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Usinage par assistance cryogénique

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Définition brève

L'usinage par assistance cryogénique est, comme son nom l'indique, un procédé regroupant une famille de techniques de fabrication de pièces par enlèvement de copeaux tout comme l'usinage classique. Cette méthode a donc pour but de réaliser un usinage avec pour assistance, un fluide cryogénique (de l'azote liquide dans la plupart des cas). Actuellement encore en phase de conception, cette innovation a vu le jour au cours de ces dernières années grâce à une association de société :

• Cetim
• Mecachrome
• MPM

• Cirtes SRC
• EVATEC
• Inori
• Air liquide

Le groupe Mecachrome est un acteur incontournable dans la conception, l’ingénierie, l’usinage et l’assemblage de pièces et d’ensembles de haute précision, destinés aux domaines de l’aéronautique, de l’automobile, du médical, de la défense et de l’énergie. Grâce à son savoir-faire industriel et sa technologie de pointe, Mecachrome s’est forgé une réputation internationale d’intégrateur de premier rang auprès de ses clients, parmi lesquels figurent Airbus, Boeing, Safran Snecma. Il possède 14 sites de production et emploie plus de 2 400 salariés dans le monde.

Introduction

L’usinage par assistance cryogénique ou cryo machining est une technique révolutionnaire et prometteuse pour l’usinage des métaux. Initiée dans les années 1950, ce nouveau procédé n’a connu n’a connu de développement qu’au cours des dernières années. En 2012, Mag Americas, acquise par la multinationale Fives Group en 2015, a mis au point la première machine-outil dotée d’un système cryogénique ainsi que les outils adaptés au procédé.

Néanmoins, le procédé mis en place était basé sur le même principe que l’usage de fluides de coupe à base d’huile ou d’eau alors que celui qui est actuellement en développement vise à cryogéniser l’outil.

Histoire

2014 est l’année à laquelle le projet voit réellement le jour grâce à la Cetim et Mechachrome suite au contexte auquel fait face l’industrie et plus particulièrement l’usinage de pièces de grandes dimensions (> 1m) et de hautes performances. Il nécessite aujourd’hui d’être plus compétitif en apportant une meilleure réponse aux exigences environnementales. Il faut optimiser les performances économiques (coûts d’investissement et d’exploitation) et les performances environnementales des procédés. Il s’agit de pièces de plusieurs mètres en alliages métalliques, plus grandes que les machines qui implémentent les procédés pour les fabriquer. L’usinage de pièces de grande taille est réalisé avec des centres d’usinage traditionnels :

• d’un coût très élevé, basé sur un portique pour déplacer la tête sur des zones bien délimitées à usiner,
• nécessitant l’usage d’une quantité importante de fluides de coupe,
• réclamant en amont une programmation longue et coûteuse du programme par FAO (fabrication assistée par ordinateur).

Le 20 avril 2015, le projet Dry To Fly voit le jour, c'est un « Projet de Recherche & Développement structurant pour la compétitivité » (PSPC) de 12,5 millions d’euros financés à hauteur de 5 millions d’euros (subventions et avances récupérables) dans le cadre du Programme d’investissements d’avenir (PIA), piloté par le Commissariat général à l’investissement (CGI) et opéré par Bpifrance. En résumé, le projet a pour but de révolutionner les approches traditionnelles additives et soustractives qui sont en limite de performances pour la fabrication des pièces de grandes dimensions. Il inclût de nouveeaux axes d'amélioration dans l'industrie comme:

• l'usinage par assistance cryogénique
• une préparation de la matière par un système de découpe 3D innovant
• une suppression de la FAO, remplacée par les algorithmes de Stratoconception®
• un pilotage adaptatif

Le projet est labellisé par 3 pôles de compétitivité : Matéralia, Viameca et EMC2.

