Brevet FR3027243A1 — publié le 20160422

Procédé de fabrication additive d'une pale creuse de propulseur La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pale d'hélice, ladite pale comprenant un corps disposé selon un axe, ledit corps comprenant une enveloppe externe et une ou plusieurs cavité(s) interne(s) disposée(s) selon l'axe, le procédé comprenant une étape de premier dépôt d'un matériau par couches successives sur un support, lesdites couches étant empilées selon l'axe, de sorte à définir une section de l'enveloppe externe et de parois de la ou des cavité(s) interne(s). L'invention fait intervenir la technologie de fabrication additive par déposition à énergie dirigée. Le principe de cette fabrication additive est la formation d'une pièce par tranches successives. La formation d'une tranche comprend le dépôt d'une couche d'un matériau, par exemple sous forme de poudre, suivie de la fusion locale dudit matériau selon une forme correspondant à une section de la pièce. La source d'énergie utilisée pour fusionner le matériau est par exemple un faisceau laser ou un faisceau d'électrons. Cette méthode permet de former des pièces d'une grande complexité géométrique, impossible à réaliser par des techniques telles que l'usinage ou le moulage. La technologie de fabrication additive est notamment utilisée dans l'aéronautique pour la réalisation de structures alvéolaires. La réalisation d'aubes de turbines par fabrication additive est par exemple décrite dans le document W02013/124314. Cependant, une structure d'alvéoles fermées est relativement complexe à réaliser en fabrication additive, en particulier pour des cavités de grande taille. De plus, certaines applications particulières à des pales de propulseurs nécessitent de déposer un revêtement sur les parois internes des cavités et/ou de remplir les cavités avec une charge spécifique. La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'une pale creuse de propulseur, simple à réaliser et permettant une variété de forme, de remplissage et d'aménagement des cavités de la pale. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, comprenant ensuite les étapes suivantes : assemblage dudit matériau déposé avec un insert sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe, au contact d'une extrémité de la cavité interne, ou d'au moins l'une des cavités internes, de sorte à fermer ladite cavité interne ; puis second dépôt de matériau par couches successives selon l'axe, de sorte à définir une section de l'enveloppe externe et à enrober entièrement l'insert avec le matériau déposé. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles : - le procédé comprend en outre une étape de remplissage par une charge de la cavité interne, ou d'au moins l'une des cavités internes, ladite étape étant intercalée entre le premier dépôt de matériau et l'assemblage dudit matériau avec l'insert ; - l'étape de remplissage se déroule selon les phases suivantes : remplissage partiel de la cavité interne par la charge ; puis positionnement de l'insert au contact de l'extrémité de la cavité interne, l'insert comportant un orifice donnant sur la cavité interne ; puis remplissage complet de la cavité interne par la charge, ladite charge étant introduite par l'orifice de l'insert ; puis obstruction de l'orifice de l'insert par un bouchon ; - le procédé comprend en outre une étape de formation d'un logement dans le matériau déposé, ladite étape ayant lieu avant l'assemblage du matériau déposé et de l'insert, ledit logement étant apte à recevoir ledit insert lors dudit assemblage ; - l'insert comporte une surface plane opposée à la cavité interne fermée par ledit insert ; et le logement est configuré de sorte que, à l'issue de l'étape d'assemblage, ladite surface plane de l'insert soit sensiblement coplanaire avec une extrémité selon l'axe du matériau déposé ; - le procédé comprend ensuite une étape selon laquelle le support est dissocié du corps. L'invention se rapporte en outre à une pale d'hélice, susceptible d'être issue d'un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus, ladite pale comprenant un corps disposé selon un axe, ledit corps comprenant une enveloppe externe et une ou plusieurs cavité(s) interne(s) disposée(s) selon l'axe, une extrémité de la cavité interne, ou d'au moins l'une des cavités internes, étant fermée par un insert sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe, l'insert étant fixé au corps et entièrement enrobé par l'enveloppe externe. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la pale comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles : - la charge de remplissage de la cavité interne est un fluide électro-rhéologique, et la pale comporte au moins deux électrodes au contact dudit fluide électro-rhéologique, lesdites électrodes étant reliées à un moyen d'alimentation en énergie électrique ; - les parois de la cavité interne sont revêtues d'un isolant électrique. L'invention se rapporte en outre à une hélice comprenant au moins une pale telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pale selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue partielle, en coupe longitudinale, de la pale de la figure 1 en cours de fabrication ; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une pale selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une vue partielle, en coupe longitudinale, de la pale de la figure 3. La figure 1 montre une pale 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Les figures 3 et 4 montrent une pale 12 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans la description qui suit, les éléments communs aux pales 10, 12 sont désignés par les mêmes numéros de référence. Chacune des pales 10, 12 est destinée à faire partie d'une hélice (non représentée), comprenant par exemple une pluralité de pales identiques. Chacune des pales 10, 12 comprend un corps 14, disposé selon un axe 16 et de forme préférentiellement allongée. Une extrémité du corps 14 selon l'axe 16 est relié à un pied 18, 20. Le pied 18, 20 est destiné à être relié au reste de l'hélice incluant la pale 10, 12. Selon une première variante, représentée sur la figure 1, le corps 14 et le pied 18 sont formés de deux matériaux distincts 22, 24. Selon une deuxième variante, représentée sur la figure 3, le corps 14 et le pied 20 sont formés d'un même matériau 22. Les matériaux 22, 24 sont par exemple des matériaux métalliques de type aciers inoxydables (austénitiques ou martensitiques par exemple), alliages cuivreux ou alliages base titane. Le corps 14 comprend une enveloppe externe 26 qui forme une surface externe 28 de la pale 10, 12. Le corps 14 comprend en outre un ou plusieurs raidisseurs internes 30. L'enveloppe externe 26 et le ou les raidisseurs internes 30 forment les parois d'une ou de plusieurs cavités internes 32. Les cavités 32 ont préférentiellement une forme allongée, disposée selon l'axe 16, entre le pied 18, 20 et une partie sommitale 33 pleine du corps 14. Une extrémité des cavités 32, du côté de la partie sommitale 33, est formée par un insert 34, 36 fixé au corps 14. L'insert 34, 36 a par exemple la forme d'une plaque plane et est sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe 16. Une première face 38 de l'insert 34, 36 forme une paroi d'extrémité des cavités 32. Une deuxième face opposée 40 de l'insert 34, 36 est au contact du matériau 22 du corps 14, au niveau de la partie sommitale 33. Le corps 14 et l'insert 34, 36 sont formés de deux matériaux distincts 22, 42, lesdits deux matériaux étant de nature semblable ou différente. Le matériau 42 de l'insert est par exemple un matériau métallique de type acier inoxydable (austénitique ou martensitique par exemple), alliage cuivreux ou alliage base titane. Comme visible sur les figures 1 et 3, l'insert 34, 36 est entièrement enrobé par le matériau 22 du corps 14. En d'autres termes, le matériau 42 de l'insert 34, 36 n'affleure pas la surface externe 28. Dans les exemples des figures 1 et 3, un même insert 34, 36 ferme toutes les cavités 32 du corps 14. Selon une variante, des cavités 32 du corps 14 sont fermées par au moins deux inserts distincts, lesdits inserts étant coplanaires ou encore décalés selon l'axe 16. Selon une première variante, l'insert 34, 36 est plein. Selon une deuxième variante, l'insert 34, 36 comporte des orifices traversants 44, orientés parallèlement à l'axe 16. Lesdits orifices 44 sont par exemple obturés par des bouchons 46. De même que l'insert 34, 36, les bouchons 46 sont entièrement enrobés par le matériau 22 du corps 14 et n'affleurent pas la surface externe 28. De manière préférentielle, au moins l'une des cavités 32 du corps 14 est remplie par un matériau de charge 48, 50. Selon une première variante telle que représentée à la figure 1, au moins une autre des cavités 32 est vide. Selon une deuxième variante telle que représentée à la figure 3, toutes les cavités 32 sont remplies par un matériau de charge 50. Selon une première variante, le matériau de charge 48, 50 est identique pour toutes les cavités 32 du corps 14. Selon une deuxième variante, deux cavités 32 distinctes sont remplies d'un matériau 48, 50 différent. Le matériau de charge 48, 50 est choisi parmi les matériaux organiques, minéraux, métalliques ou composites, sous forme solide ou fluide. Dans