Découvrez comment les capacités de FORGE® peuvent être étendues à des procédés de fabrication de défense non conventionnels, en mettant en évidence le rôle de la simulation avancée du formage des métaux dans la production de composants destinés aux armes à feu, aux moteurs d’avions militaires, aux projectiles balistiques et à d’autres systèmes de défense.
La modélisation et la simulation sont devenues des outils essentiels pour l’ingénierie et la fabrication de systèmes de défense complexes1,2. Dans un contexte géopolitique instable, marqué par des budgets contraints et une réduction des opportunités de réalisation des essais physiques à grande échelle, l'accélération de la conception des systèmes s'impose comme une nécessité stratégique.
Par conséquent, le secteur de la défense s’appuie de plus en plus sur des outils numériques afin de soutenir les décisions d’ingénierie et d’optimiser les procédés de fabrication des composants critiques utilisés dans les munitions, les armes à feu, les systèmes de missiles, les véhicules blindés, les aéronefs et les plateformes navales3-6.
De nombreux composants de défense sont fabriqués par mise en forme des métaux, via des procédés thermomécaniques appliqués à des alliages à haute résistance. Des procédés tels que l’étirage, l’extrusion, le fluotournage, le forgeage rotatif ou en matrice fermée engendrent des déformations plastiques très importantes, des conditions de contact complexes et des effets thermiques marqués. La maîtrise de l’écoulement du matériau, de la localisation des déformations et de l’apparition de défauts au cours de ces opérations est déterminante pour garantir la précision dimensionnelle et la fiabilité mécanique7.
La méthode des éléments finis (FEM) est ainsi devenue un outil clé pour analyser les opérations de mise en forme et prédire le comportement des matériaux au cours des procédés. Les simulations numériques permettent aux ingénieurs d’évaluer les champs de déformation et de température, les efforts de mise en forme, les niveaux de contraintes résiduelles ainsi que les risques de formation de défauts en amont de la mise en œuvre industrielle8. La solution FORGE® développée par Transvalor a été spécifiquement conçue pour la simulation des procédés de mise en forme des métaux impliquant de grandes déformations plastiques et un fort couplage thermomécanique. Son approche par éléments finis 2D axisymétrique et 3D, sa formulation ALE, et ses stratégies avancées de traitement du contact et de remaillage sont adaptés aux applications industrielles complexes de forgeage, d’extrusion et de fluotournage6,9. Ces capacités en font un outil particulièrement pertinent pour l’analyse et l’optimisation des procédés de mise en forme utilisés dans la production de composants métalliques destinés au secteur de la défense.
Les disques de turbine, les aubes de compresseur, les arbres et les carters des moteurs d’avions militaires sont fabriqués à partir de superalliages à base de nickel ou d’alliages de titane et doivent fonctionner de manière fiable sous des contraintes mécaniques et thermiques extrêmes. La fabrication de ces composants repose sur des procédés de forgeage de précision, d’usinage et de traitements thermiques, avec des exigences strictes en matière de microstructure, d’état de surface, de résistance à la fatigue, et de maîtrise des plages de température de mise en forme, parfois extrêmement étroites.
Les simulations FORGE® permettent de modéliser les procédés de mise en forme, de traitement thermique et thermochimique, en prédisant l’écoulement du matériau, les gradients thermiques, les contraintes résiduelles et l’évolution microstructurale. Sa base de données matériaux, continuellement mise à jour, garantit une modélisation précise des alliages établis et des alliages émergents. Pour les composants soumis à des contraintes de fatigue critiques, les résultats de FORGE® peuvent être chaînés avec Z-set afin d’évaluer les chargements en service et la durabilité à long terme (voir Figure 1), offrant ainsi un flux de travail complet, de l’optimisation de la fabrication à la prédiction des performances en service.
Figure 1 : Chaîne de simulation du cycle de vie complet d’un disque de turbine avec FORGE® – Z-set.
