EP3326734A1 - Procede de fabrication d'un noyau ceramique de fonderie - Google Patents

Procede de fabrication d'un noyau ceramique de fonderie Download PDF

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EP3326734A1
EP3326734A1 EP17202768.2A EP17202768A EP3326734A1 EP 3326734 A1 EP3326734 A1 EP 3326734A1 EP 17202768 A EP17202768 A EP 17202768A EP 3326734 A1 EP3326734 A1 EP 3326734A1
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EP
European Patent Office
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machining
block
core
manufacturing
ceramic
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EP17202768.2A
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German (de)
English (en)
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EP3326734B1 (fr
Inventor
Jean-Yves BALDUINI
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Jy'nove Sarl
Jynove Sarl
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Jy'nove Sarl
Jynove Sarl
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Publication date
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Publication of EP3326734A1 publication Critical patent/EP3326734A1/fr
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Publication of EP3326734B1 publication Critical patent/EP3326734B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/18—Finishing

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a ceramic foundry core for the production of a complex cavity hollow casting part by lost-wax casting, such as a gas turbine rotor or stator, of a motor. airplane, reactor, a combustion nozzle or the like, said core being an image of the complex cavity of the hollow part to be manufactured.
  • This lost wax foundry fabrication process is to manufacture a ceramic core having a complex geometry and walls or partitions that can be very thin, of the order of a millimeter, since this core must be hollowed out and perforated. to be able to define the exact and precise interior volume of the hollow part to be manufactured.
  • This ceramic core is preferably made of a technical ceramic material or any other compatible material, that is to say which has a high mechanical strength and a high hardness and which withstands very high temperatures given the temperature of melting of metals and metal alloys which are of the order of 1500 ° C.
  • this technical ceramic material or the like must be able to dissolve chemically to release the complex interior cavity of the hollow part obtained after casting.
  • This ceramic core is intended to be embedded in a wax blank obtained by molding and whose outer geometry defines the external volume of the hollow part to be manufactured.
  • the wax blank is dipped in a ceramic bath to coat it with a hard ceramic shell.
  • the ceramic shell is raised in temperature to the melting temperature of the wax allowing the removal of the wax that flows from the shell leaving inside the shell a negative volume defined between the inner wall of the carapace. the carapace and the outer wall of the inner core.
  • the molten metal is then cast inside the ceramic shell.
  • the outer ceramic shell and the inner core are removed by shaking to clear the resulting hollow part.
  • the foundry technique makes it possible to obtain quality finished parts without any subsequent finishing operation.
  • the ceramic casting cores are manufactured by molding in a multi-drawer mold.
  • the manufacture of the mold is particularly tedious because the prints, which are the negative images of the core to be made, are very complex and make the design of the mold and its manufacture very expensive and very long.
  • the average manufacturing time of such a mold is about a year and represents an investment of about one million euros.
  • One of the techniques consists in providing a contact machining step of a previously molded ceramic core blank, with or without an inner recess.
  • This machining step allows either to machine the recess as such, or to perfect the inner recess already partially produced by molding, or to deburr the blank obtained.
  • the machining step can be carried out either by removal of material such as by milling or by abrasion, as the examples described in the publications FR 2 878 458 A1 , FR 2 930 188 A1 and FR 2 900 850 A1 .
  • Another technique consists in providing a non-contact machining step of a previously molded ceramic core blank, this machining step being performed on a fired ceramic, by laser or ultrasound to perfect the dimensional characteristics of said core, such as the examples described in the publications US 5,465,780 A and WO 97/02914 A1 .
  • the publication WO 2015/051916 A1 proposes to machine on a numerically controlled machine the ceramic core and the outer blank of lost wax disposed around said core without however specify the operating mode given the difficulties in machining said core.
  • the present invention proposes a new manufacturing process for solving the problems mentioned above, to substantially shorten the manufacturing process of the ceramic cores for the lost wax foundry, and correspondingly reduce the investment cost for the purpose. to reduce the cycle and development cost of new gas turbine parts, aircraft engines, engines, combustion nozzles and any complex cavity hollow part, to provide flexibility in the management of industrial projects , to allow an evolution of the geometry of already existing pieces.
  • the development time of the manufacturing method according to the invention can be divided by a coefficient of 10 and its cost by a coefficient of 40 relative to the process of classic molding.
  • This new manufacturing process also allows the production of pre-series and the manufacture of parts on demand.
  • the invention relates to a manufacturing method of the kind indicated in the preamble, characterized in that said core is manufactured by machining a block of cooked ceramic material by mechanical removal of material, in that the operation machining tool comprises at least a first machining step for producing a first machined surface in said block of material, and a second machining step for producing a second machined surface in said block of material, substantially opposite said first machined surface, and in that, prior to said second machining step, is applied to all or part of said first machined surface a reinforcing layer in a stiffening solution to protect said block of material from breakage the second machining step and it is expected solidification of said reinforcing layer before starting the second machining step.
  • the machining operation comprises several machining steps, then the application of a reinforcing layer is renewed before each new machining step on all or part of a surface of said block of material substantially opposite to said new surface to be machined.
  • stiffening solution it is advantageous to use a machining glue in the liquid or semi-liquid state having machinable and dissolvable properties. And one can apply said reinforcing layer in one or more applications of stiffening solution.
  • a block of material having at least two parallel opposite faces arranged to form two clamping faces on which the jaws of a clamping vice are applied is preferably used.
  • the said core may be dipped in a solvent bath, or the said core may be subjected to a temperature corresponding to the melting temperature of the stiffening solution.
  • the said core is suspended from a bracket to allow the removal of the molten stiffening solution by gravity flow.
