FR3085122A1 - Procede de fabrication additive d’une piece pour nacelle d’ensemble propulsif d’aeronef - Google Patents

Procede de fabrication additive d’une piece pour nacelle d’ensemble propulsif d’aeronef Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de fabrication additive d'une pièce de nacelle (1) d'ensemble propulsif d'aéronef telle qu'une partie (141, 142) de tuyère d'échappement (14). Ce procédé comprend une étape de dépôt d'un composé comprenant un alliage intermétallique poudreux à base de TiAl et une étape de consolidation du composé par frittage, sans fusion du composé.

Description

Procédé de fabrication additive d'une pièce pour nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef
La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de pièces pour nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef, en particulier de pièces à géométrie complexe telles que des panneaux de tuyère d'échappement.
On connaît dans l'état de la technique antérieure des procédés de fabrication de telles pièces par réalisation de tôles composites ou métalliques et assemblage de ces tôles avec d'autres éléments tels que des brides ou des raidisseurs ou encore des structures alvéolaires - voir par exemple US 2006/0039817 Al. De telles tôles présentent une faible ductilité de sorte qu'une pièce à géométrie complexe ne peut être obtenue qu'en mettant en œuvre des étapes de fabrication longues et coûteuses.
De plus, des pièces telles qu'une buse primaire (« nozzle » en anglais) ou un cône d'éjection de gaz (« plug » en anglais) d'une tuyère d'échappement sont soumises à un environnement thermique extrême conduisant à utiliser des matériaux tels que le titane Beta 21s ou l'Inconel 625 ou 718. Or de tels matériaux sont chers et lourds.
Un but de la présente invention est de surmonter les inconvénients précités en proposant un procédé de fabrication de pièces telles qu'une buse primaire ou un cône d'éjection d'une tuyère d'échappement de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef, permettant de simplifier et diminuer les coûts de fabrication tout en réduisant la masse des pièces ainsi fabriquées.
A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une telle pièce, ce procédé comprenant une étape de dépôt d'un composé comprenant un alliage intermétallique poudreux à base de ΊΊΑΙ, ce procédé comprenant en outre une étape de consolidation du composé par frittage.
Le ΊΊΑΙ est un matériau présentant de bonnes performances à haute température et ayant une densité relativement faible.
En dépit de la mauvaise ductilité du TiAl, le dépôt d'un composé comprenant ce matériau et sa consolidation par frittage permettent de fabriquer simplement et à moindre coût une pièce à géométrie complexe telle qu'une partie de tuyère d'échappement de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef, tout en conférant à cette pièce une masse réduite et de bonnes performances à haute température.
Selon une première variante de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de dépôt de polymère sur l'alliage intermétallique poudreux à base de ΊΊΑΙ.
Selon une deuxième variante de réalisation, le composé peut comprendre un polymère.
Dans chacune de ces variantes, le polymère a une fonction de liant qui permet d'agglomérer le composé selon la forme que l'on souhaite obtenir.
Afin d'éliminer le liant polymère, le procédé comprend de préférence une étape de déliantage. Le déliantage peut être du type thermique ou aqueux. L'étape de déliantage peut être réalisée avant l'étape de consolidation par frittage, ou simultanément.
Selon l'invention, il est préféré de ne mettre en œuvre aucune étape de fusion du composé. Autrement dit, la consolidation du composé peut donc de préférence être obtenue uniquement par chauffage de ce composé en-dessous de sa température de fusion.
L'absence de fusion des particules de poudre permet notamment d'éviter ou limiter les problèmes de fissuration à chaud du ΊΊΑΙ.
Plus généralement, on améliore ainsi les propriétés mécaniques de la pièce.
Dans un mode de réalisation, le procédé peut être mis en œuvre de sorte que la pièce forme un panneau comprenant une structure alvéolaire constituant des cavités. Par exemple, ces cavités peuvent être des cavités de Helmholtz.
Dans un exemple particulier de réalisation, le panneau fabriqué par ce procédé peut comprendre deux peaux enserrant la structure alvéolaire.
Plus spécifiquement, le panneau peut comprendre une première peau et une deuxième peau enserrant la structure alvéolaire, la première peau et la structure alvéolaire pouvant être fabriquées par mise en œuvre de ladite étape de dépôt du composé. La deuxième peau peut soit être fabriquée par mise en œuvre de ladite étape de dépôt du composé, soit être préfabriquée et apposée contre la structure alvéolaire.