Tandis que les composants d’aéronefs doivent résister à des sollicitations mécaniques et thermiques élevées sur de longues périodes, les obus d’artillerie subissent lors du tir des charges extrêmement intenses sur des temps très courts. Les coquilles sont fabriquées en alliages d’aciers mis en forme par forgeage, étirage ou fluotournage, puis usinées, rodées et polies afin de satisfaire des tolérances dimensionnelles strictes et un état de surface parfaitement lisse répondant aux exigences aérodynamiques. Les traitements thermiques confèrent la dureté et la ténacité requises. Chaque étape peut engendrer des difficultés, telles que des variations d’épaisseur de paroi, des plis ou l’apparition de contraintes résiduelles significatives.
Ces défis peuvent être abordés grâce aux simulations FORGE® (voir Figure 2), qui permettent de prédire la distribution des contraintes, des déformations et des températures lors du procédé de mise en forme, en identifiant les zones à risque d’amincissement local ou de déformation excessive (voir les travaux de Kocabıçak et al. sur la simulation de l’écoulement lors du procédé de fluotournage arrière avec FORGE®). En ajustant virtuellement la géométrie des matrices, la séquence de formage ou les paramètres du procédé, les ingénieurs peuvent réduire les défauts et améliorer l’uniformité des coquilles. Les simulations FORGE® permettent également d’estimer les contraintes résiduelles et les évolutions microstructurales, fournissant des indications sur l’intégrité structurelle du projectile en conditions opérationnelles.
Figure 2 : Formage par écoulement d’un tube simulé à l’aide de FORGE®.
Les composants de précision de plus petite taille, tels que les boîtiers de culasse, les culasses et les canons, présentent un ensemble de défis différent. Ces pièces sont généralement fabriquées à partir d’aciers à haute résistance ou d’alliages d’aluminium, en recourant au forgeage, à l’usinage et aux traitements thermiques, avec des tolérances strictes essentielles à la fiabilité lors de tirs répétés. Le forgeage est particulièrement privilégié pour les boîtiers de culasse, car il améliore les propriétés du matériau grâce à une meilleure orientation des grains (encore appelé fibrage) et réduit le gaspillage de matière par rapport à un usinage à partir de lopins massifs.
La simulation avec FORGE® permet aux ingénieurs d’analyser l’écoulement du matériau et la distribution de la température lors de la fermeture des matrices, ce qui est essentiel car des températures excessives peuvent compromettre la qualité de surface et les performances mécaniques. Un exemple illustratif est présenté dans une vidéo10 publiée par « Armi Militari », montrant une simulation FORGE® d’un lopin de boîtier inférieur en aluminium et l’évolution de la température au sein du matériau au fur et à mesure de la fermeture des matrices. Ces analyses virtuelles permettent d’optimiser les paramètres du procédé, la conception des matrices et la préparation du lopin afin de garantir la précision dimensionnelle, l’intégrité du matériau et la qualité globale du composant.
Cet article met en avant des applications telles que les armes à feu, les obus d’artillerie et les pièces moteur, mais le potentiel de logiciels comme FORGE® s’étend à l’ensemble du secteur de la fabrication pour la défense, allant des petites pièces de précision aux systèmes d’armes à grande échelle. En exploitant la simulation par événements discrets et la prédiction de l’usure des outils, les fabricants peuvent identifier les goulets d’étranglement, optimiser l’affectation des machines et rationaliser la planification, permettant ainsi d’accroître le débit et la fiabilité des composants sans compromettre leur qualité.
FORGE® a déjà démontré sa précision et sa fiabilité auprès d’un large panel d’utilisateurs industriels dans de nombreuses applications métallurgiques. Les fabricants du secteur de la défense peuvent exploiter ces capacités dans les environnements particulièrement exigeants, et bénéficier ainsi d’un avantage stratégique net tant sur le plan des coûts que des performances.
Références