  • FIGS. 1 to 4 show schematically and in front view several steps of a method of manufacturing a ceramic ceramic core according to the invention, in which the figure 1 illustrates the mounting of a ceramic block between two clamping jaws of a machining machine for machining a first face of a blank of said core, the figure 2 illustrates the application of a stiffening solution on the first machined face of the blank, the figure 3 illustrates the machining of a second face of the blank of said core, located opposite the first machined and stiffened face, and the figure 4 illustrates the removal of the stiffening solution after the machining of the second face of the blank.
  • a machining center may be a numerically controlled multi-axis machining center for producing a plurality of simple to very complex shapes.
  • any other type of mechanical machining machine may be suitable.
  • a five-axis milling center was used which makes it possible to machine complex shapes, which are very common in ceramic cores.
  • the manufacturing method comprises a step of mounting a ceramic block 1 between two jaws 2 of a clamping vise 3 of a machining machine (not shown) in the direction of the arrows F.
  • the ceramic block 1 is a machinable technical ceramic blank, namely a block of fired ceramic, which presents by way of example a hardness equivalent or comparable to that of glass fiber-filled composites.
  • This ceramic block 1 may have a parallelepipedal shape as illustrated, or any other form depending on the general shape of the core 20 to be machined, such as for example a polyhedron, a cylinder.
  • the positioning and indexing of the ceramic block 1 on the machining machine are important to ensure the accuracy of the different machining steps regardless of the number of disassembly and reassembly of said block.
  • the ceramic block 1 when it is parallelepiped, it must have two opposite and parallel clamping faces 4 with a precision for example at most equal to 0.1 mm.
  • the clamping height h of the two jaws 2 on the clamping faces 4 of the ceramic block 1 must be minimal but sufficient to ensure the immobilization of the ceramic block 1, and for example equal to at least 3 mm for a lower block height or equal to 30mm, and beyond this height, equal to at least 10% of the height of said block.
  • the height H of the two jaws 2 must be large and at least equal to 70 mm to facilitate the accessibility of the machining tools to the different faces of the ceramic block 1, and in particular to its underside.
  • the tightening of the ceramic block 1 must be controlled to apply a weak but sufficient clamping force, by example between 1 kN and 5 kN.
  • a torque wrench will be used to tighten the two jaws 2 according to the arrows F.
  • the values indicated above are given by way of example and have no limiting effect.
  • the method of mounting the ceramic block 1 on a machining machine may vary according to the shape of said block. By way of example, if it is cylindrical, a cylindrical chuck will be used and the peripheral base of said block may serve as a reference surface.
  • the machining of the ceramic block 1 is started by producing a reference surface 5 which will allow disassembly and reassembly of the ceramic block 1 with a precision of at most 0.05 mm.
  • a reference surface 5 which will allow disassembly and reassembly of the ceramic block 1 with a precision of at most 0.05 mm.
  • a first machining step can then be performed on a first portion of the ceramic block 1 to produce a first machined surface 6 (see FIG. figure 2 ).
  • this first machined surface 6 was made on the left side (in the figure) of the ceramic block 1 by releasing the corresponding angle of the block and in particular creating cavities 7.
  • the ceramic block 1 Prior to this application, the ceramic block 1 must preferably be cleaned and degreased to remove dust and machining oil and thus allow the adhesion of the stiffening solution to the surface of the ceramic block 1. For this cleaning phase, an automatic washing device adapted to prevent any degradation of the ceramic can be used.
  • the stiffening solution is then applied at least to the first machined surface 6, taking care to fill the cavities 7.
  • This stiffening solution which is preferably a machining glue, can be applied by any suitable means in a or several applications.
  • the thickness of the reinforcing layer 8 obtained must be at least equal to 2 mm to obtain the expected stiffening effect.
  • the stiffening solution can be applied when it is in the liquid state by means of a brush or by gravity by pouring it from a determined height not too high, of the order of a few centimeters, from a container containing a quantity sufficient solution. This technique for applying a stiffening solution in the liquid state is the most suitable for filling cavities 7 more than 2 mm deep.
  • any other method of application may of course be suitable according to the geometry of the machined surface 6 to be stiffened and according to the fluidity of the stiffening solution.
  • the stiffening solution must be able to be cleaned in order to be removed from the ceramic block 1 after machining. If it does not have this faculty, its residues must not make impossible the use nor the functions of the obtained ceramic core. It must also retain its stiffening properties up to a temperature of at least 50 ° C, corresponding to the temperature rise experienced by the ceramic block 1 during machining even with lubrication.
  • Suitable stiffening solutions are, by way of example, existing machining glues such as the adhesive pastes sold under the names Araldite 2011 and Araldite 2012, the machining glue sold under the name Rigidax by the company Paramelt, or any other stiffening solution in pasty or semi-fluid form, adhesive or not, having the following particular characteristics: it must be machinable and dissoluble without causing the dissolution of the ceramic on which it is applied.
  • the solvents which exist and which make it possible to dissolve these machining glues, adhesive pastes or any other stiffening solution may be, by way of example, a universal paint sold under the name Syntilor Chrono 10, a gelled spray cleaner marketed under the acronym 1310, a foaming cleaner sold under the name Sansil, etc. These examples are of course not limiting.
  • the figure 3 illustrates the ceramic block 1 remaining after the second machining step of the process which has been carried out on the right side (in the figure) of the block and during which the corresponding angle of the block has been made to create a second surface of the block.
  • machining 9 This second machining surface 9 is substantially located opposite or at the rear of the first machining surface 6.
  • the terms "opposite” and “rear” must not be interpreted in a restrictive sense .
  • the second machined surface may be the back of the first machined surface forming the front of the core, or the inner face of the first machined surface forming the outer face of the core.
