Vers l'usinage robotisé assisté par Scan 3D

Introduction

L’intérêt de l’utilisation de matériaux composites dans de nombreux domaines industriels n’est plus à démontrer. Les avantages tels que :

• Leur résistance,

• Leur poids,

• Leur durabilité,

• Leur résistance à la corrosion,

confèrent aux matériaux composites une place de choix sur certaines applications (Aéronautique, Eolien, Ferroviaire, Nautisme, Spatial, etc…)

Cependant, cette adoption croissante soulève une problématique : comment leur donner la géométrie souhaitée ? Comment les usiner efficacement ?

Les méthodes traditionnelles d'usinage : Avantages et limites

Il existe deux grandes méthodes à ce jour d'usinage des matériaux composites. En fonction de l'application, que ce soit en production ou en service, l'une ou l'autre sera favorisé :

• Ponçage manuel : Cette méthode est très simple de mise en œuvre, adaptative avec l’œil humain, mais possède de nombreuses limitations :

• 🚫 Imprécis : Repose entièrement sur la compétence de l'opérateur

• 🚫 Dangereux : Libère des poussières toxiques

• 🚫 Pénible : Physiquement exigeant

• 🚫 Inconstant : Difficilement reproductible

• Usinage robotisé avec outillage de forme : Cette méthode permet de combler les limitations du ponçage manuel par l’utilisation d’un machine CN, mais, à l’opposé du ponçage, apporte de nouvelles contraintes non négligeables :

• 🚫 Coûteux : Chaque forme nécessite son propre outillage de conformage de la pièce. Cela aura un impact très fort sur les petites séries ou sur les pièces de grand volume.

• 🚫 Non adaptatif : Toute variation de forme de la pièce nécessite un nouveau programme.

Comment développer une solution combinant les avantages de chaque méthode tout en gommant ses limitations ?

Pour qu’un robot d’usinage s’adapte à une pièce non conformée par un outillage, il faut soit :

- Adapter la trajectoire en continu par de la compliance active. La compliance active implique des vitesses de déplacement faibles pour que le système ait le temps de réagir et donc des procédés de grande étendue comme le ponçage.

- Adapter la trajectoire sur la géométrie réelle de la pièce, par scan 3D dans le repère du robot d’usinage. Dans le cas d’outils fins comme le fraisage, le laser ou le jet d’eau abrasif, l’usinage robotisé assisté par scan 3D est bien plus adapté.

La vision de BAYAB Industries : Simplifier l’utilisation du SCAN 3D pour optimiser l’usinage robotisé sans outillage

BAYAB Industries innove depuis 2007 dans l’usinage des matériaux composites par jet d’eau abrasif. La qualification/certification de ce procédé nouveau par AIRBUS et l’Armée de l’Air (AIA CF) pour la réparation collée de composites démontre sa pertinence technico-économique et sa robustesse.

En 2020, BAYAB passe de l’usinage 2 axes (sans besoin d’adaptation à la géométrie de la pièce) à l’usinage 6 axes (impliquant d’adapter la trajectoire à la géométrie réelle).

BAYAB a donc développé en interne les machines et les logiciels permettant de scanner la pièce réelle :

- Simplement : La pièce est d’abord scannée de loin par un scanner fixe qui localise la pièce dans l’environnement du robot et fournit sa forme globale à +/-20mm (Figure 1 et Figure 2)

- Automatiquement : Le scan global est utilisé pour générer automatiquement une trajectoire de scan précis porté par le robot

- Rapidement : Le robot scanne la pièce en 20min/m² (Figure 3).

- Systématiquement : Le scanner par projection de lumière structurée s’adapte bien à toutes les surfaces (mates ou brillantes, unies ou texturées, sombres ou claires).

- Précisément : La précision, atteignant 0.03mm, est suffisante pour contrôler des usinages de plis composites.

- Intuitivement : Les scanners 3D équipés de caméras récupèrent la couleur en même temps que la géométrie, simplifiant par la suite le positionnement des usinages (Figure 4).

Figure 1: Maillage de l'environnement robot par SYASCAN

Figure 2: Reconnaissance automatique ou sélection de la zone d'intérêt par SYASCAN

Figure 3: Scan précis robotisé piloté par SYASCAN

Figure 4 : Affichage et traitement du jumeau numérique texturé de la pièce par SYASCAN

Exemples d’utilisation :

• Usinage de réparation de la structure d’une éolienne pour ENGIE GREEN

• Usinage de réparation d’une pièce démontable d’un aeronef militaire

• Usinage en production pour lisser la forme d’un moule en composites

Conclusion

En conclusion, le monde de l'usinage des matériaux composites est à l'aube d'une révolution. L'innovation de BAYAB Industries avec l'usinage robotisé assisté par scan 3D promet non seulement une amélioration significative de la précision et de l'efficacité, mais aussi une facilité dans l'exécution des tâches pour les opérateurs.

