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Projet Carnot PROMIS

Projet Carnot PROMIS

par Gaëtan Lefèvre9 décembre 2016
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Le projet Carnot PROMIS (Procédés de Métallurgie InnovantS) explore la fabrication d’une « winglet », ailette marginale de voilure d’une maquette d’avion destinée aux essais en soufflerie. Pour la réalisation de pièces complexes, l’ONERA s’est tourné vers la possibilité d’utiliser la fabrication additive. Présentation et explication.

Par M. Thomas, ingénieur chef de projet à l’ONERA, E. Eglinger et F. Ternoy.

 

Les avancées technologiques acquises dans le domaine de la fabrication additive suscitent un fort intérêt de la part de l’ONERA, le centre français de recherche aérospatiale et de défense, avec notamment une réduction significative des coûts et des temps de réalisation d’éléments de maquettes grâce à la suppression d’outillage et à la simplification de la conception. C’est ainsi que pour certaines pièces métalliques de géométrie très complexe et fortement équipées en prises de pression, la technique SLM (Fusion sélective par laser, traduction de Selective Laser Melting), ou LBM (Laser Beam Melting) s’avère parfaitement adaptée. Ce gain doit cependant rester compatible avec les principales contraintes liées à l’utilisation de ces maquettes, à savoir :

  • la précision géométrique ;
  • la tenue aux efforts aérodynamiques ;
  • la compatibilité avec des conditions d’essai parfois sévères (vibrations, températures, pression…).

Ailette en acier maraging

Dans le cadre du projet PROMIS mené par l’ONERA, les activités ont porté sur la faisabilité d’obtention d’une pièce de démonstration en acier maraging par fabrication additive pour applications cryogéniques. La pièce « test » sur laquelle se base la présente étude est une « winglet » (ailette marginale située en extrémité de voilure) fortement équipée en prises de pression.

La répartition de pression sur la surface externe d’un aéronef est une mesure largement utilisée lors d’essais en soufflerie. Pour cela, le client définit un certain nombre de points situés sur la surface de la maquette et au niveau desquels la pression statique est mesurée de manière ponctuelle. En chacun de ces points, un perçage de quelques dixièmes de millimètre de diamètre est réalisé. Ce perçage est relié à un canal, généralement percé dans la masse de la pièce équipée. Lorsque le volume disponible le permet, ce perçage est prolongé par un tube en inox qui chemine dans la maquette jusqu’à un multicapteur situé en général dans le fuselage lorsqu’il s’agit d’une maquette complète ou à la paroi de la soufflerie dans le cas d’une demi maquette. Le multicapteur traduit l’information de pression physique ainsi transmise par les canaux en une information électrique qui sera ensuite traitée par la chaîne de mesure.

L’acier maraging a été sélectionné en raison des fortes sollicitations en soufflerie, de manière générale, et à sa compatibilité avec des conditions d’essais cryogéniques. De plus, cet acier est parfaitement adapté pour la fabrication additive car il se caractérise par une faible dilatation pour des écarts de température importants.

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Des méthodes traditionnelles non fonctionnelles

Les moyens de production dits « conventionnels » de ce type de pièce se basent essentiellement sur les techniques de réalisation par enlèvement de matière. Dans ce cas précis, la winglet est composée d’un corps principal dans lequel sont usinés des canaux rectilignes obtenus par perçage au foret ou par électroérosion. Ces canaux débouchent dans les prises de pression réalisées par perçage également à la surface de la pièce. De nombreux points de mesure sont situés dans des zones relativement peu accessibles telles que le bord de fuite ou le bord d’attaque en extrémité de pièce, ce qui rend particulièrement délicate la réalisation de ces canaux. D’autre part, étant donnée la forme courbée de la pièce, on comprend aisément qu’il n’est pas envisageable de se limiter à un simple perçage pour réaliser le canal de chaque prise de pression. Il est en effet nécessaire d’aménager de larges poches dans lesquelles seront connectés des tubes inox aux canaux ainsi réalisés. Cette méthode qui permet de réaliser l’équipement en prise de pression sur la plupart des maquettes implique des temps de cycles relativement longs à toutes les étapes du processus d’élaboration de la maquette, depuis sa conception jusqu’aux opérations d’équipement.