l'exemple de la figure 1, le matériau de charge 48 est un solide sous forme de poudre. Dans l'exemple de la figure 3, le matériau de charge 50 est un fluide. Afin d'éviter des fuites de fluide au niveau de l'insert 36, un joint d'étanchéité 52 est disposé entre la première face 38 de l'insert 36 et le matériau 22 du corps 14. Dans l'exemple de la figure 3, le matériau de charge 50 est un fluide électrorhéologique, c'est-à-dire une suspension de particules conductrices dispersées dans un fluide isolant électrique. L'application d'un champ électrique à un tel fluide permet d'en modifier les propriétés rhéologiques. A cet effet, la pale 12 de la figure 3 comporte des moyens 54, 56 d'application d'un champ électrique au fluide 50 remplissant l'une au moins des cavités 32. Lesdits moyens comprennent deux électrodes 54, 56 au contact du fluide 50 d'une même cavité 32. Une première électrode 54 est située au niveau de l'insert 36. Préférentiellement, l'électrode 54 est insérée dans un bouchon 44 qui sert de support d'électrode. Une deuxième électrode 56 est située à une extrémité de la cavité 32 proche du pied 20. Préférentiellement, l'électrode 56 est insérée dans un trou tubulaire 57 ménagé dans le pied 20. Les électrodes 54, 56 sont reliées à un moyen d'alimentation en énergie électrique. Ledit moyen d'alimentation comporte des fils électriques 58, 60 s'étendant en direction de l'axe de rotation (non représenté) de l'hélice. Le fil 60 relié à la deuxième électrode 56 passe par exemple par le trou tubulaire 57. Le fil 58 relié à la première électrode 54 passe par un canal 62, s'étendant selon l'axe 16 et ménagé dans un raidisseur 30. Comme visible à la figure 4, le fil 58 passe également dans une cavité 64 ménagée dans l'insert 36 pour rejoindre la première électrode 54. Préférentiellement, le fluide 50 est isolé électriquement des parois de la cavité 32 au moyen d'une couche isolante 66, 68 respectivement déposée sur le corps 14 et sur l'insert 36. La couche isolante 66, 68 est par exemple une peinture organique. Un procédé de fabrication des pales 10 et 12 va maintenant être décrit. Tout d'abord, un support 18, 70 est fourni, une surface 72 dudit support étant sensiblement disposée perpendiculairement à l'axe 16. Ledit axe 16 est alors confondu avec l'axe vertical et la surface 72 est orientée vers le haut. Dans l'exemple de la figure 1, le support est constitué par le pied 18. Ledit pied 18 est réalisé en métal, par exemple par moulage ou corroyage. Dans l'exemple de la figure 3, le support 70 est représenté en pointillés. Une première partie du corps 14 est ensuite réalisée selon la technologie de fabrication additive par déposition à énergie dirigée. Plus précisément, sur la surface 72 du support 18, 70 est effectuée une première étape d'empilement couche par couche de matériau 22 selon l'axe 16. Chaque couche 74 de matériau 22 (figure 2) est déposée sur le support 18, 70 ou sur la couche précédente 76, par exemple sous forme de poudre, fil ou feuillard métallique. A partir d'un modèle CAO (conception assistée par ordinateur), le matériau 22 déposé est fusionné localement, de manière à reproduire une section du corps 14 correspondant à la position de ladite couche 74 selon l'axe 16. La fusion du matériau 22 est par exemple effectuée par faisceau laser ou faisceau d'électrons. Dans l'exemple de la figure 1, les matériaux respectifs 22, 24 du corps 14 et du pied 18 sont choisis afin que la fusion de la première couche de matériau 22 conduise à une soudure avec la surface 72, pour solidariser le corps 14 et le pied 18. Dans l'exemple de la figure 3, le pied 20 et le canal 62 sont réalisés par fabrication additive comme décrit ci-dessus. La première étape d'empilement de matériau 22 est poursuivie jusqu'à une couche intermédiaire 78, destinée à être sensiblement coplanaire avec la deuxième face 40 de l'insert 34, 36. A ce stade, une mise en propreté de la pièce est préférentiellement réalisée. Le matériau 22 déposé et non fusionné est notamment éliminé de l'intérieur de la ou des cavités 32. A proximité de la couche intermédiaire 78, le modèle CAO de la pale 10, 12 prévoit l'aménagement d'un logement 80, de forme complémentaire à celle de l'insert 34, 36. Selon une variante, le modèle CAO de la pale 10, 12 ne tient pas compte du logement 80 et ledit logement 80 est réalisé par usinage, suite à la première étape d'empilement décrite ci-dessus. Dans l'exemple de la figure 3, des gorges 82 sont prévues au contact du logement 80 pour l'insertion du ou des joints d'étanchéité 52. La forme des gorges 82 est prévue par le modèle CAO de la pale 12 ou, en variante, les gorges sont usinées en