Dans un mode de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de disposition d'un ou plusieurs supports dans des cavités respectives de la structure alvéolaire de manière à supporter la deuxième peau lors de sa fabrication ou lors de son apposition sur la structure alvéolaire.
De tels supports permettent de supporter la deuxième peau, en constituant par exemple des supports de dépôt du composé ou, lorsque la deuxième peau est préfabriquée, en évitant ou limitant le fluage de la deuxième peau au niveau des cavités pendant l'assemblage de cette deuxième peau.
Afin de retirer les supports des cavités, ceux-ci peuvent de préférence être réalisés dans un matériau fugitif, par exemple en thermoplastique. Les supports peuvent ainsi être éliminés par chauffage et évacués des cavités par tout moyen classique connus de l'homme du métier, par exemple via des perforations réalisées dans l'une des peaux, ou via des canaux prévus à cet effet.
Dans un mode de réalisation, les supports peuvent être réalisés par fabrication additive simultanément avec la fabrication de la première peau et/ou de la structure alvéolaire.
Pour ce faire, on peut par exemple utiliser un moyen de dépôt du composé et un autre moyen de dépôt du matériau dans lequel sont réalisés les supports, ces différents moyens de dépôt étant de préférence agencés pour travailler en parallèle.
Avantageusement, les supports peuvent être auxétiques de sorte que, sous l'effet d'une augmentation de température, leur dimension entre la première et la deuxième peau reste inférieure à une valeur prédéterminée.
Plus spécifiquement, on choisira de préférence ladite valeur prédéterminée de sorte que, sous l'effet d'une augmentation de température, la dimension des supports entre la première et la deuxième peau reste identique ou présente une augmentation faible ou négligeable au regard des efforts exercés par ces supports contre les peaux sous l'effet de la dilatation de ces supports.
Il est ainsi possible d'éviter ou de limiter toute déformation des peaux sous l'effet de la dilatation thermique des supports.
Dans un mode de réalisation, les supports peuvent avoir une forme hexagonale ré-entrante. Outre la propriété auxétique conférée par une telle forme, celle-ci permet aussi de réduire la quantité de matière constituant ces supports, et donc de limiter la quantité de matière à évacuer lors de l'élimination des supports.
Le procédé de l'invention peut comprendre une étape de disposition verticale du panneau de manière à éviter le fluage des peaux, en particulier au niveau des cavités de la structure alvéolaire. L'étape de consolidation, et éventuellement l'étape de déliantage, peuvent être réalisées sur le panneau ainsi disposé.
Pour éviter ou limiter le fluage des parois de la structure alvéolaire qui délimitent les cavités, des parois de la structure alvéolaire peuvent être fabriquées convexes de sorte que, lors du frittage du panneau disposé verticalement, ces parois convexes prennent une forme sensiblement plane sous l'effet de la gravité.
Bien entendu, de nombreuses autres solutions peuvent permettre d'éviter ou limiter le fluage des parois de la structure alvéolaire. Pour exemples non limitatifs, les parois de cavités peuvent être ondulées et/ou le panneau peut être verticalement disposé de manière à orienter les cavités pour maximiser l'orientation des parois de cavités relativement à l'horizontale. De telles solutions peuvent être combinées entre elles et/ou avec la fabrication d'une structure alvéolaire avec parois de forme convexe.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description nullement limitative qui suit et des figures annexées, dans lesquelles :
La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une nacelle de d'ensemble propulsif d'aéronef ;
La figure 2 est une vue schématique en perspective d'un panneau acoustique de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef ;
La figure 3 est une vue schématique d'un panneau acoustique de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef en position verticale ;
La figure 4 est une vue schématique en perspective d'un panneau acoustique de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef en position verticale, avec des parois de structure alvéolaire convexes ;
La figure 5 est une vue schématique de face du panneau de la figure 4 ;
La figure 6 est une vue schématique partielle en perspective d'un panneau acoustique de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef, le panneau comprenant un support auxétique logé dans une cavité ;
La figure 7 est une vue schématique du support auxétique illustré à la figure 6 ;
La figures est une vue schématique partielle en perspective d'un panneau acoustique de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef, avec parois de structure alvéolaire ondulées ;
La figure 9 est une vue schématique en perspective du panneau de la figure 8, le panneau comprenant un support auxétique logé dans une cavité ;
La figure 10 est une vue schématique du support auxétique illustré à la figure 9.
Les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.
L'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce de nacelle d'ensemble propulsif d'aéronef telle qu'une partie de tuyère d'échappement.
