FR3141631A1 - Procédé de fabrication additive de pièces, notamment pour turbomachine - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé de génération d’un fichier de production pour fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre, dans lequel on génère un fichier de production à partir d’un fichier CAO d’une pièce à fabriquer, caractérisé en ce que l’on met en œuvre les étapes suivantes : Détermination (étape 1) d’une structure numérique dans laquelle l’objet du fichier CAO est répliqué au moins une fois et au moins un pilier de rattachement sont interposés entre les surfaces des objets en vis-à-vis dans la structure, Simulation (étape 4) d’une pré-déformation sur ladite structure numérique afin de déterminer une structure pré-déformée,Détermination d’un fichier de production pour la structure pré-déformée (étape 6). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de fabrication additive de pièces, notamment pour turbomachine Domaine technique général et art antérieur

Le domaine technique de l’invention est celui de la fabrication additive, par faisceau d’énergie sur lit de poudre.

Elle trouve avantageusement, mais non limitativement, application pour la fabrication de pièces de turbomachine.

La fabrication additive sur lit de poudre consiste à réaliser des objets tridimensionnels en déposant des couches successives de matériau pulvérulent (poudre métallique) et en consolidant sélectivement, au moyen d’un faisceau d’énergie, des zones de ces couches au fur et à mesure des dépôts. Les zones de ces couches ainsi consolidées correspondent à des tranches de section successives de l’objet. Le faisceau d’énergie est typiquement un faisceau laser qui balaye la zone à consolider (technologie LBM ou « Laser Beam Manufacturing » selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée).

Les procédés de fabrication additive permettent ainsi de réaliser des pièces métalliques 3D de géométrie complexe, en les constituant strate par strate. Ils s’opposent à des procédés « conventionnels », tel que l’usinage, qui utilisent quant à eux la soustraction de matière et n’offrent pas les mêmes possibilités quant aux géométries de pièces.

Classiquement, pendant tout le processus de fabrication, le faisceau d’énergie et l’ensemble de l’équipement de fabrication sont commandés par une unité de contrôle à laquelle on transmet un fichier numérique de production qui comporte les instructions nécessaires pour la commande de la fabrication (trajectoire du faisceau, commande du laser, commande du dispositif de dépôt et d’étalement de poudre, etc.).

Ce fichier est calculé à partir d’un fichier de CAO (« Conception Assistée par Ordinateur ») de l’objet à fabriquer (fichier qui définit la géométrie de l’objet à fabriquer). Ledit fichier de CAO est traité pour déterminer les tranches de section successives qui seront consolidées pour fabriquer l’objet et déterminer les paramètres de fabrication et les instructions pour chacune de ces tranches.

Une problématique constatée sur certaines pièces est celle de leur déformation ou de la déformation de certaines parties de celles-ci pendant la fabrication, sous l’effet de la diffusion de la chaleur résiduelle ou de leur propre poids. Les pièces à parois fines et avec une certaine hauteur peuvent en particulier souvent présenter cette difficulté de fabrication.

Différentes solutions ont déjà été proposées. On connait en particulier une solution mécanique dans laquelle la pièce est fabriquée dans une coquille qui épouse sa forme et contraint ladite pièce pendant la fabrication.

Cette solution n’est toutefois pas applicable pour toutes les géométries de pièces.

Il est également connu de fabriquer la pièce en lui rajoutant des piliers, qui la maintiennent pendant la fabrication et sont retirés par une opération d’ajustage ou d’usinage ultérieure. De tels piliers ne sont toutefois pas toujours souhaitables car ils peuvent conduire à dégrader la qualité de la surface là où ils sont enlevés. En outre, la présence de piliers augmente le temps de fusion, le volume de poudre fusionnée et risque de réduire le nombre de pièce que l’on pourra positionner sur le plateau de fabrication. Cette présence augmente donc le coût de fabrication des pièces. Ceci est d’autant plus le cas si la pièce est haute : le pilier doit alors être massif pour éviter qu’il ne se déplace avec les déformations, il faudrait donc le faire massif pour contrer ce phénomène.

D’autres solutions encore consistent à anticiper les déformations et écarts de géométrie dus notamment à la diffusion de la chaleur dans la pièce au fur et à mesure de la fabrication. De nombreux logiciels de simulation et correction sont déjà connus et peuvent être utilisés pour calculer la section des tranches à consolider en intégrant une pré-déformation de correction permettant d’aboutir directement à la forme de pièce attendue à l’issue de la fabrication.

