WO2020201087A1 - Methode de conception d'un separateur air-huile - Google Patents

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Xavier Roger BETBEDER- LAÜQUE
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Definitions

  • Gas turbine aircraft engines have enclosures containing bearings and gears that are lubricated and cooled by oil.
  • seals are arranged between the rotating parts and the fixed parts of the enclosures, or even between the rotating parts themselves.
  • those offering the longest life are labyrinth seals and brush seals, the contact between the parts being non-existent in the first case and very limited in the second.
  • Such an air-oil separator also called a degasser, is generally arranged and driven by a mechanical power take-off at the level of the accessories box or the reduction gear of the turbomachine.
  • such a centrifugal degasser comprises one or more chamber (s) for centrifugal separation of the air / oil mixture arranged around a hollow shaft and delimited by an outer annular wall and an inner annular wall.
  • the degasser further comprises an axial inlet for supplying the enclosure with the air / oil mixture, and a peripheral oil outlet provided in the outer wall.
  • lattice structure is understood to mean a lattice structure corresponding to an assembly of metal segments crossed and held together so as to form a rigid and porous assembly.
  • the lattice structure is manufactured separately from the structural body of the air-oil separator, these two elements then being assembled.
  • the oil separator must be modeled on a computer-aided design CAD platform, for example CATIA ® developed by Dassault Systems.
  • a computer-implemented method for the design of a three-dimensional modeled object of a mechanical part, a sector of which comprises a body, comprising at least one cell, and a lattice structure housed in said cell, the method consists of the following steps:
  • step d) can consist of:
  • a skeleton including points and circles to define the segments and their intersections.
  • the elementary pattern is thus made up of segments, connected to each other. They are made from a skeleton, the points of which represent the ends of the segments and the circles the junction areas of these segments.
  • step e) can comprise the following steps:
  • the generation time corresponding to the calculation time at the various stages of design of an air-oil separator sector, was about 1 h 40 in the case of 'a lattice structure with 42 repetitions along x, 22 repetitions along y and 8 repetitions along z of the elementary pattern.
  • the generation time is approximately 25 s.
  • Such a transformation makes it possible to produce an intermediate volume with a curved lattice structure such as present in the air-oil separator.
  • the reduction in the number of data stored by the polygonal representation of the lattice structure makes it possible to facilitate and make faster the calculation of the geometric transformation of the first volume.
  • step f) can include the following step:
  • the polygonal representation of the lattice of the mechanical part is obtained, with an outer shape delimited by the outer shape of the integration volume.
  • the representation of the lattice structure has a complementary shape with an empty volume of the sector body.
  • step g) can include the following step:
  • step g) can be followed by the following step:
  • said mechanical part can be an air / oil separator.
  • the invention further relates to an additive manufacturing process, comprising a step of using said three-dimensional modeled object of the mechanical part obtained at the end of step h).
  • the modeled object can be manufactured by additive manufacturing.
  • the modeled object obtained from the mechanical part can be used so that it can be transmitted to an additive manufacturing platform or installation.
  • the invention also relates to a three-dimensional modeled object of an air-oil separator obtained by the process as described above.
  • the invention also relates to the data file storing the three-dimensional modeled object of an air-oil separator as described above.
  • the file thus comprises less data than the file comprising a three-dimensional modeled object entirely designed with CAD tools based on the representation by edges, and therefore can be more easily manipulated, or even transmitted.
  • the invention also relates to a computer program comprising instructions for implementing the method as described above, when it is executed on a processor.
  • the invention also relates to a data storage medium on which the program as described above is recorded.
  • the invention relates to a CAD system comprising a processor coupled to a memory and a graphical user interface and able to communicate with an additive manufacturing platform, such as the program as detailed above.
  • Such a system then makes it possible to manufacture the air-oil separator modeled by additive manufacturing, making it possible in particular to design a hybrid structure without having a welding operation.
  • FIG. 1 is a flowchart representing steps of the process according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of an air-oil separator
  • FIG. 3 is a front view of a sector of the air-oil separator of Figure 2;
  • FIG. 4 is a perspective view of the integration volume of the lattice structure
  • FIG. 5 illustrates several examples of elementary patterns
  • FIG. 6 is an example of a skeleton used for the design of elementary patterns
  • part A illustrates the structure of the first volume of the lattice obtained in step e) and part B illustrates the intermediate volume of the lattice obtained at the end of step e);
  • FIG. 8 Part A illustrates part of the modeled object obtained at the end of the process according to the invention and part B illustrates the modeled object at the end of the process according to the invention.
  • Figure 1 is a flowchart showing the course of the method according to the invention.
  • a first step E0 prior to the process corresponds to the supply of the mechanical part to be modeled.
  • the method aims to provide a method for designing a mechanical part which will be referred to here as a hybrid.
  • hybrid we therefore mean that the part comprises at least a portion of the lattice and at least a non-lattice (that is to say dense) part.
  • An example of this type of part is the centrifugal air-oil separator 2, a view of which is shown in Figure 2.
  • the air-oil separator 2 comprises a first shell surrounded by a second shell which defines the body of the air-oil separator.
  • the space between these two shells forms a vein 4 of revolution around the axis of revolution X of the air-oil separator 2, intended to circulate the air-oil mixture to be separated.
  • the air-oil separator 2 comprises cells 6 regularly distributed around the X axis. In each of these cells 6 are housed lattice structures 8, also called “foam”, making it possible to filter the finest droplets during the setting. rotation of the air-oil separator 2. With regard to the symmetry of revolution of this part 2 around the axis of revolution X, the design of a three-dimensional modeled object of the mechanical part 2 is made from an angular sector 10 of this part 2 with respect to the axis of revolution X.