  • the forces and vibrations induced in the ceramic block 1 by the cutting tool or tools are directed towards the first machined surface 6 and may cause breaks in the block However, they will have no detrimental effect on the first machined surface 6 nor on the cavities 7 since they have been protected and filled by the reinforcing layer 8.
  • a stiffening solution for forming a second reinforcing layer 11 at the rear of the third surface 10 to be machined As explained above, the remaining ceramic block 1 must be cleaned and degreased to remove dust and machining oil and thus allow the adhesion of the stiffening solution to the surface of the ceramic block 1. It is applied then the stiffening solution in the angle formed between the first machined surface 6 and the remaining portion of the ceramic block 1 opposite the third surface 10 to be machined.
  • This second reinforcing layer 11 thus allows the maintenance of the core 20 obtained after calibration during a third machining step, namely after separation between the core 20 obtained and the remaining portion of the ceramic block 1 commonly called a heel.
  • the figure 4 illustrates the last step of the manufacturing method according to the invention which corresponds to the cleaning of the core 20 obtained after the third machining step which made it possible to machine the third surface 10 separating the core 20 from the ceramic block 1.
  • the heel of the ceramic block 1 is turned by a quarter turn and held vertically by a holding flange 12.
  • a bracket 13 arranged to support the core 20 by any suitable suspension means such as a link 14 which can pass through the openings of the core 20 to retain it when the stiffening solution has melted.
  • the assembly is placed in a recovery tank 15 resistant at least to a temperature of the order of 200 ° C.
  • the whole is placed in an oven, an oven or the like for at least 3h at least 120 ° C to cause the fusion of the stiffening solution 16 which will flow from the core 20 and the remaining ceramic block 1, by gravity in the bottom of the receiving tray 15.
  • the core 20 will be positioned in such a way that the stiffening solution flows without defiling the areas of the core 20 that were not provided with it. Similarly, we will have the link 14 through the core 20 so as not to damage it.
  • the stiffening solution recovered in the receiving pan 15 can be recycled one or more times according to its degree of impurities.
  • any other assembly and / or technical means for removing the stiffening solution 16 of the machined ceramic core 20 may be suitable.
  • the core can be immersed in a solvent bath.
  • machining the different surfaces of the ceramic block 1 from the top to the low, which preserves the rigidity of said block and use natural diamond cutting tools or super-abrasive type PCD or CBN.
  • the machining operations can be carried out dry or with a soluble cutting oil or other suitable lubricant.
  • the use of a cutting oil reduces the wear of the cutting tool but requires cleaning the ceramic block 1 before each application of the stiffening solution.
  • the cutting conditions must also be adapted to the rigidity of the ceramic block 1 and the core 20 to be machined. If it is not very hollow, of the order of approximately 30% of vacuum, it is possible to maintain high machining conditions, for example greater than 300m / min until the last machining step.
  • the machining conditions should be divided by at least 2. It is still possible to complete the machining of the ceramic block 1 by traditional cutting tools with an ultrasonic pin to machine the weakest parts of the core 20, as for example the milling center Tongtai VU-5 .
  • the invention achieves the goals set, namely the manufacture of a ceramic core only by mechanical machining and without going through a molding step, to greatly shorten the time of completion and reduce production costs.
  • the method of the invention thus allows to consider new developments of faster parts.

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Abstract

La présente invention un procédé de fabrication d'un noyau (20) céramique de fonderie dans lequel l'on fabrique ledit noyau (20) par usinage d'un bloc de matière (1) en céramique cuite, par enlèvement mécanique de matière, l'opération d'usinage comportant au moins une première étape d'usinage pour réaliser une première surface usinée (6, 7) dans ledit bloc de matière (1), et une deuxième étape d'usinage pour réaliser une deuxième surface usinée (9) dans ledit bloc de matière (1), sensiblement à l'opposé de ladite première surface usinée (6) et, préalablement à ladite deuxième étape d'usinage, l'on applique sur tout ou partie de ladite première surface usinée (6, 7) une couche de renfort (8) dans une solution de rigidification pour protéger de la casse ledit bloc de matière (1) pendant la deuxième étape d'usinage.

Description

    Domaine technique :
  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un noyau céramique de fonderie pour la fabrication d'une pièce creuse à cavité complexe par fonderie à la cire perdue, telle qu'un rotor ou un stator de turbine à gaz, de moteur d'avion, de réacteur, une tuyère de combustion ou similaire, ledit noyau étant une image de la cavité complexe de la pièce creuse à fabriquer.
    • Technique antérieure :
  • La technique de fabrication de pièces métalliques par fonderie de précision à la cire perdue est largement répandue et utilisée tout particulièrement pour fabriquer des pièces métalliques creuses de précision, pouvant avoir des formes intérieures et extérieures très complexes, telles qu'à titre d'exemple des rotors et des stators de turbines à gaz, de moteurs d'avion, de réacteurs, des tuyères de combustion, etc., ces pièces étant utilisées dans des domaines divers tels que l'énergie, l'aéronautique, l'aérospatial, etc. Ces pièces sont très techniques et leurs formes intérieures et extérieures sont dictées par des contraintes aérauliques. Elles sont évidées pour des questions de poids mais surtout pour abriter un réseau de canaux intérieurs permettant la circulation d'un fluide de refroidissement. Ces exemples ne sont bien entendu pas limitatifs.
  • Cette technique de fabrication par fonderie à la cire perdue est très complexe à mettre en oeuvre et nécessite une pluralité d'étapes de fabrication intermédiaires chacune complexe et fastidieuse à réaliser, rendant ce procédé de fabrication particulièrement long et coûteux. Ainsi, toute nouvelle pièce à fabriquer, ou toute modification ou évolution que l'on souhaite apporter à une pièce existante, demande un délai très long préjudiciable en phase de recherche et développement pour générer de nouvelles pièces et optimiser les caractéristiques aérodynamiques, aérauliques, etc. desdites pièces.
