Des procédés innovants pour les pièces métalliques de l’aérospatiale

Dans l’industrie aérospatiale, certaines pièces de moteur doivent être à la fois de formes complexes, résistantes et capables de supporter des températures élevées. Or, les matériaux qui répondent à ces exigences sont souvent difficiles à mettre en forme, tandis que les procédés de fabrication traditionnels ont leurs limites.

Le moulage par injection des poudres métalliques, ou MIM (Metal Injection Molding), offre une solution intéressante. Le procédé permet de produire des géométries complexes avec des matériaux difficiles à usiner ou à forger, tout en leur conférant une très bonne résistance. Mais il présente un défi de taille : pendant sa fabrication, la pièce peut rétrécir de près de 20 %. Et prévoir précisément ce rétrécissement n’est pas simple.

C’est notamment sur ce problème que travaille Vincent Demers, professeur au Département de génie mécanique et au Département de génie aérospatial de l’ÉTS et titulaire de la Chaire de recherche Pratt & Whitney Canada en Développement des procédés de pointe et caractérisation avancée des pièces pour l’aérospatiale. Ses travaux visent à rendre le procédé MIM plus accessible aux productions en petites séries et à utiliser l’impression 3D pour accélérer le développement des pièces.

Un procédé performant, mais coûteux à développer

Le procédé MIM est particulièrement adapté aux petites pièces métalliques de formes complexes. Une poudre métallique est mélangée à un liant polymérique, puis injectée dans un moule. Après le moulage, le liant est retiré (déliantage) et la pièce est chauffée à très haute température lors du frittage. Les particules métalliques se soudent alors progressivement et les pores se referment afin de former une microstructure semblable à celle des pièces forgées.

C’est au cours de cette dernière étape que la pièce se contracte fortement. Le fabricant doit donc anticiper ce phénomène dès la conception du moule.

En effet, chaque géométrie se comporte différemment pendant le frittage, ce qui peut nécessiter plusieurs itérations de moules avant d’obtenir les dimensions souhaitées. Comme chaque moule peut coûter plusieurs dizaines de milliers de dollars et demander plusieurs mois de développement, ces essais successifs peuvent rapidement devenir longs et coûteux.

Imprimer les poudres pour éviter les essais coûteux

C’est ici qu’intervient le deuxième procédé étudié par le professeur : l’impression 3D par extrusion de matière, ou MEX (Material Extrusion).

Le principe utilise le même type de mélange poudre-liant qu’en MIM. Plutôt que d’injecter le matériau dans un moule, une imprimante le dépose couche par couche pour former la pièce.

L’intérêt n’est pas nécessairement de remplacer le MIM. Il est surtout de pouvoir effectuer le prototypage rapide et tester rapidement une géométrie avant de fabriquer un moule.

Une pièce peut être imprimée en une quinzaine de minutes. Plusieurs variantes d’une même géométrie peuvent ainsi être produites, puis soumises aux traitements de déliantage et de frittage. On peut ensuite mesurer leur rétrécissement et utiliser ces résultats pour développer les lois de matériaux nécessaires pour mieux déterminer les dimensions du futur moule.

Cette approche permettrait de transformer une partie du développement, aujourd’hui fondé sur des essais coûteux, en une démarche expérimentale beaucoup plus rapide.

Comprendre ce qui se passe à l’intérieur de la pièce

MIM et MEX ont toutefois un point commun : la pièce finale dépend fortement de ce qui se passe durant les traitements de déliantage et de frittage.

Même si les propriétés mécaniques obtenues atteignent déjà plus de 90 % de celles de pièces forgées, la présence de porosités, d’oxydes ou d’autres défauts dans la microstructure peut réduire leur résistance et affecter leur performance en service.

L’équipe de Vincent Demers cherche donc à caractériser finement les pièces produites et à comprendre le lien entre les conditions de fabrication, leur microstructure et leurs propriétés mécaniques.

De nouvelles fournaises capables de reproduire exactement les conditions industrielles sont actuellement dans leur phase finale d’installation à l’ÉTS. Elles permettront de mieux maîtriser l’atmosphère durant le traitement thermique afin de contrôler les réactions physico-chimiques à la surface des poudres qui sont nécessaires à l’optimisation des microstructures.

À terme, l’objectif est de maîtriser suffisamment le procédé pour obtenir des pièces métalliques denses répondant aux exigences de l’industrie aérospatiale.

Les travaux de Vincent Demers visent à optimiser ces procédés pour répondre aux besoins de la fabrication avancée : produire des pièces complexes et résistantes, en petites quantités, avec des matériaux difficiles à mettre en forme, tout en limitant les coûts et les délais de développement.