  • the air-oil separator 2 is composed of an angular sector 10 which is repeated around the axis of revolution X. Thus, initially, only this angular sector 10 is modeled. .
  • the angular sector thus comprises a body 12, a dense one-piece part, comprising a honeycomb structure.
  • the honeycomb structure is composed of a 6 honeycomb and an 8 lattice structure.
  • the cell 6 has a curved shape according to an arc of a circle having a median radius with respect to the axis of revolution X of the oil separator.
  • a lattice structure 8 is housed in this cell 6. It is a lattice structure corresponding to an assembly of metal segments intersecting and held to each other so as to form a rigid assembly.
  • the first step E1 of the process for designing a three-dimensional modeled object of the oil separator 2 consists in providing a representation by the edges (B-Rep) of the body 12 of sector 10.
  • FIG. 3 An example of visualization of a body 12 of sector 10 modeled by the representation by the edges is illustrated in FIG. 3.
  • the body 12 is modeled with a cell 6, able to receive a lattice structure 8, arranged in a radially upper part with respect to the axis of revolution X.
  • the shape of the cell 6 is characterized by the following three dimensions: a minimum radius Rmin, a maximum radius Rmax, and a median radius Rrotean, shown in Figure 3.
  • the second step E2 consists in providing a representation by the edges (B-Rep) of an integration volume 14 of the lattice structure 8.
  • the integration volume 14 of the lattice structure corresponds to a full volume designed to materialize the volume in which the lattice structure 8 must be integrated.
  • An example of visualization of an integration volume 14 is illustrated in FIG. 4.
  • this integration volume 14 has a shape complementary to the cell, and therefore therefore has the same characterizing dimensions of the alveoli 6, in particular the same median radius RMSan.
  • RMSan median radius
  • the integration volume 14, modeled by a representation by edges, can be produced using CATIA for example, or any other suitable CAD software using the representation by edges.
  • Steps E1 and E2 can be performed so that the geometries of the body and of the sector's integration volume remain configurable.
  • the third step E3 consists in calculating a polygonal representation of the sector body 12 and a polygonal representation of the integration volume 14 of the lattice structure, from the representation by the edges (B-Rep) of the sector body 12.
  • This step consists in calculating and recording the data related to the surfaces of the modeled body and the modeled integration volume.
  • the modeled body and the modeled integration volume are saved in separate files in two formats: the native format of the CAD software used and in an stl data format used in stereolithography.
  • the stl format allows you to save only the three-dimensional area of the modeled objects. Unlike the native recording format of conventional CAD software, material information, texture information or other common parameters. Consequently, this type of format is lighter than the native formats of classic CAD software.
  • the fourth step E4 consists in providing a representation by the edges (B-Rep) of an elementary pattern 18 of the lattice structure 8.
  • the lattice structure 8 consists of an elementary pattern 18 which repeats in three directions in space, thus forming a three-dimensional network.
  • An elementary pattern 18 can be chosen from an infinite number of possible patterns, examples of which are illustrated in FIG. 5. As can be seen in FIG. 5, the width, the section, the length of each of the segments 20 constituting the pattern. Elementary 18 may vary. For example, the segments 20 can delimit a volume, can also include openings 22 or else can be of variable section. The segments 20 are generally metallic.
  • Such elementary patterns 18 are designed on CATIA or using any CAD software allowing a representation by the edges, from a skeleton 24. This is a diagram from which the elementary pattern 18 is designed. .
  • FIG. 6 An example of a skeleton 24 is illustrated in FIG. 6. It is composed of points 26, connected to each other by segments 28, as well as of circles 30, having these points 26 as their center.
  • the segments 28 represent the metal segments 20. constituting the elementary pattern 18.
  • the circles 30 represent the section either of a junction of two segments 20, or of a free end of segments 20.
  • the design of an elementary pattern 18 on the CAD software can be carried out by making certain dimensions configurable, so as to make it adjustable according to needs.
  • the designed elementary pattern 18 must meet the following two requirements:
  • the fifth step of the method E5 of the method consists in calculating a polygonal representation of an intermediate lattice structure 32 composed of a plurality of elementary patterns 18, from the representation by the edges (B-Rep) of the elementary pattern 18. As detailed above with reference to the third step E3, from the representation by the edges of the elementary pattern 18, a polygonal representation is calculated. Thus, only the modeling of the elementary pattern volume surface 18 is saved in a file in stl format.
  • the modeling of the intermediate lattice 32 structure is carried out using software, usually dedicated to animation modeling, Blender. Any other software that supports stl format support can be used as long as it has the necessary solid deformation and pattern repeating tools.
  • a first step consists in repeating in three mutually orthogonal directions the polygonal representation of the elementary pattern 18 so as to form a first volume. As can be seen in part A of FIG. 7, the repetition is carried out in the three directions x, y and z of the frame of reference 34.
  • the repetition of the elementary pattern 18 can be of a number distinct from one direction to the other. other, so as to obtain a paving stone.
  • a second step aims to determine the intermediate volume 32 by geometric transformation of the first volume.
  • An example of an intermediate volume lattice 32 is illustrated by part A of FIG. 7.
  • the image of the first volume by the geometric transformation allowing the conversion of a rectilinear line into a planar curve is calculated.
  • a spline is for example used.
  • the repetition along x corresponds to the repetition according to the median curvature of radius Rmedian.
  • the repetition along y corresponds to the maximum radius Rmax and the minimum radius Rmin.
  • the repetition according to corresponds to the height of the intermediate structure.
  • the sixth step E6 of the method consists in determining, from the polygonal representation of the integration volume 14 of the lattice structure and from the polygonal representation of the intermediate volume 32, the polygonal representation of the lattice structure 34. From this step, operations are performed using any software capable of reading stl formats. Preferably, with a view to subsequently manufacturing the part by an additive manufacturing platform, the operations can be carried out using additive manufacturing platform preparation software so as to obtain the part in this software capable of communicating with the additive manufacturing platform.