  • Une des étapes de ce procédé de fabrication par fonderie à la cire perdue consiste à fabriquer un noyau céramique présentant une géométrie complexe et des parois ou cloisons qui peuvent être très fines, de l'ordre du millimètre, puisque ce noyau doit être évidé et ajouré pour pouvoir définir le volume intérieur exact et précis de la pièce creuse à fabriquer. Ce noyau céramique est de préférence réalisé en une matière céramique technique ou en toute autre matière compatible, c'est-à-dire qui possède une grande résistance mécanique et une forte dureté et qui résiste à des températures très élevées compte tenu de la température de fusion des métaux et alliages métalliques qui sont de l'ordre de 1500°C. De plus, cette matière céramique technique ou similaire doit pouvoir se dissoudre chimiquement pour pouvoir libérer le la cavité intérieure complexe de la pièce creuse obtenue après fonderie. Ce noyau céramique est destiné à être noyé dans une ébauche en cire obtenue par moulage et dont la géométrie extérieure définit le volume extérieur de la pièce creuse à fabriquer. L'ébauche en cire est trempée dans un bain de céramique pour l'enrober d'une carapace en céramique dure. La carapace en céramique est montée en température jusqu'à la température de fusion de la cire permettant le retrait de la cire qui s'écoule de la carapace en laissant à l'intérieur de la carapace un volume en négatif défini entre la paroi intérieure de la carapace et la paroi extérieure du noyau intérieur. Le métal en fusion est ensuite coulé à l'intérieur de la carapace en céramique. Après refroidissement, la carapace céramique extérieure et le noyau intérieur sont retirés par décochage pour dégager la pièce creuse obtenue. La technique de fonderie permet d'obtenir des pièces finies de qualité sans opération de finition ultérieure.
  • Classiquement, les noyaux de coulée en céramique sont fabriqués par moulage dans un moule à multi-tiroirs. La fabrication du moule est particulièrement fastidieuse car les empreintes, qui sont les images négatives du noyau à réaliser, sont très complexes et rendent la conception du moule et sa fabrication très coûteuse et très longue. Uniquement à titre d'exemple, le temps moyen de fabrication d'un tel moule est d'environ un an et représente un investissement d'environ un million d'euros.
  • Différents procédés de fabrication ont été développés pour résoudre en partie ces inconvénients et tenter de réduire la durée et le coût de fabrication des moules et par voie de conséquence le coût de production des noyaux de coulée en céramique.
  • Une des techniques consiste à prévoir une étape d'usinage par contact d'une ébauche de noyau en céramique préalablement moulée, avec ou sans évidement intérieur. Cette étape d'usinage permet soit d'usiner l'évidement en tant que tel, soit de parfaire l'évidement intérieur déjà réalisé en partie par moulage, soit d'ébavurer l'ébauche obtenue. Selon que l'étape d'usinage est réalisée sur une céramique crue et souple, c'est-à-dire avant cuisson, ou sur une céramique cuite et dure, elle peut être effectuée soit par enlèvement de matière tel que par fraisage ou par abrasion, comme les exemples décrits dans les publications FR 2 878 458 A1 , FR 2 930 188 A1 et FR 2 900 850 A1 . Une autre technique consiste à prévoir une étape d'usinage sans contact d'une ébauche de noyau en céramique préalablement moulée, cette étape d'usinage étant réalisée sur une céramique cuite, par laser ou ultrasons pour parfaire les caractéristiques dimensionnelles dudit noyau, tels que les exemples décrits dans les publications US 5 465 780 A et WO 97/02914 A1 .
  • Ces techniques d'usinage par contact ou sans contact ne permettent toutefois pas de s'affranchir de l'étape de moulage préalable d'une ébauche de noyau en céramique, imposant les contraintes évoquées ci-dessus. Le temps nécessaire et l'investissement des moules ne sont donc pas réduits de manière substantiels.
  • Avec l'avènement de la fabrication additive, de nouvelles techniques ont vu le jour permettant de fabriquer des noyaux en céramique sur des machines d'impression 3D à partir de modèles de noyaux 3D numérisés, tels que les exemples décrits dans les publications DE102008037534 A1 et DE 102005021664 A1 . Toutefois, les matières compatibles avec cette nouvelle technique posent des soucis de retrait après fonderie car elles sont difficiles à dissoudre. En effet, elles ne correspondent pas aux céramiques actuellement qualifiées pour la fonderie à la cire perdue de pièces creuses en série car leur composition a été obtenue de manière empirique dans les procédés traditionnels, et n'a pas encore pu être reproduite en impression 3D. De plus, le coût d'obtention d'un noyau céramique en impression 3D est d'environ vingt fois supérieur à celui obtenu par moulage. Ce coût est totalement prohibitif et en dehors du prix que le marché est prêt à accepter. En effet, il n'y a pas à ce jour de noyau céramique obtenu par impression 3D qualifié sur une pièce « série », ce qui prouve l'inadéquation de cette solution.
  • La publication WO 2015/051916 A1 propose d'usiner sur une machine à commande numérique le noyau céramique ainsi que l'ébauche externe en cire perdue disposée autour dudit noyau sans toutefois préciser le mode opératoire compte tenu des difficultés d'usinage dudit noyau.