En pratique, la détermination des sections de tranches intégrant ces pré-déformations se fait souvent en plusieurs itérations.

Dans une première itération, on utilise en données d’entrée un fichier CAO de la pièce souhaitée. Le logiciel simule la fabrication, y compris une étape de retrait du ou des supports fabriqués initialement avec la pièce pour tenir celle-ci et évacuer la chaleur vers le plateau de fabrication de la machine.

Le résultat est ensuite comparé avec le résultat souhaité. En fonction des écarts constatés, le logiciel détermine une géométrie corrigée (“prédéformée”).

Les étapes de simulation de fabrication, de comparaison et de correction sont réitérées (au moins une fois, pour tester la géométrie prédéformée obtenue) jusqu’à ce que le résultat de fabrication corresponde à la pièce souhaitée, aux tolérances près.

Une fois ce résultat atteint, la géométrie de pièce prédéformée qui a servi d’entrée lors de la dernière itération de simulation/comparaison, est récupérée et utilisée pour produire le fichier numérique de production.

On constate toutefois que certaines configurations de pièce (géométries, dimensions) sont tellement sensibles qu’elles ne permettent pas de converger vers un résultat satisfaisant.

Présentation générale de l’invention

L’invention propose quant à elle un procédé de génération d’un fichier de production pour fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre, dans lequel on génère un fichier de production à partir d’un fichier CAO d’une pièce à fabriquer, caractérisé en ce que l’on met en œuvre les étapes suivantes :

• Détermination d’une structure numérique dans laquelle l’objet du fichier CAO est répliqué au moins une fois et au moins un pilier de rattachement sont interposés entre les surfaces des objets en vis-à-vis dans la structure,
• Simulation d’une pré-déformation sur ladite structure numérique afin de déterminer une structure pré-déformée,
• Détermination d’un fichier de production pour la structure pré-déformée.

La solution technique apportée consiste ainsi à positionner plusieurs pièces en vis à vis par les surfaces à maintenir, puis de les connecter à l’aide d’un pilier et de simuler l’ensemble pour générer une prédéformée.

Différentes configurations sont envisageables : deux pièces face à face, trois pièces agencées en triangle, ou encore, lorsque la pièce que l’on réplique se prête à avoir des nervures sur deux côtés, trois, ou même quatre pièces ou plus placées en série les unes à la suite des autres

Le ou les piliers ajoutés ont la fonction de nervure et les déplacements que va subir la pièce durant le processus de fabrication sont compensés par la pièce en vis-à-vis.

On a donc un effet miroir dans lequel les pièces se maintiennent en position l’un et l’autre, ce qui réduit fortement les déformations lors de la fusion.

On constate en effet qu’avec la réplication de la pièce, les déplacements à compenser sont beaucoup moins importants que pour une fabrication avec une pièce seule (fabriquée avec des piliers de soutènement), sans la pièce jumelle.

La pré-déformée est plus facile à atteindre et les écarts constatés en fabrication sont moins importants (amélioration de la répétabilité de fabrication des surfaces maintenues.

Il y a ainsi un effet de combinaison entre la réplication de la pièce proposée et la mise en œuvre de la simulation de pré-déformation.

La conformité vis-à-vis de la géométrie souhaitée est fortement améliorée. Un tel procédé est avantageusement complété par les différentes étapes suivantes prises seules ou en combinaison :

• lors de la simulation d’une pré-déformation sur la structure numérique, ladite structure est préalablement scindée numériquement en deux parties symétriques avec un plan de symétrie qui passe par le centre du ou des piliers de rattachement et on met en œuvre la simulation avec comme donnée d’entrée « pièce à déformer » l’une de ces parties, et comme données d’entrée « support » l’autre partie ;
• lors de la simulation d’une pré-déformation sur la structure numérique, l’étape de retrait de la partie identifiée comme support n’est pas simulée ou est remplacée par une simulation de découpe au ras sur l’ensemble de la partie support ;
• une fois la simulation terminée, la partie correspondant à la pièce pré-déformée est répliquée et repositionnée en vis-à-vis avant ré-assemblement en une seule et même pièce avec au moins un pilier de rattachement.

