La fabrication de moteurs d'avions, qu'ils soient à pistons ou à réaction, implique la transformation de matières premières en machines de précision extrêmement fiables. Les environnements d'exploitation fortement sollicités associés au transport aérien nécessitent l'utilisation d'une large gamme de matériaux à haute résistance. Des méthodes de fabrication conventionnelles et uniques sont utilisées.
Matériaux de construction
Les moteurs d'avions sont principalement constitués de composants métalliques, bien que ces dernières années aient vu l'introduction de composites plastiques pour certaines pièces. Divers alliages d'aluminium et de titane sont utilisés où la résistance et la légèreté sont primordiales (éléments de structure, sections de compresseur, châssis de moteur). Les alliages de chrome, de nickel et de cobalt sont utilisés là où la résistance aux hautes températures et à la corrosion est requise (sections de chambre de combustion et de turbine). De nombreux alliages d'acier sont utilisés dans les emplacements intermédiaires.
Étant donné que la minimisation du poids sur les avions est un facteur essentiel pour réduire les coûts du cycle de vie (maximisation de la charge utile, minimisation de la consommation de carburant), des matériaux composites avancés ont récemment été introduits en remplacement léger de l'aluminium, du titane et de certains alliages d'acier dans les pièces structurelles et les conduits où les températures élevées ne sont pas ressenties. Ces composites sont principalement constitués de systèmes de polyimide, d'époxy et d'autres résines, renforcés de fibres de verre tissées ou de fibres de graphite.
Opérations de fabrication
Pratiquement toutes les opérations courantes de travail des métaux et d'usinage sont utilisées dans la fabrication de moteurs d'avion. Cela comprend le forgeage à chaud (profils, disques de compresseur), le moulage (composants de structure, châssis de moteur), le meulage, le brochage, le tournage, le perçage, le fraisage, le cisaillage, le sciage, le filetage, le soudage, le brasage et autres. Les procédés associés impliquent la finition des métaux (anodisation, chromatation, etc.), la galvanoplastie, le traitement thermique et la projection thermique (plasma, flamme). La résistance et la dureté élevées des alliages utilisés, combinées à leurs formes complexes et à leurs tolérances de précision, nécessitent des exigences d'usinage plus difficiles et rigoureuses que les autres industries.
Certains des processus de travail des métaux les plus uniques comprennent le fraisage chimique et électrochimique, l'usinage par électroérosion, le perçage au laser et le soudage par faisceau d'électrons. Fraisage chimique et électrochimique impliquent l'enlèvement de métal de grandes surfaces d'une manière qui conserve ou crée un contour. Les pièces, en fonction de leur alliage spécifique, sont placées dans un bain d'acide, de soude caustique ou d'électrolyte contrôlé à haute concentration. Le métal est éliminé par l'action chimique ou électrochimique. Le fraisage chimique est souvent utilisé après le forgeage des profils aérodynamiques pour amener les épaisseurs de paroi dans les spécifications tout en conservant le contour.
Usinage par électroérosion et perçage laser sont généralement utilisés pour faire des trous de petit diamètre et des contours complexes dans les métaux durs. De nombreux trous de ce type sont nécessaires dans les composants de la chambre de combustion et de la turbine à des fins de refroidissement. L'enlèvement de métal est réalisé par l'action thermomécanique à haute fréquence de décharges électro-étincelantes. Le procédé est réalisé dans un bain d'huile minérale diélectrique. L'électrode sert d'image inversée de la coupe souhaitée.
Soudage par faisceau d'électrons est utilisé pour assembler des pièces où une pénétration profonde de la soudure est requise dans des géométries difficiles à atteindre. La soudure est générée par un faisceau d'électrons concentré et accéléré dans une chambre à vide. L'énergie cinétique des électrons frappant la pièce est transformée en chaleur pour le soudage.
Fabrication de plastique composite implique soit des techniques de drapage "humide" soit l'utilisation de toiles pré-imprégnées. Avec la couche humide, le mélange visqueux de résine non durcie est étalé sur une forme d'outillage ou un moule par pulvérisation ou brossage. Le matériau de renfort fibreux est déposé manuellement dans la résine. De la résine supplémentaire est appliquée pour obtenir une uniformité et un contour avec la forme de l'outillage. Le lay-up terminé est ensuite durci dans un autoclave sous chaleur et pression. Les matériaux pré-imprégnés sont constitués de feuilles semi-rigides, prêtes à l'emploi et partiellement durcies de composites résine-fibre. Le matériau est découpé sur mesure, moulé manuellement aux contours de la forme de l'outillage et durci dans un autoclave. Les pièces durcies sont conventionnellement usinées et assemblées dans le moteur.