  • the Magic software can for example be used. The latter presents a particularly efficient anomaly detection and automatic repair module, suitable for complex structures such as lattices.
  • Step E6 consists in calculating the intersection between the polygonal representation of the integration volume 14 of the lattice structure and the polygonal representation of the intermediate volume 32 to obtain the polygonal representation of the lattice structure 8 of the sector of said mechanical part 2 .
  • the polygonal representation of the lattice structure 8 thus obtained has an external surface identical to the surface of the integration volume 14, visible in FIG. 4.
  • the seventh step E7 aims to assemble the polygonal representation of the sector body 12 and the polygonal representation of the lattice structure 8 determined so as to obtain a three-dimensional modeled object of the sector 10 of said mechanical part 2. This involves calculating the union of polygonal representation of the body 12 of the sector and the polygonal representation of the lattice structure 8 of the sector to obtain the polygonal representation of a sector 10 of said mechanical part 2.
  • the lattice structure 8 is then included in the cell 6 of the sector so these ends intersect the internal surface walls 16 of the cell 6. By crossing the internal surface walls 16 delimiting the cell 6, the connection between the body 12 of sector 10 and the lattice structure 8 is ensured.
  • the eighth step E8 of the process makes it possible to finalize the design and therefore to obtain a three-dimensional modeled object of the mechanical part having a symmetry of revolution, here the air-oil separator.
  • This step consists in repeating the polygonal representation of the sector obtained around the axis of revolution X of the ai-oil separator so as to obtain a three-dimensional modeled object of the separator.
  • the three-dimensional modeled object of the air-oil separator is saved in a data file from Magies.
  • This data file then groups together all geometry information that can be used for additive manufacturing.
  • a step subsequent to the progress of the process according to the invention consists of using the modeled object of the air-oil separator.
  • the method can be followed by an additive manufacturing method comprising a step of using said three-dimensional modeled object of the mechanical part obtained at the end of step E8.
  • a computer program including instructions for carrying out the process when executed on a processor can also be realized.
  • This program can be recorded on a data storage medium.
  • a CAD system In order to optimize the manufacturing process by additive manufacturing of the mechanical part, a CAD system can be designed.
  • This CAD system comprises a processor coupled to a memory and a graphical user interface and is able to communicate with an additive manufacturing platform.
  • the previously presented program can be saved to memory.

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Abstract

L'invention concerne un procédé implémenté par ordinateur pour la conception d'un objet modélisé tridimensionnel d'une pièce mécanique comprenant un corps, avec une alvéole, et une structure lattice dans ladite alvéole, qui comprend les étapes suivantes : a) Fournir (E1) une représentation par les bords ducorps; b) Fournir (E2) une représentation par les bords d'un volume d'intégration de la structure lattice; c) Calculer (E3) une représentation polygonale du corps et du volume d'intégration, à partir de la représentation par les bords du corps; d) Fournir (E4) une représentation par les bords d'un motif élémentaire de la structure lattice; e) Calculer (E5) une représentation polygonale d'une structure intermédiaire lattice, à partir de la représentation par les bords du motif élémentaire; f) Déterminer (E6), à partir de la représentation polygonale du volume d'intégration et du volume intermédiaire, unereprésentation polygonale de la structure lattice; g) Assembler (E7) la représentation polygonale du corps et de la structure lattice déterminée de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel du secteur.

Description

DESCRIPTION
TITRE : METHODE DE CONCEPTION D’UN SEPARATEUR AIR-HUILE
Domaine technique de l’invention
Les moteurs d'avion à turbine à gaz comportent des enceintes contenant des roulements et des engrenages qui sont lubrifiés et refroidis par de l'huile. Afin d'éviter les fuites d'huile vers l'extérieur de ces enceintes, des joints sont disposés entre les parties tournantes et les parties fixes des enceintes, voire entre les parties tournantes elles-mêmes. Parmi les technologies de joints disponibles, ceux offrant la plus grande durée de vie sont les joints labyrinthes et les joints à brosse, le contact entre les pièces étant inexistant dans le premier cas et très limité dans le second.
Etat de la technique antérieure
Pour assurer une parfaite étanchéité d'enceintes munies de joints labyrinthes ou de joints à brosse, il est en revanche nécessaire de faire passer un débit d'air par les joints, ce débit d'air étant généralement prélevé sur un étage du compresseur du moteur. Le recours à un tel procédé implique de prévoir également des dispositifs séparant l'huile de l'air à évacuer à l'extérieur du moteur. De tels dispositifs - communément appelés séparateur air-huile ou encore déshuileurs - sont bien connus en soi. On pourra par exemple se référer aux documents EP 1582703, US 4,981 ,502 et US 6,033,450 qui décrivent différents types de déshuileurs centrifuges.
Un tel séparateur air-huile, encore nommé dégazeur, est en général agencé et entraîné par une prise de puissance mécanique au niveau de la boîte d’accessoires ou du réducteur de la turbomachine.
De manière connue, un tel dégazeur centrifuge comprend une ou plusieurs enceinte(s) de séparation centrifuge du mélange air/huile agencée(s) autour d’un arbre creux et délimitée(s) par une paroi annulaire externe et une paroi annulaire interne. Le dégazeur comprend en outre une entrée axiale d’alimentation de l’enceinte avec le mélange air/huile, et une sortie d’huile périphérique ménagée dans la paroi externe. Ainsi, lors de la mise en rotation du dégazeur, obtenue en général par l’intermédiaire d’un pignon de la boite d’accessoires ou du réducteur, l’huile est naturellement entraînée par force centrifuge vers la sortie d’huile ménagée en périphérie du dégazeur. Une sortie d’air déshuilé est en outre ménagée dans la paroi interne et reliée à l’arbre creux, ce qui permet d’évacuer l’air vers l’extérieur.
