FR3102378A1 - Procédé de fabrication d’une aube en matériau composite avec bord d’attaque métallique rapporté - Google Patents

Procédé de fabrication d’une aube en matériau composite avec bord d’attaque métallique rapporté Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d’une aube en matériau composite avec bord d’attaque métallique rapporté Un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite à bord d’attaque métallique rapporté pour moteur aéronautique à turbine à gaz, le procédé comprenant :- réalisation d’un lot d’une pluralité d’aubes nues (10) en matériau composite,- création d’un modèle numérique d’aube nue à partir d’une aube du lot de pluralité d’aubes nues,- création d’un modèle numérique d’une aube finale théorique comprenant un bord d’attaque,- génération d’un modèle numérique de bord d’attaque à partir du modèle numérique d’aube nue et du modèle d’aube finale,- fabrication par fabrication additive d’au moins un bord d’attaque (21) à partir du modèle numérique de bord d’attaque généré,- collage de chaque bord d’attaque fabriqué (21) sur une aube nue du lot de la pluralité d’aubes nues (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 3.

Description

Procédé de fabrication d’une aube en matériau composite avec bord d’attaque métallique rapporté
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d’aubes pour moteur aéronautique à turbine à gaz en matériau composite comprenant un bord d’attaque métallique.
La présence d’un bord d’attaque métallique sur une aube de moteur aéronautique à turbine à gaz réalisée en matériau composite permet de protéger l’aubage composite de l’abrasion/érosion et lors de l’impact d’un corps étranger. Ceci est notamment le cas pour les aubes mobiles de soufflante d’une turbomachine aéronautique qui sont exposées à l’ingestion d’un oiseau, de grêle, de glace, etc. mais également pour des aubes fixes de redresseur ou distributeur de turbine à gaz.
Il existe de nombreux procédés pour réaliser une aube de moteur à turbine à gaz en matériau composite. On pourra citer par exemple le procédé manuel de stratifié/drapage, le procédé de moulage par injection d’une préforme fibreuse, le procédé de brodage, le procédé de thermo-compression, etc. Ces procédés sont principalement basés sur l’utilisation d’une résine thermodurcissable (TD) ou thermoplastique (TP).
Une fois l’aube en matériau composite obtenue, il est alors nécessaire d’assembler sur son bord avant un bord d’attaque métallique de protection. A cet effet, le clinquant métallique, qui est réalisé par des procédés mécaniques tels que l’estampage, le formage ou l’électroformage par exemple, est collé sur le bord avant de l’aube en matériau composite. Cette opération peut être réalisée dans un moule assurant le collage du clinquant métallique. Des exemples d’aubes en matériau composite munies d’un bord d’attaque métallique sont notamment décrits dans les documents US 2007/092379 et US 2016/0167269.
Les bords d’attaque rapportés sont généralement réalisés en titane pour des raisons de maîtrise de la masse. La fabrication d’un bord d’attaque métallique avec les techniques actuelles de fabrication est très délicate car le bord d’attaque doit respecter précisément la géométrie complexe du bord avant de l’aube (vrillage, changement de rayon, etc.) et présenter une très bonne tenue mécanique.
En outre, le collage du bord d’attaque métallique sur le bord avant de l’aube en matériau composite est une opération délicate, en particulier en ce qui concerne le contrôle de la reproductibilité de la mise en place et de la répartition du matériau adhésif entre l’aube et le clinquant. Si la couche de matériau adhésif n’est pas uniformément présente entre l’aube et le clinquant, la qualité du collage est dégradée, ce qui entraîne une diminution de la tenue mécanique du clinquant et, par conséquent, un risque de perte du clinquant en cas d’impact avec un objet ou sous sollicitation d’efforts de délaminage.
La présente invention a donc pour but principal de proposer un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite munie d’un bord d’attaque métallique qui ne présente pas les inconvénients précités.
Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite à bord d’attaque métallique rapporté pour moteur aéronautique à turbine à gaz, le procédé comprenant :
- réalisation d’un lot d’une pluralité d’aubes nues en matériau composite,
- création d’un modèle numérique d’aube nue à partir d’une aube du lot de pluralité d’aubes nues,
- création d’un modèle numérique d’une aube finale théorique comprenant un bord d’attaque,
- génération d’un modèle numérique de bord d’attaque à partir du modèle numérique d’aube nue et du modèle d’aube finale,
- fabrication par fabrication additive d’au moins un bord d’attaque à partir du modèle numérique de bord d’attaque généré,
- collage de chaque bord d’attaque fabriqué sur une aube nue du lot de la pluralité d’aubes nues.