    • Exposé de l'invention :
  • La présente invention propose un nouveau procédé de fabrication permettant de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus, d'écourter sensiblement le processus de fabrication des noyaux céramique pour la fonderie à cire perdue, et de réduire corrélativement le coût d'investissement, dans le but de réduire le cycle et le cout de développement de nouvelles pièces de turbines à gaz, de moteurs d'avion, de réacteurs, de tuyères de combustion et de toute pièce creuse à cavité complexe, d'apporter une souplesse dans la gestion de projets industriels, d'autoriser une évolution de la géométrie des pièces déjà existantes. A titre d'exemple uniquement, la durée de mise au point du procédé de fabrication selon l'invention peut être divisé par un coefficient de 10 et son coût par un coefficient de 40 par rapport au procédé de moulage classique. Ce nouveau procédé de fabrication permet en outre la réalisation de préséries ainsi que la fabrication de pièces à la demande.
  • Dans ce but, l'invention concerne un procédé de fabrication du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que l'on fabrique ledit noyau par usinage d'un bloc de matière céramique cuite par enlèvement mécanique de matière, en ce que l'opération d'usinage comporte au moins une première étape d'usinage pour réaliser une première surface usinée dans ledit bloc de matière, et une deuxième étape d'usinage pour réaliser une deuxième surface usinée dans ledit bloc de matière, sensiblement à l'opposé de ladite première surface usinée, et en ce que, préalablement à ladite deuxième étape d'usinage, l'on applique sur tout ou partie de ladite première surface usinée une couche de renfort dans une solution de rigidification pour protéger de la casse ledit bloc de matière pendant la deuxième étape d'usinage et l'on attend la solidification de ladite couche de renfort avant d'entamer la deuxième étape d'usinage.
  • Ainsi, ce procédé de fabrication par usinage va à l'encontre d'un préjugé qui consiste à dire que l'usinage d'un noyau en céramique par enlèvement mécanique de matière est difficile voire impossible. A titre d'exemple, les publications US 5 565 780 A et WO 2001/89738 A1 indiquent clairement l'impossibilité d'un tel usinage par des techniques traditionnelles qui mettent en oeuvre un outil d'usinage en contact avec le noyau, ainsi que la taille limite des usinages en deçà de laquelle il est impossible d'utiliser un outil de coupe. En effet, ce noyau devant être évidé et ajouré de manière importante, le vide pouvant représenter plus de 30% dudit noyau, et ses parois ou cloisons restantes étant souvent très fines, de l'ordre du millimètre, le noyau est particulièrement fragile et cassant. Aussi, l'usinage mécanique par contact ne peut être obtenu sans détériorer ni casser en partie ou en totalité le noyau en céramique du fait des vibrations que l'outil de coupe engendrent à l'intérieur du noyau qui provoquent la rupture des zones fragilisées.
  • Si l'opération d'usinage comporte plusieurs étapes d'usinage, alors l'on renouvelle l'application d'une couche de renfort avant chaque nouvelle étape d'usinage sur tout ou partie d'une surface dudit bloc de matière sensiblement opposée à ladite nouvelle surface à usiner.
  • Préalablement à l'application de ladite couche de renfort, l'on peut nettoyer et dégraisser ledit bloc de matière pour favoriser l'accroche de ladite solution de rigidification.
  • L'on peut utiliser comme solution de rigidification avantageusement une colle d'usinage à l'état liquide ou semi-liquide, ayant des propriétés usinables et dissolubles. Et l'on peut appliquer ladite couche de renfort en une ou plusieurs applications de solution de rigidification.
  • Selon la surface à renforcer sur ledit bloc de matière, l'on peut appliquer ladite solution de rigidification au moyen d'un pinceau, ou par gravité en versant ladite solution sur ledit bloc de matière.
  • Pour usiner ledit noyau dans ledit bloc de matière, l'on utilise avantageusement un centre d'usinage multiaxe à commande numérique, et des outils de coupe en diamant.
  • Pour usiner ledit noyau dans ledit bloc de matière, l'on utilise de manière préférentielle un bloc de matière comportant au moins deux faces opposées parallèles agencées pour former deux faces de serrage sur lesquelles s'appliquent les mors d'un étau de serrage d'une machine d'usinage.
  • Préalablement à l'opération d'usinage dudit noyau, l'on usine avantageusement dans ledit bloc de matière au moins une surface de référence permettant de démonter et de remonter ledit bloc de matière sur une machine d'usinage en respectant une précision inférieure à 0,05mm.
  • De manière préférentielle, après l'opération d'usinage dudit noyau, l'on procède au retrait de la ou des couches de renfort. Pour procéder à ce retrait, l'on peut tremper ledit noyau dans un bain de dissolvant, ou soumettre ledit noyau à une température correspondante à la température de fusion de la solution de rigidification.
  • Dans ce cas, l'on suspend ledit noyau à une potence pour permettre le retrait de la solution de rigidification fondue par écoulement gravitaire.
    • Description sommaire des dessins :
  • La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels les figures 1 à 4 représentent schématiquement et en vue de face plusieurs étapes d'un procédé de fabrication d'un noyau céramique en céramique selon l'invention, dans lesquels la figure 1 illustre le montage d'un bloc de céramique entre deux mors de serrage d'une machine d'usinage pour usiner une première face d'une ébauche dudit noyau, la figure 2 illustre l'application d'une solution de rigidification sur la première face usinée de l'ébauche, la figure 3 illustre l'usinage d'une seconde face de l'ébauche dudit noyau, située à l'opposé de la première face usinée et rigidifiée, et la figure 4 illustre le retrait de la solution de rigidification après l'usinage de la seconde face de l'ébauche.
