👉 voir le post

Aujourd’hui, nous entrons dans le cœur du sujet « usinage » de ces nervures. Mais ce n’est qu’une partie de l’histoire : nous vous montrerons prochainement comment les autres métiers ont contribué à relever ce défi technologique. Restez connectés.

De mon côté, je vous avais déjà parlé de l’usinage TP forte épaisseur dans un précédent post (voir ici). Le développement de ces nervures soudées s’est accompagné de nouveaux défis très concrets à relever.

Il s’agit de pièces qui peuvent être localement jusqu’à cinq fois plus épaisses que les standards habituels. Nous usinons une résine thermoplastique qui tend à fondre et à colmater les outils, et nous devons reprendre les pièces après soudure, ce qui apporte de nouvelles contraintes d’accessibilité, de bridage et de tenue vibratoire.

Pour relever ces défis, nous avons dû repenser en profondeur l’ensemble du process d’usinage.

Outils coupants : changer de logique

Si le thermoplastique est idéal en soudure lorsqu’il repasse à l’état visqueux, c’est une tout autre histoire en usinage. Les outils abrasifs, très utilisés en composite thermodurcissable, sont ici à exclure : seuls des outils tranchants permettent de maîtriser la coupe.

Autre particularité : la coupe ne génère pas de poussières, mais des copeaux qu’il faut évacuer pour éviter le colmatage des outils et la dégradation rapide du process.

Et pour usiner des épaisseurs comprises entre 12 et 24 mm d’épaisseur, on oublie les fraises de petits diamètres, pour passer à des outils Ø12 ou ⌀16. Plus fortement sollicités et plus coûteux, le monitoring devient alors absolument essentiel pour assurer la longévité de ces outils et la stabilité du process.

Différentes typologies d’outils ont ainsi été étudiées – carbure revêtu CVD, inserts PCD, PCD veiné – en analysant leurs performances selon plusieurs critères : conditions de coupe, comportement vibratoire, qualité pièce et tenue dans le temps.

Avec le soutien de notre partenaire académique ENSAM Angers, nous avons également évalué l’influence de différents modes d’assistance à la coupe : air pulsé, lubrification soluble, microlubrification ou encore cryogénie (CO² supercritique).

Dans un contexte de pièces épaisses et de forte cadence, ces choix conditionnent directement la stabilité du process, la répétabilité des opérations et la capacité à industrialiser ces produits innovants de manière fiable.

Outillage : bousculer les codes du composite

Les solutions classiques ne suffisent plus. Oubliez les outillages utilisant le vide comme unique moyen de maintien : ici, les efforts de coupe peuvent atteindre jusqu’à 1 000 N, ce qui impose une conception mécanique robuste, pensée dès le départ pour un contexte industriel exigeant.

Même épaisses, les pièces restent particulièrement sensibles aux vibrations. Un bridage imparfait se traduit très vite par une dégradation de la qualité d’usinage, voire par une casse outil. Cette maîtrise vibratoire devient encore plus critique lorsque l’on vise une production à forte cadence.

Chaque détail compte : accessibilité des zones à usiner, longueur des outils, limites d’inclinaison en détourage, compromis entre rigidité et liberté de mouvement… autant de paramètres à intégrer pour garantir à la fois la qualité pièce et la tenue des cycles.

Sur les nervures TP soudées, l’une des zones les plus complexes porte un nom évocateur : les « trous de souris ». Un concentré de contraintes géométriques et vibratoires… et un vrai test pour le process.

Nous avons bien sûr exploré des solutions d’outillage plus simples ou plus économiques. Les essais ont été sans appel : vibrations, instabilités, casses d’outils. Notre projection industrielle repose aujourd’hui sur une conception d’outillage éprouvée, validée sur de nombreux prototypes, garantissant fiabilité, stabilité et répétabilité, sans vibration ni casse outil.

Un moyen d’usinage spécifiquement dimensionné

Enfin, le moyen d’usinage lui-même a dû être spécifiquement dimensionné. Les machines composites classiques ne présentent pas la rigidité nécessaire pour encaisser de tels efforts, ni des organes mécaniques adaptés à ces contraintes.

L’usinage TP forte épaisseur impose une approche globale du process : assistance à la coupe, gestion des copeaux, instrumentation et collecte de données.

C’est sur la base de mesures physiques réalisées lors d’essais préliminaires que nous avons spécifié le moyen aujourd’hui installé à Shap’in, désormais instrumenté pour préparer le monitoring des productions de demain.

Il ne fait guère de doute que les futurs avions commerciaux intégreront une part toujours plus importante de composites. En travaillant sur des pièces de structure épaisses, Daher ne choisit pas la facilité, mais accompagne une trajectoire de décarbonation ambitieuse, avec des solutions industrielles concrètes, robustes et maîtrisées.

👉 Ce type de projet rappelle une chose essentielle : l’innovation aéronautique est toujours le fruit d’un travail collectif, où chaque métier compte, jusque dans les détails du process industriel. Fier du chemin parcouru avec les équipes Shap’in et Daher.