FR3121953A1 - Procede de fabrication d’une aube composite de turbomachine - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant les étapes de : a) tissage de fibres en trois dimensions de façon à obtenir une préforme fibreuse, b) montage de la préforme dans un moule et injection de résine dans ce moule, de façon à obtenir une pale (12) comportant un extrados et un intrados reliés ensemble par un bord d’attaque et par un bord de fuite, c) renfort d’un bord de la pale, caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée en collant une ébauche métallique (20) sur ledit bord puis en déposant par fabrication additive plusieurs couches métalliques (22) successives sur cette ébauche qui est utilisée comme support de fabrication additive. Figure pour l'abrégé : Figure 3

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE AUBE COMPOSITE DE TURBOMACHINE
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, ainsi que l’aube obtenue par ce procédé.
Arrière-plan technique
Une turbomachine d’aéronef comporte une ou plusieurs hélice(s) qui peuvent être carénée(s) ou non carénée(s). La présente invention s’applique notamment aux aubes d’une soufflante, c'est-à-dire aux aubes d’une hélice carénée mais aussi à d’autres types d’hélices, telles que les hélices non carénées des turbopropulseurs par exemple.
Une hélice de turbomachine est traversée par un flux d’air et ses aubes peuvent subir des dommages par usure ou impact, par exemple du type FOD (acronyme de l’anglaisFlying Object Damage) provoqué par l’impact d’un oiseau par exemple sur les aubes.
La présente invention concerne la fabrication d’une aube en matériau composite, par exemple à matrice organique (CMO), dont au moins un bord est renforcé par un renfort.
Une aube composite est formée à partir d’une préforme tissée noyée dans une matrice polymérique (du type époxy par exemple). La préforme est obtenue par tissage de fibres, en général de carbone, en trois dimensions.
Il est d’usage de renforcer le bord d’attaque de cette aube par un bouclier métallique rapporté. Le bouclier, tel que décrit dans la demande FR-A1-3 046 557, comporte deux ailes latérales s’étendant respectivement sur l’intrados et l’extrados de la pale, et un nez reliant les deux ailes.
Les deux ailes latérales et le nez sont fortement exposés au flux de gaz qui traverse l’hélice et sont particulièrement sujets à des risques d’usure par abrasion, impact ou érosion. En particulier le nez, qui est orienté vers l’amont de la turbomachine et forme le bord d’attaque du flux de gaz qui traverse l’hélice en fonctionnement, est le plus exposé aux risques d’endommagement.
De plus, les inconvénients de cette solution sont principalement que le bouclier métallique tel qu’il existe actuellement induit beaucoup de non-conformités et de coûts sur tout son cycle de vie. En effet, de la fabrication du bouclier (prix de la matière élevé, beaucoup d’opérations de transformation, beaucoup de non-conformités et de rebuts chez les fournisseurs), en passant par son assemblage par collage sur la pale (préparation de surface indispensable, passage en cycle autoclave long, nombre de pièces limité dans l’autoclave, non-conformités géométriques), les non-conformités sont nombreuses et occasionnent des coûts qui pourraient être réduits.
Enfin, un effet subi du choix de la solution actuelle est que même lorsque la PIF (Pièce Intermédiaire de Fabrication) qu’est le bouclier métallique est conforme, il arrive que l’aube PEM (Pièce Entrée Montage) soit finalement non conforme sans que la ou les non-conformité(s) ne soi(en)t dues à la pale en composite, mais à des non-conformités géométriques liées à l’assemblage par collage du bouclier sur la pale.
La problématique posée est donc non seulement la difficulté à produire suffisamment de pièces conformes mais également à réduire le coût des pièces, et à assurer la robustesse de la gamme.
Par ailleurs, la réparation du bouclier métallique d’une aube composite suite à des impacts ou des évènements en flotte est un sujet difficile car peu de techniques existent actuellement. Pour une réduction de coût importante, ce produit doit pouvoir être réparé tout au long de sa vie afin de ne pas devoir utiliser de produits neufs systématiquement.
Les problèmes techniques posés par la solution actuelle résident dans les éléments détaillés ci-dessous :
- concernant uniquement le bouclier : cavité trop large ou trop resserrée entre les ailes du bouclier, ondulations ou stries au niveau de ces ailes,
- concernant l’aube composite : appairage entre la PIF et la PEM difficile, contrôlabilité par CND (Contrôle Non Destructif) non robuste, réparation du bouclier métallique difficile.