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JCAMS 2023 - L'usinage de réparation composites par BAYAB

Un grand merci aux organisateurs du JCMAS 2023 pour cette invitation. Ce fut un plaisir de partager nos innovations avec l’armée américaine et des spécialistes de la réparation composites.

Dans le futur, il est certain que les aéronefs civils et militaires intègreront de plus en plus de matériaux composites. Cette évolution vers les composites représente un défi unique dans les année à venir : maintenir l’opérabilité des avions nécessitera le développement de systèmes de réparation d’usinage de composites précis, efficaces, reproductibles et rentables.

Bayab industries se positionne comme pionnier pour résoudre ce problème pressant. Nous avons développé deux systèmes robotisés qui offrent des solutions complètent pour l’usinage de réparation des composants structurels principaux et des pièces mobiles en composites. C'est la seule solution automatisée qualifiée par AIRBUS et l'armée de l'air Française.

Lors de cette conférence, nous avons eu l'occasion de dévoiler le plein potentiel de nos deux produits phares, Reply5 et SYABOT, au cours d'une démonstration exhaustive de 45 minutes. Nous avons mené à bien deux procédures de réparation d'usinage de composites, en partant de zéro, sans connaissance préalable de la géométrie des pièces. Nous sommes ravis de contribuer à ce moment charnière de la maintenance aéronautique.

Présentation de l'usinage de réparation composites

Les avantages de l’usinage par jet d’eau abrasif pour la réparation des composites aéronautiques

Avec l’augmentation de la part des composites dans les avions, qui atteint 5,5% de taux de croissance annuel entre 2021 et 2026, la maintenance et la réparation des matériaux composites deviennent un enjeu majeur pour l’industrie aéronautique. Les méthodes traditionnelles de réparation telles que les réparations collées et rivetées présentent plusieurs défis.

Dans cet article, nous examinerons les avantages de l’usinage par jet d’eau abrasif comme solution innovante pour la réparation des matériaux composites aéronautiques.

Les réparations collées, une solution alternative et fiable

Les structures composites d’avions peuvent subir divers types d’évènements en production (problème de drapage, de cuisson, de délaminage ou d’accident) ou en service (problèmes d’impacts, de fatigue, de corrosion ou d’erreurs humaines). La réparation de ces défauts est essentielle pour garantir la sécurité, l’intégrité structurelle et la performance aérodynamique de l’avion. Les réparations collées nécessitent une étape stratégique d’usinage (en escalier ou en pente) qui est généralement réalisée manuellement (ponçage).

En effet, le ponçage manuel, souvent utilisé pour préparer la surface des composites avant une réparation, présente plusieurs problèmes : il génère une grande quantité de poussière nocive, qui peut présenter un risque pour la santé des opérateurs [3]. De plus, le ponçage peut être imprécis et entraîner une dégradation excessive du matériau, ce qui augmente les coûts de réparation et les déchets.

L'usinage de réparation composites par jet d'eau abrasif

L’usinage par jet d’eau abrasif offre une alternative prometteuse aux méthodes traditionnelles de réparation des composites aéronautiques. Parmi ses avantages, on peut citer :

1- Précision et flexibilité :

a. Capacité à usiner des formes complexes et des zones difficiles d’accès (dessous d’une aile)

b. Préservation de l’intégrité des fibres et de la matrice grâce à l’absence de chaleur générée lors du processus

2- Respect de l’environnement :

a. Pas de poussière de composites grâce au récupérateur de déchets qui les confine et les évacue

b. Réduction des déchets

3- Coût-efficacité :

a. Diminution des coûts de réparation grâce à une meilleure précision et à une réduction des rebuts

b. Réduction des temps d’arrêts (entre 3 et 9 fois plus rapide) pour les opérations de maintenance, donc avion immobilisé moins de temps

4- Amélioration des conditions de travail :

a. Réduction de l’exposition des opérateurs aux poussières nocives

b. Réduction de la pénibilité du travail

L’usinage par jet d’eau abrasif se révèle être une solution innovante et efficace pour la réparation des composites aéronautiques. Offrant une précision accrue, une flexibilité, un respect de l’environnement, une réduction des coûts et une amélioration des conditions de travail, cette méthode répond aux défis posés par les méthodes traditionnelles de réparation.

En adoptant l’usinage par jet d’eau abrasif, l’industrie aéronautique peut garantir une maintenance et une réparation optimales des structures composites, assurant ainsi la sécurité, la performance et la durabilité des avions.

Le jet d'eau abrasif: Un procédé qualifié

C’est pourquoi ce procédé est l’unique solutions au monde qui soit qualifié/certifiée en aéronautique par AIRBUS pour les carbone/époxy de l’A350 (AIPI/AIPS 03-08-004 and SRM), et par les AIA de Clermont-Ferrand pour tous les composites à carbones de la flotte de l’armée de l’air.

Usinage de réparation composites

A mesure que la part des composites continue d’augmenter, la robotisation des techniques de réparation sera un élément clé de l’avenir de la maintenance aéronautique. C’est sur cette thématique que BAYAB Industries innove au quotidien.