News Mardi 19 avril 2022 - 15:44

Des échangeurs thermiques nouvelle génération grâce à la fabrication additive

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Projet Nathena, des échangeurs fabrication additive

Février 2017, un des sujets de l’appel à projet européen Cleansky2 attire l’attention de nombreuses entités, entreprises et laboratoires. Il s’agit d’une problématique proposée par Liebherr Aerospace sur les échangeurs thermiques de nouvelle génération visant à évaluer les potentielles améliorations que la fabrication additive peut amener dans ce domaine.

De cette lecture nait alors la volonté pour SOGECLAIR Aerospace de se lancer dans le montage d’un consortium. En effet, la fabrication additive appliquée aux produits complexes, notamment les échangeurs thermiques, y est développée depuis bientôt 10 ans. La société d’ingénierie en haute technologie dans le domaine aéronautique constitue alors un consortium composé d’AddUp, fabricant français de machine de fabrication additive métallique sur lit de poudre, TEMISTh, développeur et fournisseur français de solutions thermiques sur mesure, et de l’Institut Von Karman pour la dynamique des fluides (IVK-DF), un laboratoire belge de mécanique des fluides. Ensemble, ils vont porter le projet auprès de la commission européenne.

Des performances identiques pour une masse réduite

Un projet commence souvent par un nom. Ce sera NATHENA pour “New Additive manufacTuring Heat ExchaNger for Aeronautic”. D’une durée de 4 ans, il est doté d’un budget total de 1,5 millions d’euros, financé à 100 % par la commission européenne. Le coup d’envoi est donné en mars 2018.

L’objectif de NATHENA est de développer deux échangeurs de chaleur innovants pour le domaine de l’aéronautique. L’un est un « pre-cooler » permettant de pré-refroidir de l’air chaud directement prélevé dans les turbomoteurs d’un avion de ligne. Le second est un « cooler ». Situé plus en aval dans la chaîne de conditionnement de l’air de l’avion, il permet de refroidir de nouveau l’air pour une utilisation ultérieure. De par leur positionnement, le pre-cooler sera conçu en Inconel 718 car soumis à des températures très élevées, tandis que le cooler sera conçu en aluminium AlSi7Mg, étant confronté à des températures adaptées à cet alliage. L’ambition du projet est de concevoir ces échangeurs de chaleur aussi performants que les existants, mais avec une masse et un volume réduits.

Analyse et simulation numérique des canaux

La première étape du projet NATHENA a été de constituer un état de l’art des échangeurs thermiques d’un point de vue design, simulation numérique, optimisation, essais sur banc et des techniques de fabrication associées. L’environnement normatif des échangeurs de chaleur aéronautiques a pu également être précisé, ainsi que les différents brevets relatifs aux domaines listés précédemment. Ces travaux ont permis de guider et d’affiner les choix architecturaux ainsi que les paramètres géométriques des futures structures d’intensification qui seront développées et caractérisées durant le projet.

S’appuyant sur les précédents travaux, le démarrage des études techniques a abouti à la co-création des premières fichiers CAO (Conception Assistée par Ordinateur), de nouvelles structures d’intensification par l’équipe projet (TEMISTh pour la conception thermique, SOGECLAIR aerospace pour la conception mécanique et ADDUP pour la fabricabilité des pièces). Le but est d’estimer leurs performances d’un point de vue fabrication, comportements mécanique, fluidique et thermique afin d’élire les géométries les plus prometteuses. Ces dernières sont ensuite intégrées dans des canaux d’essais normalisés pour le projet. Les impressions en Inconel et en aluminium sont réalisées sur une machine FormUp 350 de AddUp.

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CAO échangeur thermique impression 3D
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SOGECLAIR Aerospace impression 3D

Un peu moins de 10 canaux ont été imprimés dans chaque matériau, un canal par structure d’intensification. Ces canaux sont ensuite testés thermiquement sur un banc d’essai conçu et exploité par l’IVK-DF ? Les résultats expérimentaux sont ensuite corrélés avec les simulations numériques réalisées par Temisth (simulations CFD : Computational Fluid Dynamics). Le principe : de l’air à température ambiante aux propriétés contrôlées est introduit à l’entrée des canaux tandis que ceux-ci sont chauffés via une résistance électrique plane et apposée sur une de leurs parois. De multiples capteurs mesurent alors la pression, la température et la vitesse du gaz en différentes positions des canaux. Ces mesures servent alors à consolider la validité des modèles de simulation numérique, mais aussi à comparer les performances des différentes structures.

