Pièces de drone du prototype à la série, avec le bon procédé pour chaque pièce

Hydroforce usine les premières pièces de drone dans la masse, puis fait passer chaque pièce au procédé adapté à sa série : moulage sous haute pression pour les carters à ailettes, métallurgie des poudres et MIM pour les engrenages et les verrous, usinage CNC pour les ferrures structurelles. Un seul atelier, un seul plan qualité et un seul jeu de documents, du premier prototype au lot de série.

Un programme de drone traverse deux phases très différentes. Tant que la structure est mise au point, les pièces changent après chaque vol d’essai, et personne ne veut payer un moule qui sera mis au rebut le mois suivant. Une fois la conception figée et la première série commandée, la question s’inverse : quelles pièces valent encore la peine d’être taillées dans un bloc massif, et lesquelles faut-il mouler ou presser pour que la millième pièce coûte moins cher et soit identique à la première ?

L’usinage, le moulage sous pression et la métallurgie des poudres fonctionnent dans le même atelier. Un constructeur de multirotors, de drones agricoles, à voilure fixe, terrestres ou marins peut donc commencer chez nous par le prototype et rester pour la série. Cet article explique comment ce passage est planifié pièce par pièce.

Étape 1 : prototypes usinés dans la masse

Un prototype usiné n’exige aucun outillage. Quand la conception change, le modèle CAO change et la pièce suivante sort de la machine avec la nouvelle géométrie. Pour les premières structures, c’est l’argument décisif.

• Matériaux : alliages d’aluminium des séries 6xxx et 7xxx pour les bras avec logement moteur intégré, les platines centrales, les supports moteur, les articulations de repliage des bras et les équerres ; titane et aciers inoxydables 1.4301/304 et 1.4404/316 pour les arbres, les carters marins et les pièces en eau salée.
• Précision : ±0,05 mm et ajustements IT6–IT7 sur les alésages et les faces de fixation, avec contrôle géométrique selon ISO 2768-fH, ISO 286 et ISO 1101.
• Machines : centres de fraisage CNC Haas avec une zone de travail de 1270 × 660 × 635 mm et tours DMG MORI jusqu’à Ø500 mm et 1000 mm de longueur.
• Contrôle : la première pièce est mesurée sur la MMT Zeiss, et le programme validé sur elle est réutilisé pour les pièces suivantes.
• Finition : anodisation ou peinture poudre selon la spécification, pour qu’un prototype puisse voler et être essayé avec la finition que la série aura.

Un point mérite d’être réglé dès cette étape. Si un carter doit être moulé plus tard, son prototype usiné doit déjà porter les dépouilles, les épaisseurs de paroi et les rayons de congé de la pièce moulée. Les résultats d’essai d’un prototype à poches rectangulaires et parois épaisses ne se transposent pas à un carter moulé à paroi mince. Nous revoyons le plan en vue du procédé de série pendant la fabrication du prototype, afin que les essais en vol se fassent sur la géométrie qui ira en production.

Les étages d’engrenages des actionneurs servo, des pompes de pulvérisateur et des treuils sont taillés et rectifiés selon ISO 1328 pour le prototype. Un étage chargé demande généralement la qualité 7. Le même engrenage pourra être pressé et fritté plus tard, mais seulement une fois son module, sa largeur et son profil arrêtés.

Étape 2 : un procédé de série pour chaque pièce

Une fois la conception figée, chaque pièce est examinée séparément. Le tableau montre les filières habituelles sur un drone ou un robot terrestre. La dernière colonne compte autant que les autres : une pièce moulée ou frittée comporte toujours des surfaces qui sont reprises sur machine.

Les ferrures structurelles restent souvent usinées aussi en série. Un support moteur reprend la poussée et les vibrations, il est petit, et l’aluminium 7xxx usiné et anodisé est le matériau qui lui convient. En série, nous usinons ces pièces par lots d’unités identiques avec un seul montage et un seul programme MMT, ce qui fait baisser le prix de la pièce sans changer la pièce.

Les robots terrestres équipés d’une flèche ou d’une lame font exception à tout ce schéma. Leurs vérins hydrauliques sont fabriqués sur commande à partir d’une seule unité, si bien que le vérin du prototype et celui de la série suivent la même filière, avec le même essai de pression à 1,5 fois la pression de service.

Moulage sous pression des carters : ce qui change en série

Le carter à ailettes est la pièce qui gagne le plus au passage au moulage sous pression. Usiner les ailettes de refroidissement dans une plaque massive prend de nombreuses minutes par carter et transforme la majeure partie de la plaque en copeaux. Sur notre presse, un cycle de production dure de 30 secondes à 2 minutes selon la taille de la pièce, et les ailettes, les bossages de fixation et les passages de câbles sont formés avec le corps dans le même tir.

• Parois et masse : sections à paroi mince de 0,5–1,5 mm, avec des nervures placées là où le carter a besoin de rigidité.
• Précision : ±0,1–0,3 mm brut de moulage, état de surface Ra 1,6–6,3 µm.
• Chaleur : les alliages d’aluminium conduisent la chaleur à 90–160 W/m·K, si bien que le carter lui-même évacue la chaleur de l’électronique de puissance.
• Outillage : les moules sont usinés dans notre propre atelier d’outillage en acier H13 ou P20 et essayés sur une presse de production avant la validation du premier article.
• Carters étanches ou traités thermiquement : moulage sous pression assisté par vide lorsqu’un carter doit tenir l’étanchéité sur une face de joint ou être mis en solution jusqu’à T6. Les zones sensibles à la porosité sont contrôlées par rayons X.
• Finition : passe CNC sur les faces d’appui, les alésages, les filetages et les gorges de joint, puis peinture poudre, cataphorèse, chromatation ou anodisation selon la spécification.