Ainsi, le débit d’air et d’huile circulant dans le séparateur air-huile est filtré à travers des structures lattice. Par structure lattice, on entend une structure treillis correspondant à un assemblage de segments métalliques entrecroisés et maintenus les uns aux autres de sorte à former un ensemble rigide et poreux. Dans la technique actuelle, la structure lattice est fabriquée séparément du corps structurel du séparateur air-huile, ces deux éléments étant assemblés ensuite. Avec le développement de l’utilisation de la fabrication additive pour la fabrication des pièces de turbomachine, l’utilisation de cette technologie est envisageable pour la fabrication de structure hybride tel qu’un séparateur air-huile.
Pour cela, le séparateur d’huile doit être modélisé sur une plateforme de conception assistée par ordinateur CAO (en anglais Computer-aided design CAD), par exemple CATIA ® développé par Dassault Systems.
Néanmoins, la modélisation de structures répétitives complexes telles que les lattices sur CATIA, qui est basé sur la représentation par les bords (en anglais B-rep pour boundary représentation) nécessite le stockage d’un grand nombre de données, et donc requiert beaucoup d’espace mémoire. Les objets ainsi modélisés peuvent être difficiles à manipuler (temps de traitement et de calculs longs).
Les problèmes rencontrés par les outils de CAO, comme CATIA, lors de la modélisation de géométrie paramétrées telles que celle des lattices
sont principalement lié à la quantité des données manipulées, rendant par exemple la visualisation lente et toute modification chronophage requérant des temps de calcul important. En effet, le grand nombre de données stockées pour les objets modélisés par le biais d’une représentation par les bords, rend la modélisation d’une telle structure lattice chronophage, et résulte en un fichier volumineux difficilement exploitable dont la manipulation est rendue difficile.
On comprend donc que la difficulté exposée ci-dessus de représentation et de manipulation de structures répétitives comprenant des lattices se pose de manière évidente dans un séparateur air/huile mais peut également être envisagé pour la conception d’autres pièces mécaniques telles que des pièces de structure (chapes, supports), de transmission de puissance (pignon, arbre), d’échanges thermiques, de protection feu, d’isolation acoustique. L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes de l’art antérieur décrit précédemment.
Résumé de l’invention
A cet effet, il est proposé un procédé implémenté par ordinateur pour la conception d’un objet modélisé tridimensionnel d’une pièce mécanique dont un secteur comprend un corps, comportant au moins une alvéole, et une structure lattice logée dans ladite alvéole, le procédé comprend les étapes suivantes :
a) Fournir une représentation par les bords (B-Rep) du corps de secteur ;
b) Fournir une représentation par les bords (B-Rep) d’un volume d’intégration de la structure lattice ;
c) Calculer une représentation polygonale du corps de secteur et une représentation polygonale du volume d’intégration de la structure lattice, à partir de la représentation par les bords (B-Rep) du corps de secteur ;
d) Fournir une représentation par les bords (B-Rep) d’un motif élémentaire de la structure lattice ;
e) Calculer une représentation polygonale d’une structure intermédiaire lattice composée d’une pluralité de motifs élémentaires, à partir de la représentation par les bords (B-Rep) du motif élémentaire;
f) Déterminer, à partir de la représentation polygonale du volume d’intégration de la structure lattice et de la représentation polygonale du volume intermédiaire, une représentation polygonale de la structure lattice ;
g) Assembler la représentation polygonale du corps de secteur et la représentation polygonale de la structure lattice déterminée de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel du secteur de ladite pièce mécanique.
L’utilisation de la représentation polygonale pour modéliser la structure lattice d’une pièce métallique, ne nécessite pas autant de données qu’une représentation par les bords. Par conséquent, une réduction importante des données stockées pour l’objet modélisé représentant pièce mécanique est obtenue, ce qui rend la manipulation de l’objet plus facile, et des modifications peuvent être apportées sans engendrer des temps de calculs importants. L’utilisation de deux types de représentation pour la modélisation d’une structure hybride d’une pièce mécanique telle que le séparateur air-huile, permet de conserver pour les structures simples, tel que le corps du séparateur, la richesse de données d’une représentation par les bords, et de réduire ces données pour la modélisation de structure complexes de géométrie paramétrées. La modélisation du corps par une représentation par les bords sous CATIA® par exemple, permet à la fois d’avoir une géométrie du corps éditable à tout moment et d’accéder facilement à l’historique des modifications de la géométrie du corps. Une fois la modélisation du corps polygonalisée, toutes les informations relatives à l’historique des modifications de la géométrie du corps sont perdues, introduisant de fait une part d’approximation sur l’obtention de la géométrie.
Cela permet ainsi aux concepteurs de pouvoir manipuler la pièce mécanique modélisée : en d’autres termes, la réduction des données stockées pour la structure hybride, permet de réduire le nombre de données à traiter pour les opérations de visualisation ou de modification, et donc de réduire le temps de génération de la pièce. En outre, le changement de représentation s’avère compatible avec le format de données admis par les logiciels de préparation des plateformes de fabrication additive. A l’issu, l’objet modélisé peut donc être stocké dans un fichier directement exploitable pour la fabrication additive. Selon une caractéristique, l’étape d) peut consister à :
Fournir un squelette comprenant des points et des cercles afin de définir les segments et leurs intersections.
Le motif élémentaire est ainsi constitué de segments, reliés les uns aux autres. Ils sont réalisés à partir d’un squelette, dont les points représentent les extrémités des segments et les cercles les zones de jonctions de ces segments.