Le 1er février 2017, lors de la 10ème édition du Congrès INTERCUT organisé par la Cetim, un démonstrateur de fraisage assisté par l'azote liquide y a été dévoilé. A savoir que le consortium INTERCUT NETWORK, qui a une reconnaissance nationale, regroupe depuis 2009 les forces vives de recherche, de développement, de transfert de technologie et de formation en fabrication par usinage : le Cetim, l’Enise, le Cetim-Ctdec et Arts et Métiers Paristech.

Lors du Salon de l'aéronautique et de l'espace tenu du 19 au 25 juin 2017, l’industriel Mecachrome a annoncé le lancement de l’usinage cryogénique du titane en série pour le mois de novembre 2017. Un premier centre d'usinage équipé de sa technologie brevetée de refroidissement de la zone de coupe à l’azote liquide, à des températures avoisinant les -200°C, doit être installé sur son site d'Evora au Portugal, pour réaliser l’usinage complet d'une pièce en titane du moteur Leap. L’industriel prévoit de déployer cette technologie de rupture sur d'autres sites et d'autres pièces de moteurs ou de structures, pour un investissement représentant 30 millions d’euros.

Méthode générale

L'usinage existe depuis de nombreuses années, voici une courte présentation de l'usinage pour comprendre l'usinage par assistance cryogénique.Le mé

L'usinage provoque un mécanisme de formation du copeau :

Il existe ainsi trois zones de déformations :

·      Zone de cisaillement primaire (formation du copeau)

·      Zone secondaire (frottement copeau-outil)

·      Zone tertiaire (frottement outil-pièce)

On considère que la puissance mécanique utilisée pour la formation du copeau est presque entièrement dissipée en chaleur au niveau des trois zones de cisaillement. Ces températures associées aux efforts de coupe entraînent de nombreuses perturbations.

Problème provoqué : élévation de la température, concluant à des contraintes résiduelles de surface en traction, ou des changements de phase en extrême surface, ou des brûlures localisées. Cela modifie aussi les modes d’usure. Ce qui peut être plus ou moins marqué en fonction des matériaux réfractaires ou non.

D'où les différentes approches d'assistance cryogénique présentés ci-dessous au nombre de 4 :

La première approche consiste à refroidir préalablement la pièce et/ou refroidir les copeaux, cette fois-ci, lors de l'usinage. Le refroidissement préalable permet d'abaisser la température de la pièce provoquant généralement une diminution des caractéristiques de ce matériau au niveau de son module de Young, de sa dureté et de sa résistance. Cette approche ne s'applique pas pour les métaux qui produisent des copeaux long. La segmentation du copeau reste améliorer de manière significative mais la mise en place de ce procédé est très difficile et augmente les efforts de coupe. Le besoin en liquide cryogénique est excessive à travers cette méthode.

La deuxième approche porte sur la circulation d'un fluide cryogénique dans le corps de l'outil. C'est cette méthode qui est le plus utilisé, notamment avec l'utilisation de l'azote liquide. Elle permet d'augmenter les performances de l'usinage tout en conservant les propriétés de la pièces usinée. Elle reste fortement dépendante de la conductivité thermique du matériau de l'outil de coupe, de la distance entre la source du liquide cryogénique et le point chaud sur la face de coupe, et enfin de la surface de contact entre la source et l'outil de coupe. Il existe une orifice sur l'outil par laquelle le fluide cryogénique est évacué sous forme gazeuse. Le refroidissement est moins efficace que la manière précédente mais il évite les changements du matériaux par le non contact du fluide cryogénique avec la pièce.

La troisième approche est le refroidissement par jet ou spray comme la lubrification dans l'usinage à commande numérique. Le liquide cryogénique parcours donc des buses qui projettent ce liquide en direction de la plaquette de coupe. Ensuite le liquide cryogénique est évaporé rapidement au contact de la zone de coupe. Cet usinage est semblable à l'usinage sec mais avec les avantages de la cryogénie. Les performances d'usinage sont nettement améliorées et permet d'obtenir un meilleur état de surface.

