Brevet FR3035605A1 — publié le 20161104

- 1 - La présente invention a pour objet un procédé d'obtention de poutre tubulaire creuse raidie en flexion, torsion et compression/flambement tels que les corps de bielle, les poutres de jonction, les arbres de transmission d'efforts ainsi que l'âme de poutre et les extrémités de poutre obtenues. L'utilisation de bielles dans les assemblages de fonctions cinématiques complexes est adaptée lorsque les efforts à transmettre sont de nature parfaitement connue, comme les forces de traction/compression, en sorte qu'elles intéressent particulièrement l'industrie aéronautique et spatiale pour fabriquer des systèmes de déploiement et de maintien des trains d'atterrissage d'aéronefs, de trappes d'inspection, de volets, des systèmes de suspension de moteurs d'avions, ainsi que des jonctions entre sous-systèmes et systèmes sur les satellites ou sur les lanceurs. Les bielles ou les poutres de jonction sont des organes mécaniques composés d'un corps rectiligne (1) sur lequel sont disposés à chaque extrémité des embouts (2) généralement rapportés par liaison visée ou soudée ou collée ou rivetée, ces embouts étant liés 15 mécaniquement par un pivot ou une rotule aux membres avec lesquels ils doivent coopérer (Figure 1). La plupart des bielles et poutres de jonction utilisées dans le domaine aéronautique et spatial ont une âme tubulaire de profil cylindrique creux pour gagner en masse avec de très bonnes propriétés mécaniques comme pour les trains d'atterrissage, les éléments de suspension des 20 moteurs d'avions ou les supports des moteurs de lanceurs. Ces profils cylindriques creux sont obtenus par des modes de fabrication comme le fluotournage, l'enfonçage ou l'évidement, ne permettant pas de placer à l'intérieur de ces mêmes profils des renforts locaux selon le besoin de tenue mécanique, conduisant ainsi à ne pouvoir augmenter que l'épaisseur du profil et/ou de manière concomitante son rayon 25 extérieur. Des techniques comme le soudage ou le soudage par frottement rotatif ou linéaire permettent d'ajouter des renforts locaux en face externe des profils cylindriques creux afin d'obtenir une très bonne résistance mécanique sur la liaison. Toutefois, les formes géométriques rapportées restent simples telles qu'en forme de « L », de « T », de « I », de « S2 » et nécessitent des outillages de positionnement complexes devant épouser une forme 30 cylindrique ou elliptique lors de l'usinage. Certains de ces procédés de fabrication ne permettent pas non plus d'obtenir des profils à section évolutive suivant l'axe de révolution du corps de bielle, de la poutre de jonction ou de l'arbre de transmission. 3035605 - 2 - Pour certaines applications, des matériaux composites carbones sont employés afin de réduire la masse et accroître la résistance en disposant les fibres de carbone suivant les directions des sollicitations mécaniques. Ainsi, il a été constaté que lorsque des charges mécaniques de flexion, de compression 5 et de torsion se combinent simultanément, les âmes de bielles, les arbres de transmission sont mal adaptés car par conception l'ingénieur s'est attaché à dissocier les chargements. Il a été constaté que cette dissociation de chargement conduit également à des architectures de jonction aux extrémités du corps de bielle ou de l'arbre de transmission, nécessitant plusieurs constituants chacun agissant vis-à-vis d'une sollicitation donnée et 10 pouvant par conséquent être améliorés en présence de chargements complexes. Il a été constaté que lorsque le corps de bielle ou l'arbre de transmission placés dans un environnement réduit ou immergés dans l'écoulement d'un fluide quelconque, la seule solution pour accroitre à iso rayon et iso matériau les caractéristiques mécaniques des sections droites, est d'ajouter de la matière uniformément répartie à l'intérieur du profil creux, augmentant de fait leur masse. Il a été constaté par ailleurs que l'ajout de matière interne au profil creux de corps de bielle ou d'arbre de transmission n'est pas possible par les méthodes d'usinage actuellement utilisées. Il a été constaté que lorsque des flux thermiques doivent transiter par les extrémités 20 des corps de bielles ou des poutres de jonctions ou des arbres de transmission, les modes de liaison collée, rivetée et vissée, sont peu performants vis-à-vis de la très bonne conductivité thermique recherchée à ces endroits. Il a été constaté également que dans le cas de solutions composites carbone, l'approvisionnement, la mise en oeuvre de ces matériaux et leur industrialisation restent 25 coûteuses alors que leurs emplois sont limités car ils ne résistent pas ou peu aux environnements corrosifs de fluides gazeux et liquides, ni aux températures de fonctionnement élevées supérieures à 180°C. La présente invention repose sur une phase initiale d'ingénierie en optimisation topologique numérique des structures et d'analyse fonctionnelle, suivi de l'usage des 30 techniques de fabrications additives par frittage laser ou par faisceau d'électron de poudres métalliques. La