Magazine Jeudi 13 décembre 2018 - 07:00

La roue tourne chez Ingersoll Rand

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L’entreprise internationale Ingersoll Rand fabrique des pièces compliquées, notamment des roues de compresseurs d’air. Elle s’est récemment associée à la société PostProcess Technologies pour automatiser certains systèmes dont le post-traitement.

Ingersoll Rand est un fabricant industriel de compresseurs d’air depuis plus de 145 ans. L’entreprise a récemment été confrontée à un problème de conception pour ses roues de compresseurs, deux options étant possibles­: d’un côté, une roue ouverte standard dont la fabrication est maîtrisée et peut facilement être réalisée, mais qui implique également un jeu entre la roue et l’entrée stationnaire, provoquant une perte de glissement ; de l’autre, une roue à enveloppe complexe permettant d’éviter les pertes de glissement, mais qui est extrêmement difficile à fabriquer.

La roue tourne avec la fabrication additive

Dans la version standard de la roue, le gaz de compression circulant entre la roue et l’entrée stationnaire crée une perte de glissement qui entraîne une diminution de son efficacité. Avec la roue à enveloppe, il est possible d’éliminer ces pertes de glissement et ainsi d’améliorer la performance globale du compresseur. Celle-ci est toutefois extrêmement difficile à fabriquer. Tournant à 60 000 tours par minute, elle doit être rigide et ne présenter aucun défaut de fabrication. Les essais aérodynamiques ont mis en avant les points suivants, particulièrement complexes :

• le processus de soudage requis pour les roues à enveloppe restreint la conception aérodynamique des aubes ;

• les pales nécessitent une excellente finition de surface pour ne pas freiner les performances aérodynamiques ;

• des problèmes de soudage et d’état de surface, relevés lors du contrôle de qualité (AQ), impactent la performance des roues et entraînent des retouches importantes ;

• enfin, la conception d’une roue à enveloppe au moyen des techniques de fabrication traditionnelle est extrêmement longue.

Pour faire face à ces difficultés, l’équipe d’ingénieurs d’Ingersoll Rand a été amenée à utiliser la fabrication additive, qui s’est rapidement révélée une solution convaincante de par sa liberté de conception et la possibilité de construire une roue à aubes à enveloppe monolithique, éliminant ainsi les problèmes de soudure.

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L’état de surface, un réel frein 

La fabrication additive a facilement permis de résoudre les problèmes de circulation du gaz et de soudage. Cependant, l’état de surface de la pièce en limitait encore la productivité, la performance aérodynamique dépendant fondamentalement du niveau et de la constance de cet état de surface. Les calculs numériques de dynamique des fluides (CFD) ont permis de définir des valeurs de finition et de rugosité de surface.

Chez Ingersoll Rand, les roues enveloppées sont fabriquées à partir de titane et d’alliage de nickel. Lorsque la pièce est enlevée de l’imprimante, sa valeur de rugosité moyenne (Ra) ne répondait pas aux normes de l’entreprise. Le problème a été aggravé par les longs canaux internes qui mesurent moins de 0,5 pouces (12,7 mm) de largeur et 5 à 7 pouces (127 à 177,8 mm) de longueur. L’équipe d’ingénieurs a employé plusieurs méthodes d’amélioration de surface, qu’elle a également combinées entre elles – le ponçage manuel, les outils de meulage, la gravure chimique – mais les résultats ne se sont pas avérés être à la hauteur des exigences requises en termes de qualité et d’uniformité. De plus, ces processus non reproductibles ne permettaient pas de produire de façon constante des pièces finales conformes aux normes. Ingersoll Rand devait donc trouver un système permettant : d’obtenir une finition de surface impeccable, reproductible, tout en conservant les performances des roues de compresseur d’air.

Le processus automatisé de post-traitement

L’enjeu du travail de post-traitement a été de diminuer la valeur de rugosité moyenne, de fournir des résultats reproductibles, mais également de proposer des solutions adaptées à la géométrie de pièces métalliques complexes, possédant entre autres des canaux internes et des formes organiques. Partenaire d’Ingersoll Rand, la société PostProcess Technologies a proposé un processus de post-traitement adéquat pour les roues à enveloppe, qui ont passé avec succès les essais aérodynamiques. Ce processus requiert le logiciel AUTOMAT3D™. Il permet de garantir l’état de surface des géométries, tout en préservant les détails fins de la pièce. Le processus automatisé DECI Duo a entraîné une réduction de la rugosité moyenne de 70 à 80 %.

Bien que cette démarche ait pris du temps, la rentabilité en termes de performance et de coût est extrêmement intéressante. Le processus DECI Duo a été choisi en raison de sa répétabilité, de sa configuration simple, de ses temps de traitement courts et de son coût. L’usinage photochimique, le rodage par extrusion, le micropolissage ou le micro-usinage (bien appliqués) donnent tous de très bons résultats. Les coûts d’outillage et d’équipement ainsi que les temps de préparation ont fini de convaincre l’équipe d’Ingersoll Rand.

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