Selon une autre caractéristique de l’invention, l’étape e) peut comprendre les étapes suivantes :
Répéter selon trois directions orthogonales entre elles la représentation polygonale du motif élémentaire de sorte à former un premier volume ;
Déterminer le volume intermédiaire par transformation géométrique du premier volume. La représentation polygonale du motif élémentaire permet d’obtenir simplement et rapidement le premier volume, par répétition dans les trois directions de l’espace dudit motif élémentaire. Le nombre de données du premier volume s’en trouve réduit, ce qui permet de le manipuler numériquement rapidement. Par conséquent, le volume intermédiaire obtenu par transformation géométrique du premier volume, est calculé quasiment instantanément. En comparaison, dans la technique antérieure relative à un séparateur air-huile, le temps de génération, correspondant au temps de calcul aux différentes étapes de conception d’un secteur de séparateur air-huile, était d’environ 1 h40 dans le cas d’une structure lattice avec 42 répétitions selon x, 22 répétitions selon y et 8 répétitions selon z du motif élémentaire. Pour une même structure lattice, avec le procédé ici proposé, le temps de génération est de 25 s environ.
S’agissant d’une structure de forme globalement cylindrique, la transformation géométrique permettant la conversion d’une ligne rectiligne en une courbe plane peut être utilisée. Une spline peut ainsi être utilisée.
Une telle transformation permet de réaliser un volume intermédiaire avec une structure lattice courbée telle que présente dans le séparateur air-huile. La réduction du nombre de données stockées par la représentation polygonale de la structure lattice permet de faciliter et de rendre plus rapide le calcul de la transformation géométrique du premier volume.
En outre, selon une caractéristique supplémentaire, l’étape f) peut comprendre l’étape suivante :
Calculer l’intersection entre la représentation polygonale du volume d’intégration de la structure lattice et de la représentation polygonale du volume intermédiaire pour obtenir la représentation polygonale de la structure lattice du secteur ladite pièce mécanique.
De cette manière, la représentation polygonale de la lattice de la pièce mécanique est obtenue, avec une forme extérieure délimitée par la forme extérieure du volume d’intégration. De cette manière, la représentation de la structure lattice a une forme complémentaire avec un volume vide du corps de secteur.
Également, l’étape g) peut comprendre l’étape suivante :
calculer l’union de représentation polygonale du corps de secteur et la représentation polygonale de la structure lattice du secteur pour obtenir la représentation polygonale d’un secteur de ladite pièce mécanique.
Une représentation polygonale d’un secteur de la pièce mécanique est alors obtenue, cette représentation étant lisible par les logiciels des plateformes de fabrication additives. Ainsi, de par la taille réduite des données de cette représentation, elle peut facilement être transmise, et la pièce mécanique peut être fabriquée au moyen d’une plateforme ou installation de fabrication additive. Selon une autre caractéristique, l’étape g) peut être suivie de l’étape suivante :
répéter la représentation polygonale du secteur de ladite pièce mécanique obtenue autour d’un axe de révolution de ladite pièce mécanique de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel de ladite pièce mécanique.
Ainsi, la pièce mécanique dans son intégralité peut facilement être modélisée en exploitant sa forme de révolution.
En particulier, selon une autre caractéristique, ladite pièce mécanique peut être un séparateur air/huile.
L’invention porte en outre sur un procédé de fabrication additive, comprenant une étape d’utilisation dudit objet modélisé tridimensionnel de la pièce mécanique obtenu à l’issu de l’étape h). L’objet modélisé peut être fabriqué par fabrication additive.
Par conséquent, à l’issu du procédé présenté ci-dessus, l’objet modélisé obtenu de la pièce mécanique est exploitable de sorte à pouvoir être transmis en entrée d’une plateforme ou installation de fabrication additive.
L’invention concerne également un objet modélisé tridimensionnel d’un séparateur air-huile obtenu par le procédé tel que décrit précédemment.
L’invention concerne également le fichier de données stockant l’objet modélisé tridimensionnel d’un séparateur air-huile tel que décrit ci-dessus.
Le fichier comprend ainsi moins de données que le fichier comprenant un objet modélisé tridimensionnel entièrement conçu avec les outils CAO basé sur la représentation par les bords, et donc peut être plus facilement manipulé, voir transmis.
L’invention porte aussi sur un programme d’ordinateur comprenant des instructions pour mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment, lorsqu’il est exécuté sur un processeur.
L’invention se rapporte aussi à un support de stockage de données sur lequel est enregistré le programme tel que décrit ci-dessus. Enfin, l’invention porte sur un système CAO comprenant un processeur couplé à une mémoire et une interface utilisateur graphique et apte à communiquer avec une plateforme de fabrication additive, tel que le programme tel que détaillé ci-dessus.
Un tel système permet alors de permettre la fabrication du séparateur air-huile modélisé par fabrication additive, permettant en particulier de concevoir une structure hybride sans avoir d’opération de soudage.
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.
Brève description des figures
[Fig. 1] est un ordinogramme représentant des étapes du procédé selon l’invention ;
[Fig. 2] est une vue en perspective d’un séparateur air-huile ;
[Fig. 3] est une vue de face d’un secteur du séparateur air-huile de la figure 2 ;
[Fig. 4] est une vue en perspective du volume d’intégration de la structure lattice ;
[Fig. 5] illustre plusieurs exemples de motifs élémentaires ;
[Fig. 6] est un exemple de squelette servant à la conception des motifs élémentaires ;
[Fig. 7] la partie A illustre la structure le premier volume de lattice obtenu lors de l’étape e) et la partie B illustre le volume intermédiaire de lattice obtenu au terme de l’étape e) ;
[Fig. 8] la partie A illustre une partie de l’objet modélisé obtenu au terme du procédé selon l’invention et la partie B illustre l’objet modélisé au terme du procédé selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 est un ordinogramme représentant le déroulement du procédé selon l’invention. Une première étape E0 préalable au procédé correspond à la fourniture de la pièce mécanique à modéliser. Ici, le procédé vise à proposer un procédé pour concevoir une pièce mécanique que l’on qualifiera ici d’hybride. Par hybride, on entend donc que la pièce comprend au moins une portion de lattice et au moins une partie non lattice (c’est-à-dire dense). Un exemple de ce type de pièce est le séparateur air-huile centrifuge 2, dont une vue est illustrée à la figure 2.