La fabrication additive comme solution

Dans le cas d’une solution basée sur la technologie de fabrication additive, les canaux sont directement réalisés dans la masse de la winglet : il n’est, dans ce cas, plus nécessaire d’avoir recours à des tubes pour connecter le canal de prise de pression situé à proximité de la surface et à l’emplanture de la pièce. Les rainures et les capots dédiés à cet équipement ne sont par conséquent plus nécessaires.

La définition du brut qui sera réalisé par fabrication additive est obtenue de la manière suivante :

  • des pavés de matières nécessaires au maintien de la pièce pour les opérations de finition sont ajoutés ;
  • une surépaisseur est ajoutée au niveau de la forme aérodynamique et des interfaces de la winglet afin de réaliser une opération d’usinage de finition qui assurera la précision géométrique de la pièce.

En résumé, pour les pièces présentant une forte densité d’équipement en prises de pression, en comparaison avec une solution dite « conventionnelle », la solution par fabrication additive permet :

  • une réduction significative du temps de conception ;
  • une réduction du temps de calcul et une meilleure précision des résultats ;
  • une réduction du temps de fabrication.

Le choix des poudres

La réussite d’une telle réalisation repose non seulement sur la qualité du brut réalisé par fabrication additive mais aussi sur la précision des contrôles et des usinages effectués (conception, méthode de réalisation, processus d’usinage, détermination des références géométriques de la pièce réelle, précision des usinages). La fabrication de la pièce de démonstration a nécessité au préalable la réalisation d’éprouvettes technologiques pour valider les étapes de fabrication. Un protocole a été mis en place au Département Matériaux et Structures Métalliques (DMSM) pour identifier les différences entre deux lots de poudre d’acier maraging de provenance EOS et TLS :

  • des mesures de densité (mesure de densité tassée ou vibrée) ;
  • la répartition de tailles de poudres (mesure du spectre granulométrique par tamisage successif) ;
  • une statistique de la morphologie des poudres (analyse d’image) ;
  • une analyse chimique des grains de poudres (spectrométrie à plasma à couplage inductif – ICP).

La poudre EOS apparaît ainsi plus fine que la poudre TLS, avec un Fmédian ~ 25 mm pour EOS contre 32 mm pour TLS. Concernant les particules très fines (0-20 mm), elles représentent ~ 33 % de la poudre EOS contre 19 % de la poudre TLS. Inversement, les grosses particules (>40 mm) sont plus fréquentes sur la poudre TLS avec ~ 35 % contre 15 % pour la poudre EOS. En microscopie électronique à balayage, il n’apparaît pas de différences morphologiques très marquées entre les deux poudres. Au niveau des analyses chimiques, la poudre EOS présente une quantité d’éléments mineurs inférieure à celle de la poudre TLS. D’autre part, si l’on compare les analyses obtenues entre la poudre et les copeaux après SLM, il n’y a pas de différence significative.

Traitements thermiques

Une étude de traitements thermiques a été également entreprise afin de choisir les meilleures conditions pour à la fois : relaxer les contraintes – respecter les tolérances dimensionnelles en effectuant le traitement thermique sur plateau avant de détacher – et optimiser les propriétés mécaniques (en fonction du cahier des charges). Un sur-revenu (6 h / 560 °C) s’est avéré présenter l’avantage d’adoucir très légèrement l’acier maraging tout en permettant une relaxation des contraintes résiduelles. Les résultats des essais de traction sont influencés par trois paramètres : la provenance de la poudre, l’orientation des éprouvettes et les conditions opératoires.

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Découvrez également le projet MOSAIQUE (Mise en OEuvre par fabrication laSer de mAtériaux et archItectures avancés pour l’aéronautiQUE) qui explore de nouveaux matériaux : les fabriquer mais aussi démontrer que ceux-ci étaient aussi performants en terme de résistance mécanique que les matériaux issus des procédés classiques. Ce défi, le consortium MOSAIQUE l’a relevé en sélectionnant un matériau intermétallique à base de titane et un superalliage à base de nickel.

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Gaëtan Lefèvre
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