Inspection et test
Afin d'assurer la fiabilité des moteurs d'avions, un certain nombre de procédures d'inspection, de test et de contrôle de la qualité sont effectuées pendant la fabrication et sur le produit final. Les méthodes d'inspection non destructives courantes comprennent la radiographie, les ultrasons, les particules magnétiques et le ressuage fluorescent. Ils sont utilisés pour détecter d'éventuelles fissures ou défauts internes dans les pièces. Les moteurs assemblés sont généralement testés dans des cellules de test instrumentées avant la livraison au client.
Dangers pour la santé et la sécurité et leurs méthodes de contrôle
Les risques pour la santé associés à la fabrication de moteurs d'avion sont principalement liés à la toxicité des matériaux utilisés et à leur potentiel d'exposition. L'aluminium, le titane et le fer ne sont pas considérés comme significativement toxiques, tandis que le chrome, le nickel et le cobalt sont plus problématiques. Certains composés et états de valence de ces trois derniers métaux ont indiqué des propriétés cancérigènes chez les humains et les animaux. Leurs formes métalliques ne sont généralement pas considérées comme aussi toxiques que leurs formes ioniques, que l'on trouve généralement dans les bains de finition des métaux et les pigments de peinture.
Dans l'usinage conventionnel, la plupart des opérations sont effectuées à l'aide de liquides de refroidissement ou de fluides de coupe qui minimisent la génération de poussières et de fumées en suspension dans l'air. À l'exception du meulage à sec, les métaux ne présentent généralement pas de risques d'inhalation, bien que l'inhalation de brouillards de liquide de refroidissement suscite des inquiétudes. Une bonne quantité de meulage est effectuée, en particulier sur les pièces de moteur à réaction, pour mélanger les contours et amener les profils aérodynamiques dans leurs dimensions finales. De petites meuleuses à main sont généralement utilisées. Lorsqu'un tel broyage est effectué sur des alliages à base de chrome, de nickel ou de cobalt, une ventilation locale est nécessaire. Cela inclut les tables aspirantes et les broyeurs auto-ventilés. La dermatite et le bruit sont des risques supplémentaires pour la santé associés à l'usinage conventionnel. Les employés auront divers degrés de contact cutané avec les liquides de refroidissement et de coupe lors de la fixation, de l'inspection et du retrait des pièces. Le contact répété avec la peau peut se manifester par diverses formes de dermatite chez certains employés. Généralement, des gants de protection, des crèmes barrières et une bonne hygiène minimiseront ces cas. Des niveaux de bruit élevés sont souvent présents lors de l'usinage d'alliages à parois minces et à haute résistance, en raison du broutage de l'outil et des vibrations de la pièce. Cela peut être contrôlé dans une certaine mesure grâce à un outillage plus rigide, à des matériaux amortissants, à la modification des paramètres d'usinage et au maintien d'outils tranchants. Sinon, un EPI (par exemple, des cache-oreilles, des bouchons) est requis.
Les risques pour la sécurité associés aux opérations d'usinage conventionnelles impliquent principalement le potentiel de blessures physiques dues aux mouvements du point de fonctionnement, de la fixation et de la transmission de puissance. Le contrôle est effectué par des méthodes telles que des gardes fixes, des portes d'accès verrouillées, des barrières immatérielles, des tapis sensibles à la pression et la formation et la sensibilisation des employés. Une protection oculaire doit toujours être utilisée autour des opérations d'usinage pour se protéger des copeaux volants, des particules et des éclaboussures de liquides de refroidissement et de solvants de nettoyage.
Les opérations de finition des métaux, le broyage chimique, le broyage électrochimique et la galvanoplastie impliquent des expositions en cuve à surface ouverte à des acides, des bases et des électrolytes concentrés. La plupart des bains contiennent de fortes concentrations de métaux dissous. Selon les conditions de fonctionnement et la composition du bain (concentration, température, agitation, taille), la plupart nécessiteront une certaine forme de ventilation locale pour contrôler les niveaux de gaz, vapeurs et brouillards en suspension dans l'air. Diverses conceptions de hottes latérales de type fente sont couramment utilisées pour le contrôle. Les conceptions de ventilation et les directives de fonctionnement pour différents types de bains sont disponibles auprès d'organisations techniques telles que l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) et l'American National Standards Institute (ANSI). La nature corrosive de ces bains dicte l'utilisation de protections oculaires et cutanées (lunettes anti-éclaboussures, écrans faciaux, gants, tabliers, etc.) lors de travaux autour de ces réservoirs. Des douches oculaires et des douches d'urgence doivent également être disponibles pour une utilisation immédiate.