Avec le procédé de l’invention, il est ainsi possible de réaliser un bord d’attaque sur-mesure qui s’adapte parfaitement à la géométrie d’une pluralité d’aubes d’un même lot de manière à assurer une épaisseur de colle continue et homogène sur toute l’interface de contact entre le bord d’attaque et l’aube.
Selon une première caractéristique du procédé de l’invention, la création d’un modèle numérique d’une aube finale théorique comprenant un bord d’attaque comprend le calcul de la géométrie de la paroi externe du bord d’attaque à partir du modèle numérique d’une aube finale et le calcul de la géométrie de la paroi interne du bord d’attaque à partir du modèle numérique d’une aube nue.
Selon une deuxième caractéristique du procédé de l’invention, celui-ci comprend en outre, après la génération d’un modèle numérique de bord d’attaque, la vérification de la conformité de l’épaisseur des ailettes du bord d’attaque dans ledit modèle numérique de bord d’attaque et la correction du modèle numérique de bord d’attaque en cas d’épaisseur des ailettes non conformes.
Selon une troisième caractéristique du procédé de l’invention, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque, des repères de positionnement sont réalisés sur le bord d’attaque de manière à faciliter le positionnement du bord d’attaque sur l’aube nue lors du collage dudit bord d’attaque.
Selon une quatrième caractéristique du procédé de l’invention, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque, au moins une marque d’identification est réalisée sur le bord d’attaque. Il est par exemple possible d’intégrer un numéro de série pour chaque bord d’attaque.
Selon une cinquième caractéristique du procédé de l’invention, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque, des motifs en relief sont formés localement sur la paroi interne du bord d’attaque. De tels motifs permettent notamment de faciliter la maîtrise de l’épaisseur de colle sur l’ensemble de l’interface de collage.
Selon une sixième caractéristique du procédé de l’invention, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque, une texturation est réalisée sur la paroi interne du bord d’attaque. Cette texturation permet d’augmenter l’adhérence du bord d’attaque sur l’aube nue.
Selon une septième caractéristique du procédé de l’invention, si le ou les bords d’attaque fabriqués par fabrication additive sont réalisés avec un matériau métallique présentant une densité supérieure à celle du titane, alors, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque, au moins un évidement est réalisé au niveau de la portion de nez du bord d’attaque. Il est ainsi possible de réaliser des bords d’attaque avec un matériau présentant une densité importante tout en maitrisant la masse globale du bord d’attaque.
La figure 1 est une vue schématique en perspective d’une aube en matériau composite munie d’un bord d’attaque métallique rapporté conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La figure 2 est un ordinogramme des étapes de fabrication de l’aube de la figure 1 conformément à un mode de réalisation de l’invention,
La figure 3 est une vue schématique en perspective éclatée montrant l’assemblage d’un bord d’attaque métallique sur une aube nue en matériau composite,
La figure 4 est une vue schématique en coupe du bord d’attaque de la figure 3,
La figure 5 est une vue schématique en coupe d’une variante de réalisation du bord d’attaque de la figure 3.
L’invention s’applique à la réalisation d’aubes en matériau composite pour moteur aéronautique à turbine à gaz ayant un bord d’attaque métallique.
Des exemples non limitatifs de telles aubes sont notamment les aubes de soufflante, les aubes directrices de sortie (appelées OGV pour « Outlet Guide Vane »), les aubes directrices d’entrée (appelées IGV pour « Inlet Guide Vane »), les aubes à angle de calage variable (appelées VSV pour « Variable Stator Vane »), etc.
Un procédé conforme à l’invention va être décrit en relation avec la fabrication d’une aube de soufflante telle que l’aube 100 illustrée sur la figure 1 qui comprend suivant une direction longitudinale DLun pied d’aube 110 et un corps de pale 120 s’étendant suivant une direction transversale DTentre un bord d’attaque 121 et un bord de fuite 122. Le corps de pale 120 comporte également une face intrados 123 et une face extrados 124. Le bord d’attaque 121 est constitué d’un clinquant en matériau métallique collé sur le corps de pale 120. A l’exception du bord d’attaque 121, l’aube 100 est en matériau composite.