L’invention concerne également un procédé de fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre au moyen d’un équipement de fabrication additive, caractérisé en ce que ledit procédé est commandé à partir du fichier de production généré selon le procédé proposé.

Selon un autre aspect encore, l’invention propose en outre une structure intermédiaire, fabriquée par fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux pièces jumelles à parois élancées reliées entre elles par au moins un pilier de rattachement s’étendant entre lesdites parois.

Cette structure intermédiaire est par exemple fabriquée en mettant en œuvre le procédé de fabrication précité.

Également encore, l’invention concerne une pièce de turbomachine caractérisée en ce qu’elle est obtenue en mettant en œuvre le procédé de fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre proposé.

L’invention concerne en outre un produit programme d’ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de génération de fichier de production, lorsqu'il est exécuté sur ordinateur.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :

• la illustre différentes étapes d’un procédé conforme à un mode de mise en œuvre possible de l’invention ;

• les figures 2a et 2b illustrent une structure dans laquelle l’objet à fabriquer est répliqué ;
• la représente schématiquement un équipement de fabrication additive.

Description d’un ou plusieurs modes de mise en œuvre et de réalisation

Le procédé de fabrication selon un mode de mise en œuvre utilise un fichier de production obtenu par un traitement mettant en œuvre les différentes étapes illustrées sur la .

Dans une première étape (étape 1), le traitement définit en CAO une structure composée d’au moins deux pièces à fabriquer dont on positionne les surfaces à maintenir en regard les unes des autres.

Dans cette structure, les pièces en regard sont connectées entre elles deux à deux par au moins un pilier s’étendant entre des surfaces de ces pièces à maintenir.

A cet effet, un premier fichier CAO de la pièce est transmis à une unité de calcul qui met en œuvre le traitement. A l’aide de cette unité de calcul, l’objet numérique de ce fichier est répliqué et des piliers de rattachement sont interposés entre les surfaces en vis-à-vis qui sont plus particulièrement à maintenir.

Comme on l’aura compris, le procédé n’est pas limité à une configuration avec deux pièces en vis-à-vis. D’autres configurations conviennent : trois pièces agencées en triangle, trois ou même quatre pièces ou plus en ligne, les unes à la suite des autres (lorsque la pièce se prête à avoir des nervures sur deux côtés), etc.. Dans ce dernier cas, les pièces répliquées sont disposées en série et reliées par des nervures entre elles.

La structure CAO ainsi déterminée est ensuite traitée par un logiciel de simulation qui génère une géométrie pré-déformée.

Le logiciel de simulation utilisé peut être un logiciel du type de ceux classiquement proposés sur le marché et être un logiciel développé en interne.

La structure CAO est à cet effet préalablement scindée numériquement en deux parties symétriques (étape 2) avec un plan de symétrie qui passe par le centre du ou des piliers de rattachement.

L’une de ces parties (la première pièce avec une moitié de chaque pilier de rattachement) est utilisée comme donnée d’entrée « pièce à déformer » dans le logiciel de simulation (étape 3a)

En parallèle, l’autre partie (la seconde pièce avec l’autre moitié du ou des piliers) est identifiée dans le logiciel de simulation comme « support » (étape 3b).

Sur les figures 2a et 2b, on a représenté une structure S obtenue par dédoublement et mise en place de piliers.

Sur ces figures, la partie 10 correspond à celle identifiée comme correspondant à la pièce à fabriquer dans le logiciel de simulation. Les parties 11a (la deuxième pièce) et 11b (supports de la première et de la deuxième pièces) sont identifiées comme « support ».

Les parties 12, qui correspondent à des supports alvéolaires et ou à des supports destinés à être retirés par usinage ultraprécis (par technique d’électroérosion par exemple), sont également identifiés comme des supports pour le logiciel de simulation).

Une fois réalisée l’identification de ce qui doit être considéré comme pièce à déformer d’une part et comme support d’autre part, le logiciel de simulation calcule une pré-déformée de la partie identifiée comme pièce (étape 4).

L’étape de retrait de la partie identifiée comme support n’est quant à elle pas simulée ou est remplacée par une simulation de découpe au ras (par exemple par électroérosion) sur l’ensemble de la partie support.