Un exemple de nacelle 1 de turboréacteur (non représenté) d'aéronef (non représenté) est illustré à la figure 1. Cette nacelle 1 comprend un pylône 2 destiné à être fixé à une aile (non représentée) de l'aéronef. La nacelle 1 comprend une section amont 11 dotée d'une lèvre 110 formant une entrée d'air. Cette section amont 11 est adaptée pour permettre la captation optimale vers le turboréacteur de l'air nécessaire à l'alimentation d'une soufflante (non représentée) et de compresseurs internes (non représentés) du turboréacteur. La nacelle 1 comporte aussi une section médiane 12 recevant la soufflante ainsi qu'une section aval 13. Sous le pylône 10 et en aval du turboréacteur, la nacelle 1 comprend une tuyère d'échappement 14 comportant un cône d'éjection de gaz 141 et une buse primaire 142. Le cône d'éjection 141 et la buse primaire 142 de la tuyère d'échappement 14 définissent un passage pour un flux d'air chaud sortant du turboréacteur.
La nacelle 1 et notamment la tuyère d'échappement 14 peuvent comprendre des pièces fabriquées par un procédé conforme à l'invention dont des exemples de mise en œuvre sont décrits ci-dessous.
De manière générale, les pièces ainsi fabriquées peuvent constituer des souséléments de la nacelle 1 tels que des parois et/ou des panneaux autoporteurs et/ou dotés ou non d'une fonction de traitement acoustique et/ou d'une fonction structurale.
Notamment, le procédé peut être mis en œuvre pour fabriquer un panneau comportant une structure alvéolaire et des peaux enserrant la structure alvéolaire. Une telle structure alvéolaire peut comprendre des cavités pouvant constituer, dans certains modes de réalisation, des résonateurs de Helmholtz.
De tels panneaux ou plus généralement de telles pièces peuvent constituer tout ou partie d'un sous-élément de la nacelle 1, par exemple tout ou partie du cône d'éjection 141, ou de la buse primaire 142, ou encore d'une structure fixe interne 131 de la nacelle 1. Ces exemples ne sont aucunement limitatifs et l'invention peut en particulier être mise en œuvre pour fabriquer toute pièce de nacelle 1 ayant une géométrie complexe et soumise à des contraintes thermiques importantes telles que les pièces en contact direct ou indirect avec le flux d'air chaud sortant du turboréacteur.
Le procédé selon l'invention se caractérise par la mise en œuvre d'étapes de fabrication additive, étant entendu qu'une pièce fabriquée additivement peut, selon l'invention, être assemblée avec une autre pièce fabriquée selon toute méthode, par exemple une méthode soustractive.
Plus spécifiquement, le procédé de l'invention comprend une étape de dépôt d'un composé comprenant un alliage intermétallique poudreux à base de TiAI.
Ce composé peut prendre la forme de granules ou de fils.
De préférence, ce procédé ne comprend aucune étape de fusion du composé.
Selon l'invention, le composé est consolidé par frittage.
En cas d'utilisation d'un liant polymère, le polymère peut soit être déposé sur l'alliage intermétallique poudreux à base de TiAI, soit être intégré directement dans le composé avant dépôt du composé comprenant le polymère.
Le cas échéant, l'élimination du polymère peut être réalisée au cours d'une étape de déliantage spécifique.
La mise en œuvre effective de ces différentes étapes relève des compétences générales de l'homme du métier, spécialiste de la fabrication de nacelles par méthode additive. La présente invention se caractérise plus spécifiquement par la combinaison, d'une part, du dépôt d'un composé suivie d'une consolidation par frittage - sans fusion - et, d'autre part, de l'utilisation de TiAI en tant que constituant du composé. Cette combinaison permet en effet de fabriquer simplement et à moindre coût une pièce de géométrie complexe, de masse réduite et présentant de bonnes performances à haute température.
En référence à la figure 2, un tel procédé peut être mis en œuvre pour fabriquer un panneau 3.
Dans cet exemple, le panneau 3 comprend une structure alvéolaire 30 enserrée entre deux peaux 31 et 32.
La structure alvéolaire 30 constitue des cavités 34 du type de Helmholtz, délimitées par des parois 33 transversales.
La peau 32 est ici une peau acoustique comprenant des perforations 321 mettant en communication les alvéoles 34 avec un volume extérieur du panneau 3.
Le procédé de fabrication additive de l'invention peut être mis en œuvre pour fabriquer tout ou partie d'un tel panneau 3.