même temps que le logement 80. Dans l'exemple de la figure 3, suite à la formation du logement 80 et des gorges 82 par fabrication additive ou par usinage, une couche isolante 66 est déposée sur les parois des cavités 32 et dans les gorges 82. La couche 66 est par exemple réalisée par aspersion ou par coulage d'une peinture organique sur les parois des cavités 32. En parallèle, l'insert 34, 36 est fabriqué indépendamment du corps 14. L'insert 34, 36 est par exemple réalisé par des méthodes traditionnelles, de type corroyage ou fonderie, éventuellement suivies d'usinage. En variante, notamment dans l'exemple des figures 3 et 4, l'insert 36 et les cavités 64 sont réalisés par fabrication additive, de manière similaire à l'étape décrite ci-dessus. Dans l'exemple des figures 3 et 4, la première face 38 de l'insert 36 est recouverte d'une couche isolante 68. Les éventuels matériaux de charge 48, 50 sont ensuite introduits dans les cavités 32 du corps 14. De préférence, l'introduction est interrompue lorsqu'un niveau supérieur des matériaux 48, 50 atteint une certaine distance du logement 80. L'insert 34, 36 est alors positionné dans le logement 80. Dans l'exemple de la figure 3, le ou les joints 52 sont simultanément mis en place dans la ou les gorges 82. De même, les fils 58 de la ou des premières électrodes 54 sont simultanément mis en place dans les cavités 64 et dans le canal 62. L'introduction des matériaux 48, 50 est ensuite poursuivie par les orifices 44 de l'insert 34, 36. Dans le cas d'un matériau 48 sous forme de poudre, une ou plusieurs étapes de compaction, notamment par vibration, sont avantageusement prévues avant de compléter l'introduction. Lorsque les cavités 32 sont entièrement remplies de matériaux de charge 48, 50, les orifices 44 sont fermés par des bouchons 46. La figure 2 représente la pale 10 de la figure 1 en cours de fabrication, à l'issue de cette étape de fermeture des orifices 44. Dans l'exemple de la figure 3, un bouchon 46 porte une première électrode 54. Avant l'insertion du bouchon 46 dans l'orifice 44 correspondant, la première électrode 54 est reliée à son fil électrique 58 déjà inséré dans les cavités 64 et dans le canal 62. Selon une variante aux exemples des figures 1 à 4, l'insert 34, 36 est plein, c'est-à-dire qu'il ne comporte pas d'orifice 44. Dans le cas de remplissage d'une cavité 32 par un matériau de charge 48, 50, l'insert plein est mis en place lorsque la cavité 32 est entièrement remplie. A l'issue de l'étape de remplissage de la ou des cavités 32 et de l'éventuelle fermeture des orifices 44, une deuxième partie du corps 14 est réalisée par fabrication additive. Ladite deuxième partie du corps 14 correspond à la partie sommitale 33. Plus précisément, à partir de la couche intermédiaire 78 est réalisée une deuxième étape d'empilement/fusion de couches successives de matériau 22, comme décrit ci-dessus. L'insert 34, 36 et les bouchons 46 se retrouvent scellés et noyés dans le matériau 22. De préférence, le matériau 42 de l'insert 34, 36 est choisi afin que la fusion de la première couche de matériau 22, déposée sur ledit insert, conduise à une soudure avec la surface 40. De préférence, une épaisseur 84 de l'insert 34, 36 selon l'axe 16 est choisie suffisamment importante pour que les matériaux de charge 48, 50 ne soient pas affectés par la chaleur transmise par ledit insert lors de la fusion. La deuxième étape d'empilement/fusion de couches successives de matériau 22 se poursuit jusqu'à réalisation complète de la partie sommitale 33, donc de l'enveloppe extérieure 26 du corps 14. Dans l'exemple de la figure 3, le support 70 est ensuite dissocié de la pale 12. Le ou les trous 57 est/sont alors usinés dans le pied 20 et la ou les deuxièmes électrodes 56 est/sont insérées dans lesdits trous. Selon une variante, les trous 57 sont prévus dans le modèle CAO du corps 14 et la ou les deuxièmes électrodes 56 est/sont mises en place avant l'étape de remplissage avec le matériau de charge 50. La pale 10, 12 est ensuite assemblée au reste de l'hélice (non représentée), au niveau du pied 18, 20. Dans l'exemple de la figure 3, les fils 58, 60 sont raccordés à une source d'énergie électrique. Durant l'utilisation de l'hélice, des opérations de maintenance et d'entretien sont parfois nécessaires, par exemple au niveau des charges 48, 50 ou du système électrique incluant les électrodes 54, 56. Selon un mode de réalisation de l'invention, de telles opérations comprennent une étape d'affouillement ou de perçage du corps 14, de manière à atteindre la partie de la pale 10, 12 nécessitant une intervention. Le corps 14 est ensuite reconstitué par fabrication