    • Illustrations de l'invention et meilleure manière de la réaliser :
  • Le procédé de fabrication d'un noyau céramique 10 en matière céramique ou similaire selon l'invention s'effectue par usinage mécanique dudit noyau directement dans la masse d'un bloc de céramique technique usinable destiné à la fonderie de précision, l'usinage s'effectuant par enlèvement de matière au moyen d'un ou de plusieurs outils de coupe sur une machine d'usinage traditionnelle. Cette machine d'usinage peut être à titre d'exemple un centre d'usinage multiaxe à commande numérique permettant la réalisation d'une pluralité de formes simples à très complexes. Bien entendu, tout autre type de machine d'usinage mécanique peut convenir. Dans l'exemple de réalisation décrit ci-après, on a utilisé un centre de fraisage à cinq axes qui permet d'usiner des formes complexes, très courantes dans les noyaux en céramique. Il existe bien entendu des centres d'usinage équipés spécifiquement pour usiner des céramiques et qui permettent d'améliorer la productivité, mais leur coût n'est pas toujours amortissable.
  • Plus particulièrement et en référence à la figure 1, le procédé de fabrication comporte une étape de montage d'un bloc de céramique 1 entre deux mors 2 d'un étau de serrage 3 d'une machine d'usinage (non représentée) dans le sens des flèches F. Le bloc de céramique 1 est un brut de céramique technique usinable, à savoir un bloc de céramique cuite, qui présente à titre d'exemple une dureté équivalente ou comparable à celle des composites chargés de fibres de verre. Ce bloc de céramique 1 peut avoir une forme parallélépipédique comme illustrée, ou toute autre forme en fonction de la forme générale du noyau 20 à usiner, tel que par exemple un polyèdre, un cylindre. Le positionnement et l'indexage du bloc de céramique 1 sur la machine d'usinage sont importants pour assurer la précision des différentes étapes d'usinage quel que soit le nombre de démontage et de remontage dudit bloc. Ainsi, lorsque le bloc de céramique 1 est parallélépipédique, il doit présenter deux faces de serrage 4 opposées et parallèles moyennant une précision par exemple au plus égale à 0,1mm. La hauteur h de serrage des deux mors 2 sur les faces de serrage 4 du bloc de céramique 1 doit être minimale mais suffisante pour assurer l'immobilisation du bloc de céramique 1, et par exemple égale à au moins 3mm pour une hauteur de bloc inférieure ou égale à 30mm, et au-delà de cette hauteur, égale à au moins 10% de la hauteur dudit bloc. La hauteur H des deux mors 2 doit être importante et au moins égale à 70mm pour faciliter l'accessibilité des outils d'usinage aux différentes faces du bloc de céramique 1, et notamment à sa face inférieure. Le serrage du bloc de céramique 1 doit être maîtrisé pour appliquer une force de serrage faible mais suffisante, par exemple entre 1 kN et 5 kN. On utilisera à cet effet une clé dynamométrique pour serrer les deux mors 2 selon les flèches F. Les valeurs indiquées ci-dessus le sont à titre d'exemple et n'ont pas d'effet limitatif. De même, le mode de montage du bloc de céramique 1 sur une machine d'usinage peut varier en fonction de la forme dudit bloc. A titre d'exemple, s'il est cylindrique, on utilisera un mandrin de serrage cylindrique et la base périphérique dudit bloc pourra servir de surface de référence.
  • On démarre l'usinage du bloc de céramique 1 en réalisant une surface de référence 5 qui permettra un démontage et un remontage du bloc de céramique 1 moyennant une précision d'au plus 0,05mm. Dans l'exemple illustré, on pourra choisir au moins la face inférieure et une des faces de serrage 4 du bloc de céramique 1 en tant que surface de référence 5 qui a l'avantage de rester accessible et disponible jusqu'à la dernière étape du processus d'usinage. On peut ensuite procéder à une première étape d'usinage sur une première partie du bloc de céramique 1 pour réaliser une première surface usinée 6 (voir figure 2).
  • En référence à la figure 2, on a réalisé cette première surface usinée 6 du côté gauche (sur la figure) du bloc de céramique 1 en dégageant l'angle correspondant du bloc et en créant notamment des cavités 7. Après cette première étape d'usinage et avant d'effectuer la prochaine étape d'usinage, on va rigidifier la surface usinée 6 par application d'une solution de rigidification pour former une couche de renfort 8 et on attendra la solidification de cette couche de renfort 8 avant d'entamer la deuxième étape d'usinage. Préalablement à cette application, le bloc de céramique 1 doit être de préférence nettoyé et dégraissé pour le débarrasser des poussières et de l'huile d'usinage et permettre ainsi l'adhérence de la solution de rigidification à la surface du bloc de céramique 1. Pour cette phase de nettoyage, on peut utiliser un dispositif de lavage automatique adapté pour éviter toute dégradation de la céramique. On applique ensuite la solution de rigidification au moins sur la première surface usinée 6 en prenant soin de remplir les cavités 7. Cette solution de rigidification, qui est de préférence une colle d'usinage, peut être appliquée par tout moyen approprié en une ou plusieurs applications. L'épaisseur de la couche de renfort 8 obtenue doit être au moins égale à 2mm pour obtenir l'effet de rigidification escompté. On peut appliquer la solution de rigidification lorsqu'elle est à l'état liquide au moyen d'un pinceau ou par gravité en la versant depuis une hauteur déterminée pas trop élevée, de l'ordre de quelques centimètres, depuis un récipient contenant une quantité suffisante de solution. Cette technique d'application d'une solution de rigidification à l'état liquide est la plus adaptée pour remplir des cavités 7 de plus de 2mm de profondeur. Toute autre méthode d'application peut bien entendu convenir selon la géométrie de la surface usinée 6 à rigidifier et selon la fluidité de la solution de rigidification. La solution de rigidification doit pouvoir être nettoyée pour pouvoir être retirée du bloc de céramique 1 après usinage. Si elle n'a pas cette faculté, ses résidus ne doivent pas rendre impossible l'utilisation ni les fonctions du noyau céramique obtenu. Elle doit également conserver ses propriétés de rigidification jusqu'à une température d'au moins égale à 50°C, correspondant à l'élévation de température que subit le bloc de céramique 1 en cours d'usinage même avec une lubrification.