Le soudage par faisceau d'électrons et le perçage au laser présentent des risques d'irradiation pour les travailleurs. Le soudage par faisceau d'électrons génère un rayonnement X secondaire (bremsstrahlung effet). En un sens, la chambre de soudage constitue un tube à rayons X inefficace. Il est essentiel que la chambre soit construite avec un matériau ou contienne un blindage qui atténuera le rayonnement aux niveaux pratiques les plus bas. Un blindage en plomb est souvent utilisé. Des contrôles de rayonnement doivent être effectués périodiquement. Les lasers présentent des risques oculaires et cutanés (thermiques). De plus, il existe un risque d'exposition aux fumées métalliques produites par l'évaporation du métal de base. Les risques de faisceau associés aux opérations laser doivent être isolés et contenus, si possible, dans des chambres verrouillées. Un programme complet doit être rigoureusement suivi. Une ventilation locale doit être prévue là où des fumées métalliques sont générées.
Les principaux risques liés à la fabrication de pièces en plastique composite impliquent une exposition chimique à des composants de résine n'ayant pas réagi et à des solvants lors des opérations de stratification par voie humide. Les amines aromatiques utilisées comme réactifs dans les résines polyimides et les durcisseurs dans les systèmes de résine époxy sont particulièrement préoccupantes. Un certain nombre de ces composés sont des cancérogènes confirmés ou suspectés pour l'homme. Ils présentent également d'autres effets toxiques. La nature hautement réactive de ces systèmes de résine, en particulier des époxydes, provoque une sensibilisation cutanée et respiratoire. Le contrôle des dangers pendant les opérations de pose humide doit inclure une ventilation locale et l'utilisation intensive d'équipements de protection individuelle pour éviter tout contact avec la peau. Les opérations de superposition à l'aide de feuilles pré-imprégnées ne présentent généralement pas d'expositions à l'air, mais une protection cutanée doit être utilisée. Lors du durcissement, ces pièces sont relativement inertes. Ils ne présentent plus les dangers de leurs réactifs constitutifs. L'usinage classique des pièces peut cependant produire des poussières gênantes de nature irritante, liées aux matériaux composites de renfort (fibre de verre, graphite). Une ventilation locale de l'opération d'usinage est souvent nécessaire.
Les risques pour la santé associés aux opérations de test impliquent généralement des rayonnements (rayons X ou gamma) provenant de l'inspection radiographique et du bruit provenant des tests du produit final. Les opérations radiographiques doivent inclure un programme complet de radioprotection, comprenant une formation, la surveillance des badges et des visites périodiques. Les chambres d'inspection radiographique doivent être conçues avec des portes verrouillées, des lampes opératoires, des arrêts d'urgence et un blindage approprié. Les zones ou cellules d'essais où sont testés les produits assemblés doivent faire l'objet d'un traitement acoustique, notamment pour les moteurs à réaction. Les niveaux de bruit aux consoles de contrôle doivent être contrôlés en dessous de 85 dBA. Des dispositions devraient également être prises pour empêcher toute accumulation de gaz d'échappement, de vapeurs de carburant ou de solvants dans la zone d'essai.
En plus des dangers susmentionnés liés à des opérations spécifiques, il en existe plusieurs autres dignes de mention. Ils comprennent l'exposition aux solvants de nettoyage, aux peintures, au plomb et aux opérations de soudage. Les solvants de nettoyage sont utilisés tout au long des opérations de fabrication. Il y a eu une tendance récente à abandonner l'utilisation de solvants chlorés et fluorés au profit de types aqueux, terpins, alcool et essence minérale en raison des effets de toxicité et d'appauvrissement de la couche d'ozone. Bien que ce dernier groupe ait tendance à être plus acceptable sur le plan environnemental, il présente souvent des risques d'incendie. Les quantités de tout solvant inflammable ou combustible doivent être limitées sur le lieu de travail, utilisées uniquement à partir de conteneurs approuvés et avec une protection incendie adéquate en place. Le plomb est parfois utilisé dans les opérations de forgeage des profils aérodynamiques comme lubrifiant de matrice. Si c'est le cas, un programme complet de contrôle et de surveillance du plomb devrait être en vigueur en raison de la toxicité du plomb. De nombreux types de soudage conventionnel sont utilisés dans les opérations de fabrication. Les vapeurs métalliques, les rayonnements ultraviolets et les expositions à l'ozone doivent être évalués pour de telles opérations. Le besoin de contrôles dépendra des paramètres de fonctionnement spécifiques et des métaux impliqués.