La quatrième approche consiste à effectuer un traitement thermique avec la cryogénie sur les outils de coupe. Seul les aciers rapide supérieur sont éligibles à cette technique qui fonctionne correctement tant que la température de coupe doit rester faible

Solution de l’usinage par assistance cryogénique : le refroidissement est effectué indirectement par un fluide cryogénique circulant dans l’outil et s’évaporant au moment de l’usinage. Généralement ce fluide cryogénique est l’azote.

Choix du fluide cryogénique :

·      Argon liquide, stable, mais une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Air liquide, stable, mais avec une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Azote liquide, stable, mais avec une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Dioxyde de carbone, stable, mais avec une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Hélium liquide, stable, mais avec une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Krypton liquide, stable, mais avec une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Néon liquide, stable, mais avec une fragilisation des matériaux de construction possible ;

·      Oxygène liquide, Non recommandé, dangereux, réaction violente avec des matières combustibles ;

·      Xénon liquide, stable ;

Azote, stable sous forme liquide/gazeuse, mais incompatible matières grasses (risque d’explosion au contact des matières grasses lorsqu’il y a condensation et concentration de l’oxygène sous forme liquide) et incompatible avec le magnésium (réaction violente en présence de poudre de magnésium pour former des nitrites de magnésium). Calcium, strontium, baryum, carbone, lithium, néodyme, zirconium, oxygène, ozone, titane sont les substances chimiques sous forme gazeuse à éviter.

Avantages

Les liquides de refroidissement traditionnels pour le tournage et le fraisage sont indispensables mais ils présentent quelques inconvénients de taille. Grâce à l’usinage cryogénique, il existe aujourd’hui une technique offrant une solution rentable et écologique.

En outre, le coût de l’installation est pratiquement identique à celui des systèmes de refroidissement traditionnels alors même que la qualité et la vitesse d’usinage sont améliorées.

Un des principaux avantages de l’usinage cryogénique est évidemment qu’il augmente la durée de vie des outils d’usinage.

Les machines et leurs éléments, sur les pièces réalisées, sur les outils, sur le personnel et les ateliers, sur l’ébavurage et le nettoyage de la pièce et sur la préhension de la pièce

Les recherches du consortium "Dry to fly" mené par Mecachrome pour approfondir l’utilisation de la cryogénie dans l’usinage ont abouti la construction de trois démonstrateurs. A la clé, l'absence de problèmes thermiques et une vitesse d'usinage doublée.

Une innovation qui permettrait de gagner 35 % en productivité. Les premiers essais ont montré que la productivité a été augmentée de 35%. Le process ne nécessite pas de racheter des machines neuves ou de reprogammation, car il fonctionne avec des outils standards. Autre avantage, les copeaux sont moins oxydés, il sont donc plus « propres » et donc moins chers à recycler.3

Donc une diminution de plus de 30 % des coûts de production de la fabrication de grandes pièces pour les marchés de l’aéronautique, du nucléaire, de l’éolien ou encore des transports.

La vitesse d’usinage des métaux augmente de 20 % grâce à l'usinage cryogénique et elle est encore en cours d’affinage et d’amélioration. L'usinage cryogénique permet donc de couper plus rapidement, de refroidir de façon optimale, tout en étant plus écologique et en réduisant la vitesse d’usure des outils d’usinage.

L’usinage cryogénique résout, dans une mesure plus ou moins grande, les problèmes rencontrés, par les liquides de refroidissement traditionnels comme une capacité de refroidissement insuffisante, une souillure partielle de la pièce par le liquide de refroidissement, l’émission de vapeurs nocives et de déchets toxiques.