Il a été constaté en effet que l’étape classique de « retrait des supports » relâche des contraintes et provoque des déformations localisées sur les zones maintenues par les piliers.

La simulation d’une découpe au ras permet de garder une simulation représentative de la réalité.

On notera que dans le calcul de pré-déformation, les parties classées “support” peuvent éventuellement se déformer dans le cadre de la simulation. Leur déformation n’est bien entendu pas prise en compte lors de l’évaluation de l’adéquation entre résultat de fabrication, et pièce souhaitée (i.e.: les itérations sont exécutées seulement pour amener les parties “pièces” à la géométrie souhaitée ; pour les parties “support”, c’est indiffèrent).

Le fait de n’effectuer l’optimisation (i.e.: le calcul de prédéformation) en se basant seulement sur une des deux pièces (l’autre étant symétrique) permet d’accélérer la convergence de ce processus itératif (et même, dans certains cas, permet d’obtenir une convergence difficile à obtenir sinon).

Une fois la simulation terminée, le traitement récupère le fichier CAO de la pièce pré-déformée. La pièce est répliquée et repositionnée en vis-à-vis avant de réassembler le tout en une seule et même structure avec des piliers (étape 5).

Le fichier de production est alors préparé à partir du fichier CAO ainsi obtenu (étape 6).

Une structure intermédiaire comportant plusieurs pièces jumelles est ensuite fabriquée au moyen d’un équipement de fabrication par impression 3D métallique (étape 7).

Cet équipement ( ) comporte par exemple une enceinte sous vide 21, un plateau de fabrication horizontal 22, une source de faisceau d’énergie 23, notamment de faisceau laser, un dispositif de dépôt de poudre et d’étalement 24 comportant par exemple un rouleau ou un racleur. Une unité de contrôle commande les différents éléments de l‘équipement en fonction du fichier de conception qui lui a été transmis.

Le plateau de fabrication 22 sert notamment de base pour la fabrication de l’objet. Ce plateau 22 est typiquement monté sur un actionneur qui permet de le déplacer relativement au reste de l’équipement, de sorte que la surface de dépôt des couches est toujours dans le même plan horizontal (plateau de travail) par rapport à l’équipement.

Une fois un cordon de poudre déposé sur le plateau de travail par les moyens de dépôt, le dispositif 24 permet l’étalement du matériau sur le plateau de fabrication, à l’épaisseur de couche souhaitée par déplacement du rouleau ou racleur de part et d’autre du lit de poudre.

Le faisceau laser balaye sélectivement les zones du lit de poudre, correspondant à la tranche de l’objet à consolider. Le motif de balayage ainsi que tous les paramètres de lasage (tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l’espacement entre 2 passages du laser, etc…) sont transmis à l’équipement par le fichier de production.

Le passage du laser sur le lit de poudre permet d’élever la température de celui-ci à une température supérieure à la température de fusion du matériau. Un bain fondu est ainsi créé. En refroidissant, ce bain se consolide et forme un cordon de métal solide. A l’issue du balayage laser d’une couche de poudre, une section en 2 dimensions de l’objet souhaité est donc obtenue.

Le dispositif de dépôt et d’étalement de poudre 24 dépose ensuite une nouvelle couche de poudre par-dessus la précédente. Un nouveau balayage laser est réalisé afin de consolidé une nouvelle section de l’objet.

Ainsi, de manière itérative, un objet en trois dimensions est reconstitué par consolidation successives de sections en deux dimensions, ou tranches.

A la fin de cette étape de fabrication additive, on obtient une structure intermédiaire comportant plusieurs pièces jumelles 11a (structure S des figures 2a et 2b). Ces pièces jumelles 11a ont chacune au moins une paroi élancée 13 (par exemple avec un rapport hauteur/épaisseur supérieur à 30, voire supérieur à 50), les parois élancées 13 de deux de ces pièces 11a voisines, étant reliées entre elles par au moins un pilier de rattachement 14s’étendant entre ces parois 13.

Celles-ci peuvent alors être séparées, par exemple par usinage (étapes 8).

Les piliers de rattachement sont également enlevés par usinage.

Les pièces séparées obtenues font alors l’objet d’un traitement de finition (étape 9), par exemple par ponçage des distorsions géométriques, puis polissage électrochimique et/ou tribofinition, afin de donner l’état de surface recherché aux pièces.