présente invention a pour but de proposer un procédé de conception, de fabrication et d'obtention simultanée sans autre emploi que le métal ou l'alliage approprié et choisi : 3035605 - 3 - - du corps de bielle, de la poutre de jonction ou de l'arbre de transmission, de section quelconque et variable suivant l'axe de révolution selon les besoins en reprise d'efforts mécaniques, - de dispositifs de renforts internes ou externes placés localement ou sur la totalité du dit 5 corps ou du dit arbre selon les besoins en reprise d'efforts mécaniques, de fortes rigidités et de faibles masses, - de l'enveloppe de révolution périphérique au dit corps ou au dit arbre, d'épaisseur quelconque et variable suivant l'axe de révolution selon les besoins en reprise d'efforts mécaniques, 10 - et des extrémités du dit corps ou du dit arbre selon les flux d'efforts à faire transiter par ces jonctions. Le procédé de fabrication du corps de bielle, de la poutre de jonction ou de l'arbre de transmission, se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes : - fabriquer en des dimensions choisies et en matériau métallique l'une des deux 15 extrémités appelée extrémité basse, qui assure le mode quelconque de jonction mécanique avec l'environnement, - élever la forme de révolution interne du corps de bielle, de poutre de liaison ou d'arbre de transmission en des dimensions choisies en les mêmes matériaux et alliages que l'extrémité basse ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique, - élever simultanément en la construction de la forme de révolution, les renforts locaux internes et/ou externes au dit corps de bielle ou au dit arbre en des dimensions et formes géométriques choisies en les mêmes matériaux et alliages ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique, - ajouter au dit corps de bielle ou au dit arbre la seconde extrémité appelée extrémité haute en des dimensions choisies en les mêmes matériaux et alliages que l'extrémité basse ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique. Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, afin de mieux résister aux sollicitations de compression et de flambement sans pénaliser gravement la masse, la section peut avoir la forme d'un tube (3, 3bis) d'épaisseur variable suivant l'axe de révolution, à l'intérieur duquel sont rapportées en nombre quelconque des nervures (4) ou des ondulations (6) (Figures 2, 3) ou des isogrids simple paroi (9) ou des isogrids double parois (11) (Figure 4). Ces nervures, ondulations, isogrids simple paroi ou double parois peuvent 3035605 - 4 - avoir des épaisseurs, des hauteurs, des rayons et des densités de réseau variables, adaptés au besoin, et pouvant également être placés sur la partie externe du corps de la bielle. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, en présence de sollicitations de torsion appliquées aux profils creux, la section peut avoir la forme d'un 5 tube d'épaisseur variable suivant l'axe de révolution et à l'intérieur duquel sont disposées un nombre variable de nervures elliptiques imbriquées nommées hélices (12, 13) d'épaisseur, de pas et d'inclinaison variables par rapport à l'axe longitudinal (Figures 5, 6), s'opposant aux déformations liées à la torsion en réduisant l'angle de cisaillement de la section droite. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, une section 10 périphérique extérieure exempte d'accident de forme (10) (Figure 4), apte à faciliter l'écoulement d'un fluide à l'état gazeux ou liquide et pouvant être d'épaisseur ou de profil variables suivant l'axe de révolution, peut être ajoutée au corps de bielle ou à l'arbre de transmission. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, une section 15 intérieure exempte d'accident de forme (5, 7) (Figures 2, 3), apte à faciliter l'écoulement d'un fluide à l'état gazeux ou liquide et pouvant être d'épaisseur ou de profil variables suivant l'axe de révolution, peut être ajoutée au corps de bielle ou à l'arbre de transmission. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les propriétés mécaniques et thermomécaniques, peuvent être ajustées par zones grâce à des 20 gradients métallurgiques obtenus en faisant varier au cours de la fabrication les pourcentages métallurgiques du métal ou de l'alliage ou du composite employé, rendant ainsi le corps de bielle ou l'arbre de transmission multi matériaux 3D. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les assemblages des extrémités (2) (Figure 1) sur le corps de bielle ou l'arbre de transmission sont 25 effectués sans utiliser de liaisons visées, soudées, collées ou rivetées, en une seule fois et lors de la même opération de construction du dit corps de bielle ou du dit arbre de transmission. Les avantages et les caractéristiques du procédé selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. 