additive, de manière similaire au procédé de fabrication décrit ci-dessus. Selon une variante, la partie sommitale 33 est découpée de manière à donner accès à l'insert 34, 36, ce qui permet notamment d'intervenir sur les premières électrodes 54 de la pale 12. La partie sommitale 33 est ensuite reconstituée, préférentiellement par fabrication additive comme décrit ci-dessus. En variante, la partie sommitale est reconstituée à partir de procédés de rechargement traditionnels de type arc ou laser. Les modes de réalisation décrits ci-dessus concernent des pales 10, 12 réalisées dans des matériaux 22, 24, 42 de type métallique. En variante, le procédé décrit ci-dessus est réalisé avec d'autres matériaux adaptés à la technologie de fabrication additive, par exemple des polymères thermoplastiques. REVENDICATIONS1.- Procédé de fabrication d'une pale (10, 12) d'hélice, ladite pale comprenant un corps (14) disposé selon un axe (16), ledit corps comprenant : - une enveloppe externe (26), et - une ou plusieurs cavité(s) interne(s) (32) disposée(s) selon l'axe, le procédé comprenant une étape de premier dépôt d'un matériau (22) par couches successives sur un support (18, 70), lesdites couches étant empilées selon l'axe, de sorte à définir une section de l'enveloppe externe et de parois (30) de la ou des cavité(s) interne(s), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend ensuite les étapes suivantes : - assemblage dudit matériau déposé (22) avec un insert (34, 36) sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe, au contact d'une extrémité (80) de la cavité interne, ou d'au moins l'une des cavités internes, de sorte à fermer ladite cavité interne ; puis - second dépôt de matériau (33) par couches successives selon l'axe, de sorte à définir une section de l'enveloppe externe et à enrober entièrement l'insert avec le matériau déposé. 2.- Procédé de fabrication selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de remplissage par une charge (48, 50) de la cavité interne (32), ou d'au moins l'une des cavités internes, ladite étape étant intercalée entre le premier dépôt de matériau (22) et l'assemblage dudit matériau avec l'insert (34, 36). 3.- Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel l'étape de remplissage se déroule selon les phases suivantes : - remplissage partiel de la cavité interne par la charge ; puis - positionnement de l'insert au contact de l'extrémité de la cavité interne, l'insert comportant un orifice (44) donnant sur la cavité interne ; puis - remplissage complet de la cavité interne par la charge, ladite charge étant introduite par l'orifice de l'insert ; puis - obstruction de l'orifice de l'insert par un bouchon (46). 4.- Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de formation d'un logement (80) dans le matériau déposé,ladite étape ayant lieu avant l'assemblage du matériau déposé et de l'insert (34, 36), ledit logement étant apte à recevoir ledit insert lors dudit assemblage. 5.- Procédé de fabrication selon la revendication 4, dans lequel : - l'insert comporte une surface plane (40) opposée à la cavité interne (32) fermée par ledit insert ; et - le logement (80) est configuré de sorte que, à l'issue de l'étape d'assemblage, ladite surface plane de l'insert soit sensiblement coplanaire avec une extrémité (78) selon l'axe du matériau déposé. 6.- Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant ensuite une étape selon laquelle le support (70) est dissocié du corps (14). 7.- Pale (10, 12) d'hélice, susceptible d'être issue d'un procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, ladite pale comprenant un corps (14) disposé selon un axe (16), ledit corps comprenant : - une enveloppe externe (26), et - une ou plusieurs cavité(s) interne(s) (32) disposée(s) selon l'axe, une extrémité (80) selon l'axe, de la cavité interne, ou d'au moins l'une des cavités internes, étant fermée par un insert (34, 36) sensiblement disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe, l'insert étant fixé au corps et entièrement enrobé par l'enveloppe externe. 8.- Pale (12) d'hélice selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 2, dans laquelle : - la charge de remplissage (50) de la cavité interne (32) est un fluide électrorhéologique ; et - la pale comporte au moins deux électrodes (54, 56) au contact dudit fluide électro-rhéologique, lesdites électrodes étant reliées à un moyen (58, 60) d'alimentation en énergie électrique. 9.- Pale d'hélice selon la revendication 8, dans laquelle les parois de la cavité interne sont revêtues d'un isolant électrique (66, 68). 10.- Hélice comprenant une pale selon l'une des revendications 7 à 9.