Par exemple, on peut fabriquer additivement, avec le procédé de l'invention, à la fois les peaux 31 et 32 et la structure alvéolaire 30. Alternativement, on peut fabriquer avec le procédé de l'invention uniquement la structure alvéolaire 30 et l'une des peaux, par exemple la peau 31, et apposer ensuite sur la structure alvéolaire 30 l'autre peau 32 préalablement fabriquée selon tout procédé. Ainsi, dans ce dernier cas, la peau 32 peut être fabriquée selon une méthode additive ou selon une méthode soustractive - dans ce dernier cas, les perforations 321 peuvent par exemple être obtenus par perçage d'une tôle pleine avant ou après apposition de cette tôle sur la structure alvéolaire 30.
Dans un mode de réalisation illustré à la figure 3, le panneau 3 peut être disposé verticalement pour réaliser l'étape de consolidation par frittage, cela de manière à éviter le fluage des peaux 31/32 au niveau des cavités 34 de la structure alvéolaire 30, c'est-à-dire en-dehors des zones où les peaux sont supportées par les parois 33.
Pour éviter le fluage des parois 33 de cavités lors du frittage avec le panneau disposé verticalement, la structure alvéolaire 30 peut être fabriquée avec des parois 33 convexes de sorte que, lors du frittage du panneau disposé verticalement, ces parois convexes prennent une forme sensiblement plane sous l'effet de la gravité.
Les figures 4 et 5 montrent un panneau 3 avec une peau 31 et une structure alvéolaire comprenant un ensemble de parois 33 horizontales et verticales délimitant des cavités, le panneau 3 étant représenté dans ladite position verticale. Dans cet exemple, les parois horizontales sont susceptibles de fluer lors du frittage. Pour des raisons purement illustratives, on montre sur ces figures deux séries SI et S2 de parois horizontales convexes et une série S3 de parois horizontales planes.
La figure 8 montre un panneau 3 avec une peau 31 et une structure alvéolaire comprenant des parois 33 ondulées. L'ondulation des parois 33 permet aussi de limiter leur fluage lors du frittage. Dans un mode de réalisation non représenté, on peut réaliser des parois 33 à la fois convexes et/ou ondulées.
En fonction des dimensions et contraintes mécaniques et thermiques auxquelles est soumis le panneau 3 lors du frittage, les dimensions et la forme des parois convexes peuvent être adaptées (comparer par exemple la série SI avec la série S2) de sorte que, après frittage, ces parois prennent une forme sensiblement plane.
Selon un aspect de l'invention, le procédé peut comprendre en outre une étape de disposition de supports 4 dans des cavités respectives de la structure alvéolaire 30.
Un exemple de support 4 est montré à la figure 7, et la disposition d'un tel support 4 dans une cavité est illustrée à la figure 6.
Une telle disposition de supports 4 au sein de la structure alvéolaire permet par exemple de supporter la peau 32 préfabriquée lors de son apposition sur la structure alvéolaire 30, ou encore de supporter le composé lorsque la peau 32 est fabriquée selon le procédé de l'invention.
Afin de pouvoir éliminer les supports 4 qui sont enfermés dans la structure alvéolaire après assemblage ou fabrication de la peau 32, ces supports 4 peuvent être réalisés dans un matériau fugitif, par exemple en thermoplastique.
Leur élimination lors du frittage peut être réalisée selon toute technique connue, par exemple par évacuation au travers des perforations 321 réalisés dans la peau 32 (voir figure 2) ou encore via des canaux spécifiques (non représentés).
De tels supports 4 peuvent soit être introduits dans les cavités avant fabrication ou assemblage de la peau 32 soit être réalisés par fabrication additive simultanément avec la fabrication de la peau 31 et/ou de la structure alvéolaire 30.
Le support 4 illustré aux figures 6 et 7 est auxétique de sorte que, sous l'effet d'une augmentation de température, sa dimension H1 entre les deux peaux 31 et 32 reste inférieure à une valeur prédéterminée que l'on choisit en pratique de manière à éviter que la dilatation du support 4 exerce un effort sur les peaux 31 et 32 risquant de les déformer.
Dans le cas particulier du support 4 de la figure 7, le support 4 a une forme hexagonale ré-entrante. Ce support 4 comprend une partie inférieure 41 destinée à venir en contact avec l'une des peaux (peau 31), une partie supérieure 42 destinée à venir en contact avec l'autre peau (peau 32), des bras 43 et 44 ayant des extrémités destinées à venir en contact avec des parois 33 respectives, et des parties de liaisons 46-48 reliant les bras 43 et 44 aux parties inférieure 41 et supérieure 42.