Le séparateur air-huile 2 comprend une première coque entourée d’une deuxième coque qui définissent le corps du séparateur air-huile. L’espace entre ces deux coques forme une veine 4 de révolution autour de l’axe de révolution X du séparateur air-huile 2, destiné à faire circuler le mélange air-huile à séparer.
Le séparateur air-huile 2 comprend des alvéoles 6 régulièrement répartis autour de l’axe X. Dans chacune de ces alvéoles 6 sont logées des structures lattices 8, également appelé « mousse », permettant de filtrer les plus fines gouttelettes lors de la mise en rotation du séparateur air-huile 2. Au regard de la symétrie de révolution de cette pièce 2 autour de l’axe de révolution X, la conception d’un objet modélisé tridimensionnel de la pièce mécanique 2 est réalisée à partir d’un secteur angulaire 10 de cette pièce 2 par rapport à l’axe de révolution X.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le séparateur air-huile 2 est composé d’un secteur angulaire 10 qui est répété autour de l’axe de révolution X. Ainsi, dans un premier temps, seul ce secteur angulaire 10 est modélisé.
Un exemple de secteur angulaire 10 à modéliser du séparateur air-huile est indiqué sur la figure 2.
Le secteur angulaire comprend ainsi un corps 12, une pièce dense monobloc, comportant une structure alvéolaire. La structure alvéolaire est composée d’une alvéole 6 et d’une structure lattice 8.
L’alvéole 6 présente une forme courbe selon un arc de cercle ayant un rayon médian par rapport à l’axe de révolution X du déshuileur. Comme on peut le voir sur la figure 2, une structure lattice 8 est logée dans cette alvéole 6. Il s’agit d’une structure en treillis correspondant à un assemblage de segments métalliques entrecroisés et maintenus les uns aux autres de sorte à former un ensemble rigide.
La première étape E1 du procédé de conception d’un objet modélisé tridimensionnel du déshuileur 2 consiste à fournir une représentation par les bords (B-Rep) du corps 12 de secteur 10.
Il s’agit de modéliser, à l’aide des outils classique de conception assisté par ordinateur (CAO), tels que CATIA, le corps 12 du secteur 10 en respectant sa géométrie et ses dimensions qui sont définies et paramétrées.
Un exemple de visualisation d’un corps 12 de secteur 10 modélisé par la représentation par les bords est illustré à la figure 3. Comme on peut le voir, le corps 12 est modélisé avec une alvéoles 6, apte à recevoir une structure lattice 8, aménagée dans une partie radialement supérieure par rapport à l’axe de révolution X.
La forme de l’alvéole 6 est caractérisée par les trois dimensions suivantes : un rayon minimum Rmin, un rayon maximum Rmax, et un rayon médian Rmédian, indiquées sur la figure 3.
La deuxième étape E2 consiste à fournir une représentation par les bords (B-Rep) d’un volume d’intégration 14 de la structure lattice 8.
Le volume d’intégration 14 de la structure lattice correspond à un volume plein conçu pour matérialiser le volume dans lequel la structure lattice 8 doit s’intégrer. Un exemple de visualisation d’un volume d’intégration 14 est illustré à la figure 4. Comme on peut le voir, ce volume d’intégration 14 présente une forme complémentaire à l’alvéole, et présente donc par conséquent les mêmes dimensions caractérisantes de l’alvéoles 6, en particulier le même rayon médian Rmédian. Pour s’assurer d’une bonne intersection de la structure lattice 8 avec le corps du secteur 12 lors de l’assemblage ultérieur de ces deux éléments, il est judicieux de concevoir le volume d’intégration 14 de sorte qu’il intersecte la surface interne 16 du corps de secteur délimitant l’alvéole 6.
Le volume d’intégration 14, modélisé par une représentation par les bords, peut être réalisé sous CATIA par exemple, ou tout autre logiciel de CAO adapté utilisant la représentation par les bords.
Les étapes E1 et E2 peuvent être réalisées de sorte que les géométries du corps et du volume d’intégration du secteur restent paramétrables.
La troisième étape E3 consiste à calculer une représentation polygonale du corps 12 de secteur et une représentation polygonale du volume d’intégration 14 de la structure lattice, à partir de la représentation par les bords (B-Rep) du corps 12 de secteur.
Cette étape consiste à calculer et enregistrer les données liées aux surfaces du corps modélisé et du volume d’intégration modélisé. Ainsi le corps modélisé et le volume d’intégration modélisé sont enregistrés dans des fichiers distincts sous deux formats : le format natif du logiciel CAO utilisé et sous un format de données stl utilisé en stéréolithographie.
Le format stl permet d’enregistrer uniquement la surface en trois dimensions des objets modélisés. Contrairement au format d’enregistrement natifs des logiciels de CAO classique, d’information sur la matière, la texture ou d’autres paramètres habituels. Par conséquent ce type de format est plus léger que les formats natifs des logiciels CAO classique.
La quatrième étape E4 consiste à fournir une représentation par les bords (B-Rep) d’un motif élémentaire 18 de la structure lattice 8.