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Canal simple flux instrumenté impression 3D

Canal simple flux instrumenté.

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 simulations pour un des échantillons aluminium

Résultats d’essai des canaux simple flux et comparaison avec les simulations pour un des échantillons aluminium – gauche : évolution de la pression linéaire, droite : coefficient de transfert de chaleur.

Caractériser les performances de la géométrie

Le consortium a pu obtenir à ce stade une meilleure compréhension des écoulements et des transferts thermiques dans différentes structures produites par fabrication additive. La fabricabilité de telles géométries, notamment d’un point de vue des parois fines, a également pu être évaluée. Les premiers résultats très encourageants permettent déjà d’esquisser l’architecture des échangeurs de chaleur la plus performante, et permettant d’offrir le meilleur compromis entre fabricabilité, tenue mécanique, performances thermiques et performances fluidiques.

Cette étude sur les canaux représentatifs a permis de sélectionner la structure d’intensification offrant le meilleur compromis entre les performances mécaniques, fluidiques, thermiques et la fabricabilité. Elle a débouché ensuite sur une campagne d’essais similaires mettant en jeu cette fois-ci deux fluides chaud et froid. Il s’agit ici de caractériser les performances de la géométrie choisie dans un échangeur de chaleur miniature où la source chaude n’est plus une résistance électrique, mais un flux d’air chaud. La configuration des canaux sera ici une configuration croisée.

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6 CAO d’un canal double flux
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7 Canal double flux instrumenté
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Schéma de principe du banc d’essai double flux

Trois canaux à deux fluides ont été imprimés : deux en Inconel et un en aluminium, pour lesquels la paramétrie des structures d’intensification a été calculée et adaptée en fonction des caractéristiques des flux d’air. Cela a été un premier challenge pour la fabrication car il a fallu gérer les parois fines des ailettes et leur grand nombre (plusieurs milliers), tout en assurant la bonne qualité de l’impression, le dépoudrage et le parachèvement des pièces. Les canaux ont ensuite été caractérisés sur banc d’essais, permettant une nouvelle fois de corréler essais expérimentaux et simulations numériques.

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Mise en plateau d’un canal double flux
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simulation d’impresion d’un canal double flux
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Tomographie de contrôle d’un canal double flux

Grâce à une méthode d’homogénéisation, ces caractérisations thermo fluidiques ont permis la création de métamatériaux (« Milieux Poreux Equivalents » ou MPE à propriétés volumiques équivalentes) qui permettent de simplifier les simulations numériques en allégeant les modèles et en réduisant les temps de calcul. Un pendant côté mécanique a également été réalisé en corrélant des simulations numériques avec des essais d’éprouvettes en traction, elles aussi produites en Inconel 718 et en aluminium AlSi7Mg. La corrélation entre essai de traction et simulation permettra la détermination d’un milieu homogène qui simplifiera par la suite les calculs thermomécaniques. En effet, un échangeur de chaleur est un système comportant des petites géométries complexes et nombreuses dans un grand volume. Vouloir les simuler numériquement peut être très complexe et nécessitant des ressources informatiques considérables si de telles techniques ne sont pas employées.

Au moment de l’écriture de ces lignes, la structure d’intensification choisie a été caractérisée et sa fabricabilité a été éprouvée et validée dans une structure type d’échangeur de chaleur à courants croisés. Le design des deux échangeurs thermiques finaux a débuté en se basant sur les spécifications de Liebherr Aerospace. Ils seront destinés à être simulés numériquement, produits et testés sur banc afin de valider leurs performances.

Contenu Encadré

Le consortium NATHENA

SOGECLAIR aerospace

Fort de son ancrage dans l’aéronautique, le groupe SOGECLAIR conçoit, fabrique et soutient des solutions et des produits innovants pour les transports dans les domaines civils et militaires.

Sa politique de R&D soutient sa participation aux grands programmes d’avenir tels que le développement de l’avion du futur et des véhicules autonomes.