Comme illustré sur la figure 2, le procédé de fabrication de l’aube débute par la réalisation d’un lot d’une pluralité d’aubes nues en matériau composite obtenue à partir d’un renfort fibreux densifié par une matrice (étape S1). Par « aube nue », on entend ici un corps d’aube entièrement en matériau composite comprenant la plupart des parties constitutives de l’aube finale, à savoir le pied d’aube et le corps de pale tels que décrits ci-avant, à l’exception du bord d’attaque qui est constitué par un clinquant métallique rapporté sur l’aube nue comme décrit en détails ci-après.
Les aubes nues sont fabriquées à partir d’une préforme fibreuse pouvant être obtenue de différentes façons connues de l’homme du métier. Typiquement, la préforme peut être obtenue directement par tissage tridimensionnel (3D) de fils (formés par exemple de fibres de carbone) ou par drapage de tissus fibreux bidimensionnels. La fabrication d’une aube de soufflante en matériau composite obtenue à partir d’un renfort fibreux réalisé par tissage tridimensionnel et densifié par une matrice est notamment décrite dans le document US 2005/084377. Dans l’exemple décrit ici, la préforme d’aube de soufflante est obtenue par tissage 3D de fils en fibres de carbone.
De façon connue, chaque préforme d’aube est ensuite imprégnée avec une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de l’aube nue moulée et pouvant notamment présenter une forme vrillée correspondant à la forme définitive du corps de pale à profil aérodynamique. Ensuite, on referme le moule et on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine époxyde, dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme. L’imprégnation de la préforme fibreuse d’aube peut être notamment réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding")
La transformation du précurseur en matrice, par exemple par polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la structure à profil aérodynamique. La matrice peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que la résine époxyde à hautes performances vendue sous la référence PR 520 par la société CYTEC, ou de précurseurs liquides de matrices carbone ou céramique.
Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur organique pour transformer la matrice organique en une matrice carbone ou céramique selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité.
Après la formation de la matrice, la pièce est démoulée. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés. Aucun autre usinage n'est nécessaire puisque, la pièce étant moulée, elle respecte les cotes exigées. On obtient alors une aube nue 10 qui comporte, comme illustrée sur la figure 3, une partie de pied d’aube 11, correspondant au pied d’aube 110 de l’aube 100 décrite ci-avant et une partie de corps de pale 12 correspondant au corps de pale 120 de l’aube 100. La partie de corps de pale 12 comporte une portion de bord avant 13 destinée à recevoir un clinquant métallique afin de former le bord d’attaque de l’aube finale.
Plusieurs aubes nues sont ainsi fabriquées afin de constituer un lot d’aubes nues. Par « lot d’aubes nues », on entend ici un ensemble regroupant des aubes nues présentant chacune une dispersion dimensionnelle inférieure à une limite déterminée. A titre d’exemple, on considère comme homogène un lot d’aubes nues dont la dispersion d’épaisseur section par section dans la zone destinée à être recouverte par le bord d’attaque ne dépasse pas 10 %. On entend ici par « section » une coupe fictive de la pale suivant un plan perpendiculaire à sa hauteur, les sections étant nommées à la définition technique de la pièce.
On sélectionne ensuite une aube nue parmi les aubes nues d’un même lot (étape S2).
La partie de corps de pale 12 est alors scannée en trois dimensions (étape S3) afin de créer un modèle numérique de l’aube nue (étape S4) comprenant en particulier un modèle de la portion de bord avant 13 sur laquelle le clinquant métallique est destinée à être collé pour former le bord de fuite de l’aube finale. Un modèle numérique de l’aube finale théorique est créé en parallèle (étape S5). Le modèle numérique de l’aube finale théorique correspond au corps d’aube en matériau composite muni de son bord d’attaque en matériau métallique. Les modèles numériques de l’aube nue et de l’aube finale théorique sont alors utilisés pour générer un modèle numérique théorique d’un bord d’attaque (étape S6). Plus précisément, le modèle numérique théorique de l’aube finale théorique est utilisé pour calculer la géométrie de la paroi externe du bord d’attaque dans le modèle numérique théorique d’un bord d’attaque. Le modèle numérique de l’aube nue est utilisé pour calculer la géométrie de la paroi interne 210 du bord d’attaque 21 (figures 3 et 4) destinée à être collée sur la portion de bord avant 13 en intégrant au calcul la définition d’une épaisseur uniforme déterminée de colle ou matériau adhésif entre la paroi interne du bord d’attaque et la surface du bord avant.