La structure lattice 8 est constituée d’un motif élémentaire 18 qui se répète selon trois directions de l’espace, formant ainsi un réseau tridimensionnel.
Un motif élémentaire 18 peut être choisi parmi une infinité de motifs possibles, dont des exemples sont illustrés à la figure 5. Comme on peut le voir sur la figure 5, la largeur, la section, la longueur de chacun des segments 20 constitutifs du motif élémentaire 18 peuvent varier. Par exemple, les segments 20 peuvent délimiter un volume, peuvent également comprendre des ouvertures 22 ou encore peuvent être à section variable. Les segments 20 sont en général métalliques.
De tels motifs élémentaires 18 sont conçus sur CATIA ou à l’aide de tout logiciel CAO permettant une représentation par les bords, à partir d’un squelette 24. Il s’agit d’un schéma à partir duquel est conçu le motif élémentaire 18.
Un exemple de squelette 24 est illustré à la figure 6. Il est composé de points 26, reliés les uns aux autres par des segments 28, ainsi que de cercles 30, ayant pour centre ces points 26. Les segments 28 représentent les segments 20 métalliques constitutifs du motif élémentaire 18. Les cercles 30 représentent la section soit d’une jonction de deux segments 20, soit d’une extrémité libre de segments 20. La conception d’un motif élémentaire 18 sur le logiciel de CAO peut être effectué en rendant paramétrables certaines dimensions, de sorte à le rendre ajustable en fonction des besoins. Le motif élémentaire 18 conçu doit remplir les deux exigences suivantes :
La fabricabilité du motif élémentaire 18 en fonction du procédé de fabrication envisagé, par exemple par impression 3D ;
La coïncidence des motifs élémentaires 18 répétés dans la structure lattice 8 de sorte d’assurer la continuité de cette dernière.
La cinquième étape du procédé E5 du procédé consiste à calculer une représentation polygonale d’une structure intermédiaire lattice 32 composée d’une pluralité de motifs élémentaires 18, à partir de la représentation par les bords (B-Rep) du motif élémentaire 18. Comme détaillé plus haut en référence à la troisième étape E3, à partir de la représentation par les bords du motif élémentaire 18, une représentation polygonale, est calculée. Ainsi, seule la modélisation de la surface volumique motif élémentaire 18 est enregistrée dans un fichier au format stl.
Par la suite, la réalisation de la modélisation de la structure intermédiaire lattice 32 est réalisé à l’aide d’un logiciel, habituellement dédié à la modélisation d’animation, Blender. Tout autre logiciel supportant la gestion du format stl peut être utilisé à condition qu’il possède les outils nécessaires de déformation de solides et de répétition de motifs.
Sous Blender, une première étape consiste à répéter selon trois directions orthogonales entre elles la représentation polygonale du motif élémentaire 18 de sorte à former un premier volume. Comme cela est visible sur la partie A de la figure 7, la répétition est réalisée selon les trois directions x, y et z du référentiel 34. La répétition du motif élémentaire 18 peut être d’un nombre distinct d’une direction à l’autre, de sorte à obtenir un pavé.
Une deuxième étape vise à déterminer le volume intermédiaire 32 par transformation géométrique du premier volume. Un exemple de volume intermédiaire lattice 32 est illustré par la partie A de la figure 7. Afin de s’assurer que la structure lattice 8 présente la même courbure que l’alvéole 6 selon la direction x, l’image du premier volume par la transformation géométrique permettant la conversion d’une ligne rectiligne en une courbe plane est calculée. Une spline est par exemple utilisée.
Ainsi, comme on peut le voir sur la partie A de la figure 7, la répétition selon x, correspond à la répétition selon la courbure médiane de rayon Rmédian. La répétition selon y correspond au rayon maximal Rmax et le rayon minimum Rmin. La répétition selon correspond à la hauteur de la structure intermédiaire.
La sixième étape E6 du procédé consiste à déterminer, à partir de la représentation polygonale du volume d’intégration 14 de la structure lattice et de la représentation polygonale du volume intermédiaire 32, la représentation polygonale de la structure lattice 34. A partir de cette étape, les opérations sont réalisées via n’importe quel logiciel capable de lire les formats stl. De préférence, dans l’optique de fabriquer par la suite la pièce par une plateforme de fabrication additive, les opérations peuvent être réalisées sous un logiciel de préparation de plateforme de fabrication additive de sorte à obtenir la pièce dans ce logiciel apte à communiquer avec la plateforme de fabrication additive. Le logiciel Magies peut par exemple être utilisé. Ce dernier présente un module de détection d’anomalie et de réparation automatique particulièrement efficace, et adapté pour les structures complexes telles que les structures lattices.
L’étape E6 consiste à calculer l’intersection entre la représentation polygonale du volume d’intégration 14 de la structure lattice et de la représentation polygonale du volume intermédiaire 32 pour obtenir la représentation polygonale de la structure lattice 8 du secteur de ladite pièce mécanique 2.
Il s’agit donc de calculer le résultat de l’opération d’intersection booléenne entre les représentations polygonales respectives du volume d’intégration 14 et de la structure intermédiaire lattice 32. La représentation polygonale de la structure lattice 8 ainsi obtenue, visible sur la partie B de la figure 7, a une surface extérieure identique à la surface du volume d’intégration 14, visible en figure 4.
La septième étape E7 vise à assembler la représentation polygonale du corps 12 de secteur et la représentation polygonale de la structure lattice 8 déterminée de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel du secteur 10 de ladite pièce mécanique 2. Il s’agit de calculer l’union de représentation polygonale du corps 12 de secteur et la représentation polygonale de la structure lattice 8 du secteur pour obtenir la représentation polygonale d’un secteur 10 de ladite pièce mécanique 2. La structure lattice 8 est alors incluse dans l’alvéole 6 du secteur de sorte ces extrémités intersecte les parois surfacique interne 16 de l’alvéole 6. En traversant les parois interne surfacique 16 délimitant l’alvéole 6, la connexion entre le corps 12 de secteur 10 et la structure lattice 8 est assurée.