Sa filiale, SOGECLAIR aerospace est un leader international dans la conception et l’intégration de solutions à forte valeur ajoutée pour l’industrie aéronautique et spatiale. Elle conçoit, fabrique et entretient les principaux composants d'aérostructures et d'intérieurs d'avions.

SOGECLAIR aerospace développe et déploie des matériaux et technologies avancés comme le thermoplastique et la fabrication additive.

Avec plus de 1600 employés dans le monde, SOGECLAIR aerospace possède un savoir-faire reconnu dans :

  • Le design et l’architecture d’aérostructures et de systèmes,
  • Le design et la fabrication d’intérieurs d’avions,
  • La gestion de configuration au niveau programme, engineering et industriel,
  • La conception et la fabrication d’équipements simulés et embarqués.

AddUp

AddUp, créée en 2016, est une coentreprise issue de Fives et Michelin. Elle est un fournisseur de solutions complètes d'impression 3D de métaux industriels.

AddUp intervient sur :

  • La conception et fabrication de machines, intégrées dans une chaîne de production complète, de la gestion des poudres à la pièce finie,
  • L’assistance à la clientèle pour la production de pièces métalliques, afin de soutenir des projets d'investissement dans la fabrication additive ou des besoins de production supplémentaires,
  • L’activité de service inter fonctionnelle, incluant la reconception de pièces et des services supplémentaires associés à l'offre de machines, afin d'aider les entreprises à trouver les solutions techniques et financières les plus adaptées.

TEMISTh

TEMISTh est une entreprise spécialisée dans le développement et la fourniture de solution thermique sur-mesure. Pour cela, la société développe des outils numériques de simulation et optimisation pour une conception automatisé des échangeurs de chaleur. Cela lui permet de développer de nouveaux concepts d’échangeurs à produire notamment en fabrication additive.

Grâce à son positionnement sur le Technocentre TEAM Henri Fabre, TEMISTh propose différentes technologies avancées de fabrication comme la fabrication additive métallique et polymère, la fonderie, l’usinage et assemblage pour hybridation de fonction grâce à du brasage ou encore du soudage par friction. La maîtrise de l’ensemble de ces procédés permet à TEMISTh de proposer des solutions optimisées et abouties à l’ensemble de ces clients. L’ensemble des pièces développées et produites peuvent ensuite être testées sur les bancs d’essai thermiques que TEMISTh exploite.

Les domaines industriels dans lesquels l’entreprise opère sont nombreux : aéronautique, spatial, transport, pétrole et gaz, électronique.

Institut Von Karman pour la dynamique des fluides

L'Institut Von Karman pour la dynamique des fluides (IVK-DF) a été fondé en 1956 par le professeur Theodore Von Karman en tant que centre international alliant éducation et recherche pour les citoyens des pays de l'OTAN, dans le cadre de sa devise "Formation de haut niveau à la recherche par la recherche".

Programmes éducatifs : Conférences / Cours / Colloques, Formations courtes, Mémoire de maîtrise universitaire, Master de recherche en dynamique des fluides, Programme doctoral et Programme de recherche appliquée.

Le IVK-DF entreprend et encourage des recherches sur les aspects expérimentaux, informatiques et théoriques des écoulements de liquides et de gaz dans les domaines de l'aéronautique, de l'aérospatiale, des turbomachines, de l'environnement et des processus industriels et de sécurité. Une cinquantaine d'installations d'essai spécialisées sont disponibles, dont certaines sont uniques ou parmi les plus grandes au monde.

Les recherches sont menées sous la direction du corps professoral et des ingénieurs de recherche, principalement parrainés par des organismes gouvernementaux et internationaux, ainsi que par des entreprises.

Liebherr Aerospace

Liebherr Aerospace conçoit, développe et fabrique des systèmes d'air, systèmes de commandes de vol et trains d'atterrissage, ainsi que des engrenages et des boîtes de transmission et de l'électronique pour l'industrie aéronautique. Liebherr Aerospace fournit des services client OEM complets en s'appuyant sur un réseau mondial qui offre : réparations et révisions des équipements, support technique et documentation, fourniture des pièces de rechange et service AOG.

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