Alimentation efficace en fluide de coupe dans les outils de fraisage fabriqués de manière additive

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Dans le domaine de la fabrication en évolution rapide, la recherche de l’efficacité, de la durabilité et de la rentabilité a conduit à des recherches et à des progrès technologiques révolutionnaires. L’un de ces domaines d’innovation est l’application de procédés de fabrication additive dans la conception et la production d’outils de coupe.

L'utilisation de fluide de coupe (liquide de refroidissement, MWF) est indispensable dans le fraisage de matériaux et de composants exigeants et difficiles à usiner, tels que les composants de structure aérospatiale en alliages de titane. Le fraisage productif utilisant du fluide de coupe à des pressions d'alimentation élevées présente à l'industrie manufacturière des défis majeurs en matière de réduction des coûts économiques et écologiques. En particulier, l'augmentation de la durée de vie des outils et la réduction de l'utilisation nécessaire de fluide de coupe peuvent apporter une contribution significative à une fabrication durable, économe en ressources et compétitive en Allemagne. La production d'outils refroidis internes complexes, conçus individuellement selon les processus, à l'aide de procédés de fabrication conventionnels, est très complexe, coûteuse et n'est possible que dans une mesure limitée.

La liberté géométrique de conception des processus de fabrication additive offre un énorme potentiel en termes d’approvisionnement en fluide de coupe individualisé, ciblé et à faibles pertes. En traitant des matériaux en poudre métallique, le processus Laser Powder Bed Fusion (LPBF) peut être utilisé pour repenser l’alimentation en fluide de coupe des outils de coupe indexables. Ces possibilités ont été explorées dans le cadre du projet Tacoma (AiF) du Laboratoire de machines-outils et d'ingénierie de production (WZL) de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle. L'objectif était d'exploiter le potentiel des outils de fraisage fabriqués de manière additive à l'aide du procédé LPBF en ce qui concerne un approvisionnement en fluide de coupe adapté pour augmenter la durée de vie des outils et la fiabilité du processus. En utilisant l'exemple d'outils de fraisage indexables avec sièges de plaquette tangentiels, les possibilités et les limites des canaux d'alimentation en fluide optimisés et d'une conception de buse ciblée ont été démontrées. Le projet s'est terminé en mars 2023 après une durée de trois ans et une collaboration avec l'Institut Fraunhofer de technologie laser ILT et un large consortium d'entreprises participantes dans les domaines de la fabrication d'outils, de la production de machines-outils, des applications et des périphériques de fluides de coupe.

Dans le cadre du projet de recherche Tacoma, des outils de fraisage indexables à une ou plusieurs rangées avec une alimentation en fluide de coupe ciblée et à faibles pertes ont été développés, fabriqués selon le procédé LPBF et analysés dans des expériences d'usinage. Les résultats ont été rendus utilisables dans les directives de conception et les recommandations destinées aux PME. Après qualification d'un acier de cémentation faiblement allié 18MnCrMoV4-8-7 dans le procédé LPBF, des géométries de canaux et de buses appropriées ont été identifiées lors d'études de mécanique des fluides. En utilisant la liberté géométrique de conception, il a été possible de réduire les pertes de débit volumique jusqu'à 21 pour cent et de façonner le jet libre du fluide de coupe de manière plus ciblée au moyen de formes de buses adaptées.

Les résultats ont ensuite été utilisés dans la conception d’un système d’alimentation en fluide adapté dans l’outil de fraisage. La conception a été soutenue par des simulations numériques CFD afin de pouvoir faire des déclarations sur la capacité de performance avant même la validation expérimentale. En testant une grande variété de variantes d'approvisionnement avec une complexité géométrique élevée et une diversité d'outils de fraisage fabriqués de manière additive pour l'ébauche de l'acier traité thermiquement 42CrMo4+QT et de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, des variantes appropriées ont été extraites et des résultats pour un fluide de coupe optimal. des concepts d’approvisionnement ont été obtenus. L'alimentation ciblée et sans perte du fluide de coupe vers l'arête de coupe de l'outil, qui est soumise à des charges mécaniques et thermiques élevées, a permis d'augmenter la durée de vie de l'outil jusqu'à 70 % par rapport à l'outil de référence. Dans le même temps, le débit volumique a été divisé par deux, réduisant ainsi considérablement les besoins en énergie électrique de la machine-outil.

L'énorme augmentation de l'efficacité et des performances d'utilisation peut compenser les coûts économiques et écologiques supplémentaires liés au processus de fabrication d'outils de coupe fabriqués de manière additive. Dans un exemple de calcul des coûts, le prix de l'outil fabriqué de manière additive a été estimé à près de 50 % plus élevé que celui de l'outil de référence fabriqué de manière conventionnelle. En prenant en compte toute la durée de vie de l'outil, les coûts d'exploitation des outils fabriqués par LPBF étaient inférieurs de 39 % aux coûts calculés pour l'outil selon l'état de la technique. Les résultats d'une évaluation du cycle de vie selon la norme DIN EN ISO 14040/44 ont également montré le potentiel d'une réduction de l'impact environnemental lors de l'utilisation de l'outil. L'empreinte CO2 calculée pour la durée de vie de l'outil a été réduite de 20 % grâce à une utilisation plus efficace du liquide de coupe et à la durée de vie prolongée des plaquettes de coupe.