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes évoqués ci-dessus.
La présente invention propose un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant les étapes de :
a) tissage de fibres en trois dimensions de façon à obtenir une préforme fibreuse,
b) montage de la préforme dans un moule et injection de résine dans ce moule, de façon à obtenir une pale comportant un extrados et un intrados reliés ensemble par un bord d’attaque et par un bord de fuite,
c) renfort d’un bord de la pale,
caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée en collant une ébauche métallique sur ledit bord puis en déposant par fabrication additive plusieurs couches métalliques successives sur cette ébauche qui est utilisée comme support de fabrication additive.
Dans la présente demande, on entend par « fabrication additive », le fait de déposer plusieurs couches, les unes après les autres et les unes sur les autres, sur un support. Les couches sont obtenues par fusion et dépôt d’un matériau métallique qui alimente par exemple une tête du type LMD (Laser Metal Deposition) ou analogue. Cette technique de fabrication est déjà couramment utilisée dans l’aéronautique.
L’invention propose ainsi de renforcer un bord de la pale par réalisation d’un renfort par fabrication additive. Une pièce peut être réalisée ou « imprimée » par fabrication additive en déposant successivement sur un support des couches de matière. Dans le cas de la présente invention, les couches de matière sont métalliques et sont déposées sur une ébauche également métallique qui forme le support d’impression. Cette ébauche est préalablement fixée par collage sur la pale. On comprend donc que la fabrication additive et donc la formation des couches a lieu après le collage de l’ébauche sur la pale, et donc sur l’ébauche déjà collée à la pale.
Le dépôt de couche directement sur la pale risquerait de l’endommager. L’ébauche a donc une double fonction de support d’impression et de protection de la pale lors de cette impression.
L’invention facilite également la réparation d’une aube composite car il suffit de retirer tout ou partie des couches imprimées, par exemple par usinage, et de redéposer de nouvelles couches par fabrication additive sur l’ébauche restée sur la pale.
L’invention facilite également la fabrication de nouvelles géométries de renforts d’un bord de la pale lors des phases de développement des aubes composites. En effet, la fabrication additive permet de réaliser de nouvelles géométries de renforts rapidement sans avoir à réaliser des outillages de fabrication coûteux et long à réaliser tels que ceux nécessaires avec la solution de fabrication actuelle.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’ébauche a une forme générale allongée et s’étend sur au moins une partie de l’étendue longitudinale dudit bord ;
- l’ébauche et les couches sont réalisées de préférence dans le même alliage métallique pour optimiser la cohésion des couches avec l’ébauche ;
- l’ébauche comprend des ailes latérales s’étendant respectivement au niveau de l’intrados et de l’extrados de la pale, et une base centrale qui relie ces ailes et sur laquelle sont déposées lesdites couches ;
- lesdites couches sont configurées pour définir des cotes finales, éventuellement avant usinage de finition, dudit bord ;
- lesdites couches ont une masse globale supérieure à celle de ladite ébauche, et/ou lesdites couches ont des dimensions supérieures à celles de ladite ébauche.
La présente invention concerne encore une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube étant fabriquée par un procédé tel que décrit ci-dessus et comprenant une pale dont un bord est renforcé par une ébauche métallique au moins partiellement recouvert par des couches métalliques successives.
La présente invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant au moins une aube telle que décrite ci-dessus.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
La est une vue schématique en perspective d’une aube d’hélice de turbomachine, et en particulier de soufflante de turbomachine,
La est une vue schématique en coupe transversale d’un bouclier d’une aube telle que celle représentée à la , et
La est une vue schématique partielle en coupe transversale du renfort métallique d’une aube selon un mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l'invention
La montre une aube 10 d’hélice et en particulier de soufflante d’une turbomachine d’aéronef. Cette aube 10 comprend une pale 12 en composite à matrice organique et un bouclier métallique 14 collé sur le bord d’attaque.
La pale 12 comporte en outre un bord de fuite 16, opposé au bord d’attaque, et un intrados et un extrados s’étendant entre les bords d’attaque et de fuite de la pale.
L’aube présente un axe d’allongement noté A. Une extrémité longitudinale de la pale 12 est libre et l’extrémité longitudinale opposée est reliée à un pied 18 pour la fixation de l’aube à un rotor de la turbomachine.