Pour les petites pièces qui demandent des sections très minces et des détails fins, des alliages de zinc sont moulés sur des machines à chambre chaude. Le magnésium peut être discuté pour une pièce précise.

Pièces frittées et MIM : engrenages, verrous et petits leviers

Les engrenages des pompes de pulvérisateur, des treuils et des servomoteurs forment le second groupe qui change de procédé en série. Un engrenage pressé et fritté reçoit son profil de denture de la matrice, si bien que tous les engrenages issus d’un même outil ont la même géométrie.

• Métallurgie des poudres (PM) : compression jusqu’à 800 MPa, densité finale jusqu’à 97 %, tolérance ±0,05 mm brut de frittage et plus serrée après calibrage. La poudre va dans la pièce, ce qui consomme jusqu’à 30 % de matière en moins que pour le même engrenage taillé dans une barre. La porosité résiduelle amortit les vibrations et rend l’engrenage plus silencieux.
• Moulage par injection de métal (MIM) : pour les petites pièces de moins d’une cinquantaine de grammes avec perçages transversaux, poches et contre-dépouilles, comme les charnières de repliage, les crochets de verrouillage, les crans d’arrêt, les micro-engrenages et les supports de gimbal. Les aciers comprennent le 17-4 PH et le 316L, avec des parois jusqu’à 0,3 mm et une tolérance jusqu’à ±0,02 mm. Un tir dure de 15 à 45 secondes.

Le frittage devient rentable à partir de quelques milliers de pièces, car il exige un outil de compression ou un moule MIM. En dessous de cette quantité, l’engrenage reste taillé. De nombreux entraînements combinent les deux filières : engrenages frittés pour les étages rapides et peu chargés, engrenage usiné pour l’étage de sortie chargé, le tout chez un seul fournisseur et dans un seul système qualité.

Le traitement thermique suit le plan : trempe et revenu à cœur, cémentation ou nitruration, mise en solution et vieillissement pour le 17-4 PH. Les alésages et les portées de roulement qui exigent un ajustement plus serré sont calibrés ou usinés après le frittage.

Comment le changement de procédé est piloté

Faire passer une pièce de la fraiseuse à un moule ou à un outil de presse est le moment où une série peut mal tourner. Nous le planifions de la même façon pour chaque pièce outillée.

1. Revue du plan avant l’outillage. Les dépouilles, le plan de joint, la position des attaques et des trop-pleins, et la surépaisseur laissée pour l’usinage sont arrêtés avant la réalisation du moule ou de la matrice. Les alésages de roulement et les faces d’étanchéité sont repérés comme des zones où la porosité n’est pas acceptée. Pour une pièce MIM, la revue porte aussi sur l’épaisseur de paroi régulière, les références des perçages d’articulation et de fixation, les grandes surfaces planes qui peuvent se déformer au frittage et une position de l’attaque éloignée des surfaces fonctionnelles ; l’empreinte du moule est réalisée environ 1,18 fois plus grande que la pièce finale pour tenir compte du retrait.
2. Essai de l’outil et premier article. Les premiers tirs ou les premiers pressages sont mesurés intégralement, cote par cote selon le plan, puis comparés au modèle CAO et au prototype approuvé.
3. Plan de surveillance. Les caractéristiques critiques et les fréquences de contrôle sont fixées avant la libération de la série. Sur demande, nous communiquons le plan et convenons d’essais devant témoin ou d’une inspection par tierce partie.
4. La même base pour les commandes répétées. Les plans d’outillage, les paramètres de procédé et les programmes de frittage sont conservés, de sorte qu’une commande répétée est réalisée sur la même base que le premier article.

Les documents ne changent pas avec la quantité. Un prototype et un lot de série partent avec le même certificat matière, le même rapport dimensionnel et le même relevé de revêtement.

Ce qu’il faut nous envoyer

Pour chiffrer les deux étapes d’un coup, il nous faut :

• le modèle 3D ou le plan de chaque pièce, avec la matière et la finition ;
• la quantité de prototypes et le volume annuel de série attendu ;
• les surfaces qui portent une charge, assurent l’étanchéité ou positionnent d’autres pièces ;
• l’environnement de travail du drone : poussière, produits de pulvérisation, eau salée ou plage de températures.

Nous répondons avec le prix du prototype usiné, une filière de série recommandée pour chaque pièce, ainsi que le coût d’outillage et le prix de la pièce pour cette filière. Envoyez vos fichiers à office@hydroforce.ee ou utilisez la page de contact.

À voir aussi : carters en aluminium moulés sous pression pour l’éclairage LED, engrenages frittés par métallurgie des poudres et MIM, planification de la qualité par technologie. Pages technologies : usinage CNC, moulage sous pression, métallurgie des poudres et MIM, vérins hydrauliques. Page secteur : Drones et systèmes sans pilote.