Avec la cryogénie, on dispose d’une plus grande souplesse : on peut soit augmenter la vitesse d’usinage sans diminuer la durée de vie de l’outil, soit garder la même vitesse et ainsi, multiplier par deux la durée de vie de l’outil

De plus, l'usinage cryogénique offre également des améliorations sur le plan de la qualité. Ainsi, la qualité de coupe est sensiblement améliorée. Le bord de coupe n’est pas souillé par le liquide d’usinage et le risque d’endommager la surface pendant la découpe diminue. En effet, grâce à l’usinage cryogénique, le risque d’interaction électrochimique entre l’outil d’usinage et la pièce usinée diminue

L’amélioration de la rugosité de surface est marquante et très intéressante pour les entreprises d’usinage des métaux. Cette rugosité est largement inférieure si l’usinage cryogénique est utilisé. Diverses recherches démontrent que la rugosité de surface est presque divisée par deux par rapport aux liquides d’usinage traditionnels et largement réduite en comparaison avec l’utilisation de fluides auxiliaires. Après une dizaine de minutes d’utilisation de la machine, la différence sur le plan de la rugosité de surface augmente de manière spectaculaire.

La température lors de la découpe reste bien plus basse qu’avec les autres techniques de coupe, avec tous les avantages que cela comporte. La formation d’ébarbures diminue ainsi lors de l’usinage. Différents tests (réalisés entre autres par l’expert Cordes) indique une réduction de 55%de la formation d’ébarbures sur les bords de coupe lors de l’utilisation de l’usinage cryogénique. Le reste de la pièce et l’outil d’usinage sont également mieux protégés contre l’usure dûe à la chaleur.

La technique représente en outre une amélioration significative pour l’environnement et la qualité de l’air dans l’atelier. Lorsque ce liquide de refroidissement entre en contact avec l’air, il ne se forme pas de vapeurs nocives. L’azote liquide se transforme en azote gazeux, un composant naturel de l’air.

En résumé de nombreux gains de productivité :

• Absence de problèmes thermiques
• Gains de productivité d'environ 35 %
• Absence d'huiles de coupe, principales sources de risque HSE (Hygiène, Sécurité, Environnement)
• Augmentation de la vitesse d’usinage. Notamment multipliée par deux pour un alliage de titane
• Durée de vie des outils triplée (si vitesse d'usinage égale)
• Les copeaux sont secs et sont donc plus faciles à évacuer
• la qualité du bord de coupe et de la rugosité de surface est améliorée
• la pièce usinée n’est pas souillée par les liquides d’usinage
• Le procedé ne nécessite pas de racheter des machines neuves ou de reprogammation, car il fonctionne avec des outils standards

Un procédé plus écologique :

•  Les pièces commencent par être taillées dans les grandes masses. Les chutes de matières sont ainsi suffisamment grandes pour être réutilisées
• L'azote liquide ne salie pas le matérieu, ce qui facilite le recyclage des résidus de découpe
• Le matériau n’a plus besoin d’être lavé des emulsions d'eau et d'huile utilisées pour le refroidissement
•  la technique est moins polluante
• la vitesse d’usinage augmente

Risques et sécurité

Ce procédé d'usinage présente malgré tout des risques comme :

·      Risques d’anoxie, il y a 20% d'oxygène, 79% d'azote et 1% de gaz rare (dioxyde de carbone par exemple) dans l'air. Ce procédé rejette de l'azote sous forme de gaz, il faut donc que ce rejet soit sous contrôle afin de ne pas chambouler cet équilibre et donc d'éviter tout risque d'anoxie.

·      Risque de brûlures, en effet, la cryogénie atteint des températures très basses, pouvant provoquer des brûlures par projection ou même contact.

Sans compter les risques majeurs sous haute pression, ce qui demande un contrôle total du processus.

Tout ceci est contrôler par le port de protection ou pour le rejet sous forme gazeuse avec :

• En local fermé, il ne faut pas dépasser les 1,5 L/m³ du local ;
• En local avec une aération naturelle, il ne faut pas dépasser les 30 L/m³ du local ;
• En local avec une ventilation artificielle et permanente, il ne faut pas dépasser les 150 L/m³ ;
• Idem que les locaux avec une ventilation artificielle et permanente pour les locaux en sous-sol.

Les variantes

Pour certains métaux qui réagissent mal à ce froid, il est possible de travailler avec du CO2 liquide. Mecachrome envisage à terme d’appliquer l’usinage cryogénique aux alliages .nickel.