WeldALAM | Solutions de soudage innovantes pour les composants légers en aluminium 3D

Contexte

Le coût des matières premières est un des principaux facteurs de coût des applications légères actuelles pour les composants automobiles et aéronautiques, indépendamment des méthodes de fabrication. Les composants complexes et les pièces de grande taille nécessitent de longs délais d'exécution et la mise en œuvre d'une vaste infrastructure de production. Dans le cas de la fabrication additive de grandes pièces en aluminium, il est de plus en plus difficile de garantir une qualité homogène du matériau à coût abordable. Les pièces 3D et les produits en aluminium moulé destinés à la production de masse ne peuvent actuellement pas rivaliser avec la qualité de matériau élevée et reproductible et le faible coût des produits semi-finis, tels que les extrusions et les tôles. Il en résulte un effort important pour l'approbation des contrôles non destructifs des pièces 3D (inspection à 100%) et une légèreté insuffisante.

L'utilisation des technologies de fabrication additive pour produire des pièces plus petites et les combiner à des composants semi-finis présente le potentiel de surmonter les impératifs évoqués et les coûts élevés des grandes pièces. Elle offre la possibilité de définir des interfaces pour associer ces pièces à des produits semi-finis avec des technologies d'assemblage industrielles bien établies, telles que le soudage TIG et le soudage laser.

Les pièces complexes telles que les collecteurs, les échangeurs de chaleur et les pièces avec usinage poussé de canaux de refroidissement complexes, par exemple pour l'aéronautique, offrent une excellente occasion d'expérimenter différentes techniques d'assemblage pour les pièces 3D. On peut toutefois utiliser les données de comparaison existantes issues des pièces fabriquées de manière standard (usinées, moulées ou forgées) et soudées pour la comparaison des propriétés et ultérieurement lors des essais.

Sirris

Objectif et résultats

Le projet WELDALAM va se focaliser sur l'évaluation de la soudabilité de pièces en aluminium 3D de grande résistance et haute qualité (méthode de fabrication additive) et donc sur la validation de différentes technologies de soudage (méthode de soudage). Ces pièces se retrouvent dans la production par fabrication additive de grande qualité, sensible aux coûts, pour le secteur automobile ou dans des applications aéronautiques à forte charge en plus faibles quantités. 

Dans le cadre du projet WeldALAM, des lignes directrices relatives à la conception, aux matériaux et aux processus sont en cours d'élaboration pour les utilisateurs industriels, ce qui permettra à terme l'utilisation de composants 3D soudés. 

• Design: des conditions géométriques limites sont formulées pour les composants 3D qui permettent la soudabilité avec les procédés EBW, TIG, LBW et FSW (accessibilité, distorsion, tolérances) et des valeurs caractéristiques pour la conception des composants sont déterminées (résistance statique, comportement à la corrosion).
• Matériau: l'influence du système d'alliage d'aluminium utilisé (5xxx, 6xxx, etc.) et des conditions de traitement thermique (p. ex. joint, traité thermiquement) sur les propriétés des composants en aluminium 3D soudés et l'influence de la qualité initiale de la poudre (vierge ou recyclée) sur la porosité de la soudure et la performance du joint seront évaluées.
• Procédé: des fenêtres de procédé caractéristiques sont définies, qui permettent de réaliser des joints de soudure de qualité suffisante pour les matériaux sélectionnés avec des composants 3D. 
• Les conditions limites pour la conception, le matériau et le procédé doivent permettre aux utilisateurs de donner une indication des facteurs de coût importants et une évaluation potentielle des coûts directs.

Approche

L'approche de niveau laboratoire explorera les principes du procédé. Suivra ensuite une phase de maquette pour deux composants pertinents sélectionnés avec les PME.

Les recherches sur la technologie de fabrication additive d'aluminium doivent résoudre les problèmes de porosité liés à l'hydrogène et à l'humidité dans la poudre, afin d'améliorer la qualité des pièces, par exemple pour des charges de fatigue importantes. Si cela est démontré sur de petits échantillons, la fabrication additive à grande vitesse sera développée pour réduire l'apport de chaleur et améliorer la qualité 3D, afin de produire à terme des pièces rentables pour la production en série. Le soudage par faisceau d'électrons (EBW) sera utilisé comme technologie de soudage de référence pour obtenir une qualité de soudure de pointe. Le soudage à l'arc en atmosphère inerte avec électrode de tungstène (TIG), le soudage par faisceau laser (LBW) et le soudage par friction-malaxage (FSW) seront développés pour surmonter les problèmes particuliers de soudabilité et de porosité. Cependant, il est nécessaire de remplacer les soudures par faisceau d'électrons très étroit avec un faible apport de chaleur dans la pièce, mais un effort important pour la fabrication en raison des conditions de vide et, à l'inverse, un apport de chaleur important pour le soudage TIG avec une forte déformation des pièces. L'ensemble des recherches sera couvert par des méthodes d'inspection sans détérioration ainsi que par la caractérisation métallographique des pièces 3D et des joints de soudure. En outre, des études de surface (pièces 3D) et des essais de corrosion sont prévus pour un déploiement dans les futures applications légères des PME.

Groupe cible

Le projet WELDALAM cible les marchés émergents pour la production de pièces industrielles par fabrication additive. Les principaux secteurs visés par l'industrie manufacturière devraient être l'aérospatiale, l'automobile/les transports, les équipements électriques et les produits métalliques. Ce projet permettra également aux PME du secteur des revêtements de revêtir des alliages d'aluminium 3D avec un procédé fiable, sans coûts de recherche importants.

Financier

• Cadre d'appel: CORNET - COllective Research NETworking