Une fois le modèle numérique théorique du bord d’attaque généré, une vérification de la conformité de l’épaisseur des ailettes du bord d’attaque dans ledit modèle numérique de bord d’attaque est réalisée (étape S7). Cette vérification consiste à comparer l’épaisseur des ailettes définies dans le modèle numérique avec des épaisseurs minimales et maximales prédéfinies. Si, après vérification, l’épaisseur des ailettes du modèle numérique n’est pas conforme, le modèle est corrigé pour définir des épaisseurs d’ailettes conformes aux critères prédéfinis (étape S8). Après une éventuelle correction de l’épaisseur des ailettes, le modèle numérique théorique du bord d’attaque est converti en un fichier de modélisation 3D exploitable pour une fabrication additive (étape S9), par exemple un fichier au format bien connu STL (« STereo-Lithography »).
Parmi les procédés connus de fabrication additive, les procédés suivants peuvent notamment être utilisés pour réaliser le bord d’attaque :
- procédé de fabrication additive métallique par couches qui lie les particules par fusion à l’aide d’une source laser, encore appelé fabrication additive sur lit de poudre ou SLM (pour « Selective Laser Melting ») ou LBM (pour « Laser Beam Melting »),
- procédé de rechargement par dépôt laser ou LMD (pour « Laser Metal Deposition »),
- procédé de fabrication additive métallique par couches qui lie les particules par fusion à l’aide d’un faisceau d’électrons, encore appelé « Electron Beam Melting ».
Le fichier de modélisation 3D, par exemple au format STL, est utilisé pour générer les couches de poudres à fusionner ainsi que les trajectoires de l’outil de fusion pour la fabrication du bord d’attaque (laser, faisceau d’électrons) (étape S10).
Un bord d’attaque brut à la forme et aux dimensions définies dans modèle numérique théorique du bord d’attaque est alors réalisé par fabrication additive (étape S11).
A l’issue de la fabrication additive, on obtient un bord d’attaque qui présente déjà la forme (géométrie externe) et les dimensions finales souhaitées (pièce « net-shape ») On s’affranchit ainsi des opérations d’usinage et de polissages adaptatifs mécaniques des parois externe et interne du bord d’attaque réalisées habituellement après réalisation par exemple par fonderie du bord d’attaques, opérations complexes en raison de la flexibilité de la pièce. Ces opérations de finition sont ici remplacées par une opération de traitement de surface (étape S12), comme par exemple une séquence de polissage électrochimique, qui n’impacte pas le dimensionnel du bord d’attaque.
On obtient alors un bord d’attaque fini ou clinquant 21 qui est prêt à être assemblé avec l’aube nue 10 comme illustré sur la figure 3. Le bord d’attaque 21 comprend une paroi interne 210 destinée à être collée sur la portion de bord avant 13 de l’aube nue 10 et une paroi externe 211 définissant le profil de bord d’attaque de l’aube finale. Le bord d’attaque 21 comporte en outre une portion de nez 24 à partir de laquelle s’étendent deux ailettes 213 et 214 présentant chacune une épaisseur Ep213et Ep214(figure 4) conforme aux critères prédéfinis comme expliqué ci-avant.
La dernière étape du procédé de fabrication de l’aube consiste à coller le bord d’attaque métallique 21 sur l’aube nue en matériau composite 10 (étape S13). Plus précisément et comme illustré sur la figure 3, le bord d’attaque 21 est accosté sur la portion de bord avant 13 présent sur la partie de corps de pale 12 de l’aube nue avec interposition d’une couche de colle ou matériau adhésif 30 entre la paroi interne 210 du bord d’attaque et la portion de bord avant 13 de l’aube nue 10. La couche de colle présente entre le bord d’attaque et la portion de bord avant de l’aube nue peut être réalisée de différentes façons comme illustrée sur la figure 3. Elle peut notamment correspondre à un matériau adhésif placé en sandwich entre la paroi interne du bord d’attaque et la portion de bord avant de l’aube nue, le tout, une fois assemblé, étant placé dans un moule de collage qui est chauffé pour activer (polymériser) le pouvoir adhésif du matériau. Une couche de colle peut également être déposée directement sur la paroi interne 210 du bord d’attaque 21 et/ou sur la portion de bord avant 13 de l’aube nue, l’assemblage étant réalisé dans un moule de collage apte à exercer une pression sur les éléments à assembler et éventuellement à réaliser un traitement thermique de collage.
Un procédé de collage d’un bord d’attaque sur un corps d’aube en matériau composite est notamment décrit dans le document US 2015/151485.