Les parties de liaisons 46-48 forment avec les parties inférieure 41 et supérieure 42 ladite forme hexagonale ré-entrante (voir figure 7).
Un tel support 4 est dimensionné de sorte que la dilatation des bras 43 et 44 referment l'angle a formé par les parties de liaison 45 et 46 d'une part, et par les parties de liaison 47 et 48 d'autre part.
On comprend dès lors que la dilatation du support 4 permet ainsi de conserver sensiblement constante la dimension Hl, qui représente la dimension du support 4 entre les deux peaux.
La figure 9 montre un panneau 3 semblable à celui de la figure 8 avec parois 33 ondulées. On peut de préférence utiliser dans ce cas un support 4 tel qu'illustré à la figure 10, comprenant un pourtour ondulé, et dimensionné pour épouser les contours ondulés d'une cavité (voir figure 9).
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple :
- Le procédé de l'invention peut être mis en œuvre pour fabriquer une pièce constituant un élément de nacelle tel que par exemple un cône d'éjection de tuyère d'échappement, ou pour fabriquer une pièce constituant un segment d'un tel élément, l'élément pouvant dans ce cas être obtenu par assemblage de plusieurs segments ainsi fabriqués ;
- Lorsque la pièce fabriquée est un panneau 3, le procédé de l'invention peut aussi être mis en œuvre pour fabriquer d'autres éléments de ce panneau tels que par exemple une bride 35 de fermeture latérale de la structure alvéolaire 30 et/ou de fixation du panneau 3 (voir figure 3) ;
- Une pièce fabriquée conformément à l'invention peut être assemblée avec toute autre pièce fabriquée selon toute technique, cela par tout moyen, notamment par soudage, brasage ou cofrittage ;
- La forme des perforations 321 réalisées dans la peau acoustique 32 peut être adaptée pour optimiser le pourcentage d'ouverture et/ou pour optimiser la tenue de cette peau 32 lors du frittage : par exemple, ces perforations peuvent être de forme carrée et la forme carrée peut être orientée de manière à diriger un coin du carré vers le bas lorsque le panneau est disposé verticalement.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d'une pièce de nacelle (1) d'ensemble propulsif d'aéronef telle qu'une partie (141,142) de tuyère d'échappement (14), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de dépôt d'un composé comprenant un alliage intermétallique poudreux à base de TiAI et une étape de consolidation du composé par frittage.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de dépôt de polymère sur l'alliage intermétallique poudreux à base de TiAI.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le composé comprend un polymère.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, comprenant une étape de déliantage dans laquelle le polymère est éliminé.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ce procédé ne comprenant aucune étape de fusion du composé.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, mis en œuvre de sorte que la pièce forme un panneau (3) comprenant une structure alvéolaire (30) constituant des cavités (34).
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, le panneau (3) comprenant une première peau (31) et une deuxième peau (32) enserrant la structure alvéolaire (30), la première peau (31) et la structure alvéolaire (30) étant fabriquées par mise en œuvre de ladite étape de dépôt du composé, la deuxième peau (32) étant soit fabriquée par mise en œuvre de ladite étape de dépôt du composé soit préfabriquée et apposée contre la structure alvéolaire (30).
  8. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, comprenant une étape de disposition d'un ou plusieurs supports (4) dans des cavités (34) respectives de la structure alvéolaire (30) de manière à supporter la deuxième peau (32) lors de sa fabrication ou lors de son apposition, ces supports (4) étant réalisés dans un matériau fugitif.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les supports (4) sont réalisés par fabrication additive simultanément avec la fabrication de la première peau (31) et/ou de la structure alvéolaire (30).
  10. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les supports (4) sont auxétiques de sorte que, sous l'effet d'une augmentation de température, leur dimension (Hl) entre la première (31) et la deuxième peau (32) reste inférieure à une
    5 valeur prédéterminée.
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, comprenant une étape de disposition verticale du panneau (3) de manière à éviter le fluage des peaux (31, 32), l'étape de consolidation étant réalisée sur le panneau (3) ainsi disposé.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la structure alvéolaire (30) comprend des parois (33) délimitant les cavités (34), ces parois (33) étant fabriquées convexes de sorte que, lors du frittage du panneau (3) disposé verticalement, ces parois (33) convexes prennent une forme sensiblement plane sous l'effet de la gravité.
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