Comme cela est visible à la , le bouclier 14 comporte deux ailes latérales 14a et 14b s’étendant respectivement sur l’extrados et l’intrados de la pale 12, et un nez 14c reliant les deux ailes 14a et 14b.
Les ailes 14a et 14b définissent entre elles une cavité de réception du bord d’attaque de la pale 12, ainsi que de colle de solidarisation du bouclier à la pale.
L’invention propose une alternative au collage d’un bouclier 14 sur le bord d’attaque d’une aube.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube 10 en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant les étapes de :
a) tissage de fibres en trois dimensions de façon à obtenir une préforme fibreuse,
b) montage de la préforme dans un moule et injection de résine dans ce moule, de façon à obtenir une pale 12 comportant un extrados et un intrados reliés ensemble par un bord d’attaque et par un bord de fuite, et
c) renfort d’un bord (d’attaque ou de fuite) de la pale,
L’étape c) est réalisée en collant une ébauche métallique 20 sur le bord puis en déposant par fabrication additive plusieurs couches métalliques 22 successives sur cette ébauche qui est utilisée comme support de fabrication additive ( ).
Le bord d’attaque ou de fuite d’une pale 12 a une forme allongée. L’ébauche 20 a de préférence une forme allongée de manière à s’étendre sur toute ou partie du bord.
De préférence, l’ébauche 20 et les couches 22 sont réalisées dans le même alliage métallique pour optimiser la cohésion des couches avec l’ébauche.
L’ébauche 20 comprend des ailes latérales 20a et 20b s’étendant respectivement au niveau de l’extrados et de l’intrados de la pale, et une base 20c centrale qui relie ces ailes 20a et 20b et sur laquelle sont déposées les couches 22. Dans l’exemple représenté, du côté opposé aux ailes 20a et 20b, l’ébauche 20 comprend une surface 24 destinée à recevoir la première couche déposée par fabrication additive.
Les couches 22 sont configurées pour définir des cotes finales du renfort, éventuellement avant usinage de finition.
Avantageusement, les couches 22 représentent une quantité de matière et ont une masse globale supérieure à celle de l’ébauche, comme dans l’exemple représenté. En variante ou en caractéristique additionnelle, les couches 22 ont des dimensions supérieures à celles de l’ébauche.
L’invention permet de faciliter la réparation de l’aube 10. En effet, en cas de choc, il suffit de retirer les couches 22, par exemple par usinage, puis de déposer de nouvelles couches 22 par fabrication additive, l’ébauche 20 pouvant être conservée sur la pale 12.

Claims (8)

  1. Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant les étapes de :
    a) tissage de fibres en trois dimensions de façon à obtenir une préforme fibreuse,
    b) montage de la préforme dans un moule et injection de résine dans ce moule, de façon à obtenir une pale (12) comportant un extrados et un intrados reliés ensemble par un bord d’attaque et par un bord de fuite,
    c) renfort d’un bord de la pale,
    caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée en collant une ébauche (20) métallique sur ledit bord puis en déposant par fabrication additive plusieurs couches métalliques (22) successives sur cette ébauche qui est utilisée comme support de fabrication additive.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’ébauche (20) a une forme générale allongée et s’étend sur au moins une partie de l’étendue longitudinale dudit bord.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ébauche (20) et les couches (22) sont réalisées dans le même alliage métallique.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ébauche (20) comprend des ailes latérales (20a, 20b) s’étendant respectivement au niveau de l’extrados et de l’intrados de la pale (12), et une base centrale (20c) qui relie ces ailes et sur laquelle sont déposées lesdites couches (22).
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdites couches (22) sont configurées pour définir des cotes finales, éventuellement avant usinage de finition, dudit bord.
  6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel lesdites couches (22) ont une masse globale supérieure à celle de ladite ébauche (20), et/ou lesdites couches ont des dimensions supérieures à celles de ladite ébauche.
  7. Aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube étant fabriquée par un procédé selon l’une des revendications précédentes et comprenant une pale (12) dont un bord est renforcé par une ébauche métallique (20) au moins partiellement recouvert par des couches métalliques (22) successives.
  8. Turbomachine d’aéronef, comportant au moins une aube (10) selon la revendication précédente.
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