  • Les solutions de rigidification adaptées sont à titre d'exemple des colles d'usinage existantes telles que les pâtes adhésives commercialisées sous les dénominations Araldite 2011 et Araldite 2012, la colle d'usinage commercialisée sous la dénomination Rigidax par la société Paramelt, ou toute autre solution de rigidification sous forme pâteuse ou semi-fluide, adhésive ou non, ayant les caractéristiques particulières suivantes : elle doit être usinable et dissoluble sans provoquer la dissolution de la céramique sur laquelle elle est appliquée. Les dissolvants qui existent et qui permettent de dissoudre ces colles d'usinage, pâtes adhésives ou toute autre solution de rigidification peuvent être à titre d'exemple un décapant universel commercialisé sous la dénomination Syntilor Chrono 10, un décapant gélifié en aérosol commercialisé sous le sigle 1310, un décapant moussant commercialisé sous la dénomination Sansil, etc. Ces exemples ne sont bien entendu pas limitatifs.
  • La figure 3 illustre le bloc de céramique 1 restant après la deuxième étape d'usinage du procédé qui a été réalisée du côté droit (sur la figure) du bloc et au cours de laquelle on a dégagé l'angle correspondant du bloc pour créer une deuxième surface d'usinage 9. Cette deuxième surface d'usinage 9 est sensiblement située à l'opposé ou à l'arrière de la première surface d'usinage 6. Les termes « opposé » et « arrière » ne doivent pas être interprétés dans un sens restrictif. A titre d'exemple, la deuxième surface usinée peut être le verso de la première surface usinée formant le recto du noyau, ou la face intérieure de la première surface usinée formant la face extérieure du noyau. Ainsi, en cours d'usinage, les forces et vibrations induites dans le bloc de céramique 1 par le ou les outils de coupe (non représentés) sont dirigées en direction de la première surface usinée 6 et susceptibles d'engendrer des ruptures dans le bloc de céramique 1. Toutefois, elles n'auront aucun effet néfaste sur la première surface usinée 6 ni sur les cavités 7 étant donné qu'elles ont été protégées et comblées par la couche de renfort 8.
  • A l'issue de cette deuxième étape d'usinage et avant de réaliser la prochaine étape d'usinage consistant à usiner une troisième surface 10 pour séparer le noyau 20 du bloc de céramique 1 restant, on applique une nouvelle fois une solution de rigidification pour former une deuxième couche de renfort 11 à l'arrière de la troisième surface 10 à usiner. Comme expliqué précédemment, le bloc de céramique 1 restant doit être nettoyé et dégraissé pour le débarrasser des poussières et de l'huile d'usinage et permettre ainsi l'adhérence de la solution de rigidification à la surface du bloc de céramique 1. On applique ensuite la solution de rigidification dans l'angle formé entre la première surface usinée 6 et la partie restante du bloc de céramique 1 à l'opposé de la troisième surface 10 à usiner. Cette deuxième couche de renfort 11 permet ainsi le maintien du noyau 20 obtenu après détalonnage lors d'une troisième étape d'usinage, à savoir après la séparation entre le noyau 20 obtenu et la partie restante du bloc de céramique 1 appelée communément un talon.
  • La figure 4 illustre la dernière étape du procédé de fabrication selon l'invention qui correspond au nettoyage du noyau 20 obtenu après la troisième étape d'usinage ayant permis d'usiner la troisième surface 10 séparant le noyau 20 du bloc de céramique 1. Dans cet exemple, le talon du bloc de céramique 1 est retourné d'un quart de tour et maintenu verticalement par une bride de maintien 12. Face à la bride de maintien 12, est prévue une potence 13 agencée pour supporter le noyau 20 par tout moyen de suspension adapté telle qu'un lien 14 qui peut passer à travers les ouvertures du noyau 20 pour le retenir lors que la solution de rigidification aura fondu. L'ensemble est disposé dans un bac de récupération 15 résistant au moins à une température de l'ordre de 200°C. Le tout est placé dans un four, une étuve ou similaire, pendant au moins 3h à au moins 120°C pour provoquer la fusion de la solution de rigidification 16 qui va s'écouler du noyau 20 et du bloc de céramique 1 restant, par gravité dans le fond du bac de réception 15. On positionnera le noyau 20 de manière telle que la solution de rigidification s'écoule sans souiller les zones du noyau 20 qui n'en n'étaient pas pourvues. De même, l'on disposera le lien 14 au travers du noyau 20 de manière à ne pas le détériorer. La solution de rigidification récupérée dans le bac de réception 15 peut être recyclée une ou plusieurs fois selon son degré d'impuretés. Bien entendu, tout autre montage et/ou moyen technique permettant d'éliminer la solution de rigidification 16 du noyau céramique 20 usiné peut convenir. On peut à titre d'exemple plonger le noyau 20 dans un bain de dissolvant.
  • La description qui vient d'être faite du procédé de fabrication selon l'invention en référence aux dessins annexés est basée sur un exemple de mise en oeuvre et de réalisation d'un noyau très simplifié et schématisé à l'extrême. L'essentiel de l'invention réside dans le fait d'appliquer régulièrement, voir à chaque étape du processus d'usinage, une solution de rigidification sur les zones usinées donc fragilisées du bloc de céramique 1 pour éviter la casse de la céramique.