La paroi interne 210 du bord d’attaque 21 ayant été réalisée suivant une géométrie correspondant parfaitement à celle de la portion de bord avant 13 de l’aube nue 10 en tenant compte de la présence d’une épaisseur de colle déterminée entre ces deux parties, on assure une répartition homogène de la colle sur l’ensemble de l’interface entre le bord d’attaque et la portion de bord avant. On assure ainsi une maîtrise de l’épaisseur de la colle sur toute l’interface de fixation, ce qui permet d’éliminer l’apparition de zones locales de faible collage et/ou de contraintes locales.
Plusieurs bords d’attaque peuvent être réalisés en répétant les étapes S11 et S12 et assemblées sur les aubes nues d’un même lot suivant l’étape S13.
En outre d’une fabrication directement à la forme définitive (« net-shape »), la fabrication additive peut être également avantageusement utilisée pour doter les bords d’attaque d’éléments fonctionnels ou visuels. Dans la présente invention, la fabrication additive peut être notamment utilisée pour réaliser en outre :
- des repères de positionnement sur le bord d’attaque de manière à faciliter le positionnement du bord d’attaque sur l’aube nue lors du collage dudit bord d’attaque ;
- une ou plusieurs marques d’identification sur le bord d’attaque comme par exemple un numéro de série ;
- des motifs en relief ou en creux formés localement sur la paroi interne du bord d’attaque afin de faciliter la maîtrise de l’épaisseur de colle sur l’ensemble de l’interface de collage;
- une texturation réalisée sur la paroi interne du bord d’attaque pour favoriser l’adhérence.
Les bords d’attaque selon l’invention peuvent être réalisés en différents matériaux métalliques compatibles des procédés de fabrication additive comme : le titane ou ses alliages, l’aluminium ou ses alliages, l’inox, l’ « Inconel® » (marque déposée).
Lorsque le bord d’attaque est réalisé avec un matériau métallique présentant une densité supérieure à celle du titane, la fabrication additive peut être utilisée pour réaliser au moins un évidement au niveau de la portion de nez du bord d’attaque, comme l’évidement 25 montré sur la figure 5 dans la portion de nez 24’ d’un bord d’attaque 21’ correspondant à une variante de réalisation du bord d’attaque 21 déjà décrit.

Claims (8)

  1. Procédé de fabrication d’une aube en matériau composite (100) à bord d’attaque métallique rapporté (121) pour moteur aéronautique à turbine à gaz, le procédé comprenant :
    - réalisation d’un lot d’une pluralité d’aubes nues (10) en matériau composite,
    - création d’un modèle numérique d’aube nue à partir d’une aube du lot de pluralité d’aubes nues,
    - création d’un modèle numérique d’une aube finale théorique comprenant un bord d’attaque,
    - génération d’un modèle numérique de bord d’attaque à partir du modèle numérique d’aube nue et du modèle d’aube finale,
    - fabrication par fabrication additive d’au moins un bord d’attaque (21) à partir du modèle numérique de bord d’attaque généré,
    - collage de chaque bord d’attaque fabriqué (21) sur une aube nue du lot de la pluralité d’aubes nues (10).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la création d’un modèle numérique d’une aube finale théorique comprenant un bord d’attaque comprend le calcul de la géométrie de la paroi externe du bord d’attaque à partir du modèle numérique d’une aube finale et le calcul de la géométrie de la paroi interne du bord d’attaque à partir du modèle numérique d’une aube nue.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre, après la génération d’un modèle numérique de bord d’attaque, la vérification de la conformité de l’épaisseur (Ep213, Ep214) des ailettes (213, 214) du bord d’attaque (21) dans ledit modèle numérique de bord d’attaque et la correction du modèle numérique de bord d’attaque en cas d’épaisseur des ailettes non conformes.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque (21), des repères de positionnement sont réalisés sur le bord d’attaque de manière à faciliter le positionnement du bord d’attaque sur l’aube nue lors du collage dudit bord d’attaque.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque (21), au moins une marque d’identification est réalisée sur le bord d’attaque.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque (21), des motifs en relief ou en creux sont formés localement sur la paroi interne du bord d’attaque.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque (21), une texturation est réalisée sur la paroi interne du bord d’attaque.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, chaque bord d’attaque fabriqué par fabrication additive est réalisé avec un matériau métallique présentant une densité supérieure à celle du titane et, dans lequel, lors de la fabrication additive de chaque bord d’attaque, au moins un évidement (25) est réalisé au niveau de la portion de nez (24’) du bord d’attaque (21’).
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