On notera que le procédé proposé permet de limiter les distorsions géométriques et par conséquent les reprises par ponçage sur les pièces.

A titre d’exemple, pour les pièces de forme générale tubulaire des figures 2a et 2b (pièces à parois fines et élancées - de l’ordre d’une dizaine de cm de haut, et de l’ordre d’un mm d’épaisseur), on obtient en pratique (mesure réelle, sur la pièce fabriquée), avec le procédé proposé, un écart par rapport à la pièce théorique attendue qui est typiquement inférieur à 0,4 mm sur toute la paroi de ladite pièce. Cet écart par rapport à la pièce théorique est au moins deux fois plus petit que dans le cas où la pièce serait fabriquée seule, sans la pièce jumelle, et avec des piliers de soutènement et en mettant en œuvre la simulation de pré-déformation présentée dans l’introduction du présent texte, y compris là où cet écart est le plus grand (d’ailleurs, pour certaines zones des de la paroi, l’écart en question est même trois à quatre fois plus petit que celui obtenu en l’absence de pièce jumelle).

La conformité est ainsi fortement améliorée par rapport au cas où la pièce serait fabriquée seule, sans la pièce jumelle, et avec des piliers de soutènement et en mettant en œuvre la simulation de pré-déformation présentée dans l’introduction du présent texte.

Comme on le comprend aisément, le procédé proposé est particulièrement intéressant pour la réalisation de pièces dans le domaine de l’aéronautique, notamment des pièces de turbomachine de forme complexe.

Claims (11)

1. Procédé de génération d’un fichier de production pour fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre, dans lequel on génère un fichier de production à partir d’un fichier CAO d’une pièce (10) à fabriquer, caractérisé en ce que l’on met en œuvre les étapes suivantes :

   • Détermination (étape 1) d’une structure numérique dans laquelle l’objet du fichier CAO est répliqué au moins une fois et au moins un pilier de rattachement est interposé entre les surfaces des objets en vis-à-vis dans la structure,
   • Simulation (étape 4) d’une pré-déformation sur ladite structure numérique afin de déterminer une structure pré-déformée,
   • Détermination d’un fichier de production pour la structure pré-déformée (étape 6).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la simulation d’une pré-déformation sur la structure numérique, ladite structure est préalablement scindée numériquement (étape 2) en deux parties symétriques avec un plan de symétrie qui passe par le centre du ou des piliers de rattachement et on met en œuvre la simulation avec comme donnée d’entrée « pièce à déformer » l’une de ces parties (étape 3a), et comme données d’entrée « support » l’autre partie (étape 3b).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, lors de la simulation d’une pré-déformation sur la structure numérique, l’étape de retrait de la partie identifiée comme support n’est pas simulée.
4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, lors de la simulation d’une pré-déformation sur la structure numérique, l’étape de retrait est remplacée par une simulation de découpe au ras sur l’ensemble de la partie support.
5. Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel, une fois la simulation terminée, la partie correspondant à la pièce pré-déformée est dupliquée et repositionnée en vis-à-vis avant ré-assemblement en une seule et même pièce avec au moins un pilier de rattachement (étape 5).
6. Procédé de fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre au moyen d’un équipement de fabrication additive, caractérisé en ce que ledit procédé est commandé à partir du fichier de production généré par un procédé selon l’une des revendications précédentes (étape 7), une structure intermédiaire (S) ainsi obtenue comportant au moins deux pièces (10) jumelles à parois élancées reliées entre elles par au moins un pilier de rattachement s’étendant entre lesdites parois.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on usine une structure intermédiaire ainsi obtenue pour séparer les pièces et supprimer les piliers de rattachement.
8. Structure intermédiaire (S), fabriquée par fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux pièces (11a) jumelles à parois (13) élancées reliées entre elles par au moins un pilier de rattachement (14) s’étendant entre lesdites parois (13).
9. Structure intermédiaire (S) selon la revendication 8, caractérisée en ce qu’elle est fabriquée en mettant en œuvre le procédé de la revendication 6.
10. Pièce (10) de turbomachine caractérisée en ce qu’elle est obtenue en mettant en œuvre le procédé de fabrication additive par faisceau d’énergie sur lit de poudre selon la revendication 7.
11. Produit programme d’ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une des revendications 1 à 7, lorsqu'il est exécuté sur ordinateur.