  • D'autres précautions additionnelles peuvent être également recommandées. Il s'agit notamment d'usiner les différentes surfaces du bloc de céramique 1 du haut vers le bas, ce qui permet de préserver la rigidité dudit bloc, et d'utiliser des outils de coupe en diamant naturel ou en super abrasifs de type PCD ou CBN. L'on peut effectuer les opérations d'usinage à sec ou avec une huile de coupe soluble ou tout autre lubrifiant adapté. L'utilisation d'une huile de coupe permet de réduire l'usure de l'outil de coupe mais nécessite de nettoyer le bloc de céramique 1 avant chaque application de la solution de rigidification. Les conditions de coupe doivent également être adaptées à la rigidité du bloc de céramique 1 et au noyau 20 à usiner. S'il est peu évidé, de l'ordre d'environ 30% de vide, il est possible de maintenir des conditions d'usinage élevées par exemple supérieures à 300m/mn jusqu'à la dernière étape d'usinage. Si le noyau 20 est très évidé, par exemple au-delà de 30% de vide, alors il convient de diviser par au moins 2 les conditions d'usinage. Il est encore possible de compléter l'usinage du bloc de céramique 1 par des outils de coupe traditionnels par une broche à ultrasons pour usiner les parties les plus fragiles du noyau 20, comme à titre d'exemple le centre de fraisage Tongtai VU-5.
    • Possibilités d'application industrielle :
  • Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir la fabrication d'un noyau céramique uniquement par usinage mécanique et sans passer par une étape de moulage, permettant de raccourcir considérablement les délais de réalisation et de réduire les coûts de production. Le procédé selon l'invention permet ainsi d'envisager des nouveaux développements de pièces plus rapides.
  • La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier. Notamment, les données chiffrées ne sont que des exemples et sont issues des essais réalisés à ce jour pour valider ledit procédé. Ils n'ont aucun effet limitatif sur l'étendue de l'invention.

Claims (15)

  1. Procédé de fabrication d'un noyau (20) céramique de fonderie pour la fabrication d'une pièce creuse à cavité complexe par fonderie à la cire perdue, telle qu'un rotor ou un stator de turbine à gaz, de moteur d'avion, de réacteur, une tuyère de combustion ou similaire, ledit noyau (20) étant une image de la cavité complexe de la pièce creuse à fabriquer, caractérisé en ce que l'on fabrique ledit noyau (20) par usinage d'un bloc de matière (1) en céramique cuite, ledit usinage étant effectué par enlèvement mécanique de matière au moyen d'un outil de coupe, en ce que l'opération d'usinage comporte au moins une première étape d'usinage pour réaliser une première surface usinée (6, 7) dans ledit bloc de matière (1), et une deuxième étape d'usinage pour réaliser une deuxième surface usinée (9) dans ledit bloc de matière (1), sensiblement à l'opposé de ladite première surface usinée (6, 7), et en ce que, préalablement à ladite deuxième étape d'usinage, l'on applique sur tout ou partie de ladite première surface usinée (6, 7) une couche de renfort (8, 11) dans une solution de rigidification pour protéger de la casse ledit bloc de matière (1) pendant la deuxième étape d'usinage et l'on attend la solidification de ladite couche de renfort (8, 11) avant d'entamer la deuxième étape d'usinage.
  2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération d'usinage comporte plusieurs étapes d'usinage et en ce que l'on renouvelle l'application d'une couche de renfort (8, 11) avant chaque nouvelle étape d'usinage sur tout ou partie d'une surface dudit bloc de matière (1) sensiblement opposée à ladite nouvelle surface à usiner.
  3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, préalablement à l'application de ladite couche de renfort (8, 11), l'on nettoie et l'on dégraisse ledit bloc de matière (1) pour favoriser l'accroche de ladite solution de rigidification.
  4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise comme solution de rigidification une colle d'usinage à l'état liquide ou semi-liquide, ayant des propriétés usinables et dissolubles.
  5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on applique ladite couche de renfort (8, 11) en une ou plusieurs applications de solution de rigidification.
  6. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on applique ladite solution de rigidification au moyen d'un pinceau sur ledit bloc de matière (1).
  7. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on applique ladite solution de rigidification par gravité en versant ladite solution sur ledit bloc de matière (1).
  8. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour usiner ledit noyau (20) dans ledit bloc de matière (1), l'on utilise un centre d'usinage multiaxe à commande numérique.
  9. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour usiner ledit noyau (20) dans ledit bloc de matière (1), l'on utilise des outils de coupe en diamant.
  10. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour usiner ledit noyau (20) dans ledit bloc de matière (1), l'on utilise un bloc de matière (1) comportant au moins deux faces opposées parallèles agencées pour former deux faces de serrage (4) sur lesquelles s'appliquent les mors (2) d'un étau de serrage (3) d'une machine d'usinage.
  11. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, préalablement à l'opération d'usinage dudit noyau (20), l'on usine dans ledit bloc de matière (1) au moins une surface de référence (5) permettant de démonter et de remonter ledit bloc de matière (1) sur une machine d'usinage en respectant une précision inférieure à 0,05mm.
  12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après l'opération d'usinage dudit noyau (20), l'on procède au retrait de la ou des couches de renfort (8, 11).
  13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que, pour procéder au retrait de la ou des couches de renfort (8, 11), l'on trempe ledit noyau (20) dans un bain de dissolvant.
  14. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que, pour procéder au retrait de la ou des couches de renfort (8, 11), l'on soumet ledit noyau (20) à une élévation de température jusqu'au moins la température de fusion de la solution de rigidification.
  15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on suspend ledit noyau (20) à une potence pour permettre le retrait de la solution de rigidification fondue par écoulement gravitaire.
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