30 Dans le dessin annexé : - La figure (1) représente une géométrie classique de corps de bielle (1) avec l'une de ses extrémités rapportée (2) par liaison visée ou soudée ou collée ou rivetée, qui assurent à l'aide d'un pivot ou d'une rotule la jonction mécanique avec l'environnent. - La figure (2) représente vue en coupe un corps de bielle ou un arbre de transmission creux (3) d'épaisseur quelconque à l'intérieur duquel sont disposées en nombre 3035605 5 - 10 - 15 - 20 - 25 - 5 - quelconque des nervures rectilignes suivant l'axe de révolution (4), d'épaisseur et de hauteur quelconques. Le profil intérieur (5) au corps de bielle ou à l'arbre de transmission (3) joint les sommets des nervures (4) rendant le système monobloc. La figure (3) représente vue en coupe un corps de bielle ou un arbre de transmission creux (3 bis) d'épaisseur quelconque à l'intérieur duquel sont disposées en nombre quelconque d'ondulations rectilignes suivant l'axe de révolution (6), d'épaisseur, de rayon et de hauteur quelconques. Le profil intérieur (7) au corps de bielle ou à l'arbre de transmission (3bis) joint les sommets des ondulations (5) rendant le système monobloc. La figure (4) représente un profil de révolution cylindrique creux de corps de bielle ou d'arbre de transmission (8, 8bis) sur lequel est placé en partie externe un réseau d'isogrids simple paroi (9) de hauteur, d'épaisseur et de densité variables selon le besoin. Ce réseau peut être disposé de façon similaire ou non à l'intérieur du profil (8). Enfin pour des raisons mécaniques ou fonctionnelles en cas d'immersion dans un fluide gazeux ou liquide, une enveloppe périphérique (10) d'épaisseur et de profil variables suivant l'axe de révolution est ajoutée et joint les sommets des isogrids (11), formant alors des isogrids double parois et rendant le système monobloc. La figure (5) montre une vue de côté du corps de bielle ou de l'arbre de transmission dans lequel sont disposées des nervures elliptiques imbriquées nommées hélices (12) car enroulées suivant l'axe de révolution, et d'épaisseur, de pas et de hauteur quelconques. La figure (6) représente en vue 3D la disposition et l'enroulement autour de l'axe de révolution des nervures elliptiques nommées hélices (13) à l'intérieur du profil creux du corps de bielle ou de l'arbre de transmission. REVENDICATIONS1°) Procédé de fabrication d'un corps de bielle creux raidi, allégé, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes : - fabriquer en des dimensions et formes choisies et en matériau métallique la première des deux extrémités (2) qui assure la jonction mécanique du corps de bielle (1) avec son environnement, - élever sur la première extrémité la forme de révolution interne du corps de bielle (5, 7, 8, 8bis) en des dimensions choisies en les mêmes matériaux et alliages ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique, - élever simultanément en la construction de la forme de révolution, les renforts locaux internes ou externes (3, 3bis, 4, 6, 9, 10, 11, 13) au dit corps en des dimensions et formes géométriques choisies en les mêmes matériaux et alliages ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique, - ajouter au corps de bielle la seconde des deux extrémités (2) en des dimensions et formes choisies en les mêmes matériaux et alliages que la première extrémité ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique. 2°) Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux extrémités (2), les enveloppes du corps de bielles (3, 3bis, 5, 7, 8, 8bis), les renforts locaux internes ou externes (4, 6, 9, 10, 11, 13) sont joints et obtenus quasi simultanément au cours d'une seule 20 opération de fabrication par la fusion de poudres métalliques ou d'alliages ou de composites. 3°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les deux extrémités (2), les enveloppes du corps de bielles (3, 3bis, 5, 7, 8, 8bis), les renforts locaux internes ou externes (4, 6, 9, 10, 11, 13), sont obtenus en faisant varier au cours de la fabrication les pourcentages métallurgiques de l'alliage ou du métal ou du 25 composite employé. 4°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps de bielle ainsi fabriqué est de section quelconque variable le long de l'axe de révolution, mufti matériaux et monobloc 3D. 5°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 30 que les formes géométriques et les propriétés mécaniques ainsi obtenues sont transposables aux bielles des systèmes de maintien des trains d'atterrissage d'avions. 6°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les formes géométriques et les propriétés mécaniques ainsi obtenues sont transposables aux bielles des systèmes de maintien des moteurs d'avions et de lanceurs. 3035605 - 7 - 7°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les formes géométriques et les propriétés mécaniques ainsi obtenues sont transposables aux bielles de maintien des sous-systèmes et systèmes de satellites. 8°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 5 que les formes géométriques et les propriétés mécaniques ainsi obtenues sont transposables aux arbres de transmission des turbo machines. 9°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les formes géométriques et les propriétés mécaniques ainsi obtenues sont transposables aux poutres de jonctions.