Deux vues du secteur 10 obtenu par le biais de ce procédé sont visibles aux parties A et B de la figures 8.
La huitième étape E8 du procédé, permet de finaliser la conception et donc d’obtenir un objet modélisé tridimensionnel de la pièce mécanique ayant une symétrie de révolution, ici le séparateur air-huile. Cette étape consiste à répéter la représentation polygonale du secteur obtenu autour de l’axe de révolution X du séparateur ai-huile de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel du séparateur.
Ainsi, l’objet modélisé tridimensionnel du séparateur air-huile est enregistré dans un fichier de données à partir de Magies. Ce fichier de données regroupe alors toutes informations de géométries exploitables pour la fabrication additive. Une étape postérieure au déroulé du procédé selon l’invention, consiste utiliser l’objet modélisé du séparateur air-huile. En particulier le procédé peut être suivi d’un procédé de fabrication additive comprenant une étape d’utilisation dudit objet modélisé tridimensionnel de la pièce mécanique obtenu à l’issu de l’étape E8.
De sorte à optimiser le processus numérique de conception de l’objet modélisé tridimensionnel de la pièce mécanique, un programme d’ordinateur comprenant des instructions pour mettre en œuvre le procédé lorsqu’il est exécuté sur un processeur peut également être réalisé. Ce programme pouvant être enregistré sur un support de stockage de données.
De sorte à optimiser le processus de fabrication par fabrication additive de la pièce mécanique, un système CAO peut être conçu. Ce système CAO comprend un processeur couplé à une mémoire et une interface utilisateur graphique et est apte à communiquer avec une plateforme de fabrication additive. Le programme présenté précédemment peut être enregistré sur la mémoire.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé implémenté par ordinateur pour la conception d’un objet modélisé tridimensionnel d’une pièce mécanique (2) dont un secteur (10) comprend un corps (12), comportant au moins une alvéole (6), et une structure lattice (8) logée dans ladite alvéole (6), le procédé comprend les étapes suivantes :
a) Fournir une représentation par les bords (B-Rep) du corps (12) de secteur ;
b) Fournir une représentation par les bords (B-Rep) d’un volume d’intégration (14) de la structure lattice ;
c) Calculer une représentation polygonale du corps (12) de secteur et une représentation polygonale du volume d’intégration (14) de la structure lattice, à partir de la représentation par les bords (B-Rep) du corps (12) de secteur ;
d) Fournir une représentation par les bords (B-Rep) d’un motif élémentaire (18) de la structure lattice ;
e) Calculer une représentation polygonale d’une structure intermédiaire lattice (32) composée d’une pluralité de motifs élémentaires (18), à partir de la représentation par les bords (B-Rep) du motif élémentaire (18);
f) Déterminer, à partir de la représentation polygonale du volume d’intégration de la structure lattice et de la représentation polygonale du volume intermédiaire, une représentation polygonale de la structure lattice (8) ;
g ) Assembler la représentation polygonale du corps (12) de secteur et la représentation polygonale de la structure lattice (8) déterminée de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel du secteur (10) de ladite pièce mécanique (2).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l’étape e) comprend les étapes suivantes :
Répéter selon trois directions orthogonales entre elles la représentation polygonale du motif élémentaire (18) de sorte à former un premier volume ;
Déterminer le volume intermédiaire (32) par transformation géométrique du premier volume.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape f) comprend l’étape suivante :
Calculer l’intersection entre la représentation polygonale du volume d’intégration (14) de la structure lattice et de la représentation polygonale du volume intermédiaire (32) pour obtenir la représentation polygonale de la structure lattice (8) du secteur (10) de ladite pièce mécanique (2).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape g) comprend l’étape suivante : Calculer l’union de représentation polygonale du corps (12) de secteur et la représentation polygonale de la structure lattice (8) du secteur pour obtenir la représentation polygonale d’un secteur (10) de ladite pièce mécanique (2).
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape g) est suivi de l’étape suivante :
h) Répéter la représentation polygonale du secteur (10) de ladite pièce mécanique (2) obtenue autour d’un axe de révolution X de ladite pièce mécanique (2) de manière à obtenir un objet modélisé tridimensionnel de ladite pièce mécanique (2).
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel ladite pièce mécanique (2) est un séparateur air/huile.
7. Procédé de fabrication, caractérisé en ce qu’il comprend une utilisation de l’objet modélisé tridimensionnel de la pièce mécanique (2) obtenu à l’issu de l’étape h), l’objet modélisé étant fabriqué par fabrication additive.
8. Objet modélisé tridimensionnel d’une pièce mécanique (2) obtenu par le procédé selon l’une des revendications 1 à 6.
9. Fichier de données stockant l’objet modélisé tridimensionnel d’un séparateur air-huile selon la revendication 8.
10. Programme d’ordinateur comprenant des instructions pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des quelconques revendications 1 à 6, lorsqu’il est exécuté sur un processeur.
11. Support de stockage de données sur lequel est enregistré le programme de la revendication 10.
12. Système CAO comprenant un processeur couplé à une mémoire et une interface utilisateur graphique et apte à communiquer avec une plateforme de fabrication additive, tel que le programme selon la revendication 10 est enregistré sur la mémoire.
PCT/EP2020/058715 2019-03-29 2020-03-27 Methode de conception d'un separateur air-huile Ceased WO2020201087A1 (fr)

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