Brevet FR3074444A1 — publié le 20190607

Arriere-plan de ('invention La presente invention se rapporte au domaine general de Ia fabrication de pieces en materiaux polymeres, notamment thermodurcissables, de pieces metalliques, en alliage metallique ou en ceramique par fabrication additive et elle concerne plus particulierement, mais non exclusivement, la fabrication d'un revetement abradable de paroi de turbomachine telle qu'un turboreacteur d'avion. Le controle des nuisances sonores dues aux avions aux alentours des aeroports est devenu en enjeu de sante public. Des normes et reglements de plus en plus severes sont imposes aux fabricants d'avions et aux gestionnaires d'aeroports. Par consequent, construire un avion silencieux est devenu au fil des annees un argument de vente marquant. Actuellement, le bruit genere par les moteurs d'avions est attenue par des revetements acoustiques a reaction localisee qui permettent de diminuer l'intensite sonore du moteur sur un ou deux octaves sur le principe des resonateurs de Helmholtz, ces revetements se presentant classiquement sous la forme de panneaux composites composes d'une plaque rigide associee a une ame nid d'abeille recouverte d'une peau perforee et disposes au niveau de la nacelle ou des conduits de propagation amont et aval. Toutefois, dans les moteurs de nouvelle generation (par exemple dans les turbosoufflantes), les zones disponibles pour les revetements acoustiques sont amenees a se recluire considerablement comme dans la technologie UHBR (Ultra-High-BypassRatio). II est donc important de proposer des nouveaux procedes et/ou de nouveaux materiaux (notamment des materiaux poreux) permettant d'eliminer ou de reduire de facon significative le niveau de bruit produit genere par les moteurs d'avion surtout dans les phases de decollage et d'atterrissage et sur une gamme frequentielle plus large qu'actuellement incluant les basses frequences tout en conservant les performances du moteur. C'est Ia raison pour laquelle on cherche aujourd'hui de nouvelles surfaces de traitements acoustiques et ceci avec un impact minimal sur les 2 autres fonctionnalites du moteur comme la consommation specifique de carburant qui constitue un avantage commercial important. Par ailleurs, it est aujourd'hui courant et avantageux d'avoir recours a des procedes de fabrication additive en lieu et place des 5 procedes traditionnels de fonderie, de forge ou d'usinage dans la masse pour realiser facilement, rapidement et a moindre cat des pieces tridimensionnelles complexes. Le domaine aeronautique se prete d'ailleurs particulierement bien a ('utilisation de ces procedes. Parmi ceux-ci, on peut citer notamment le procede de depot energetique direct par fil (Wire 10 Beam Deposition). Objet et résumé de ('invention La presente invention a donc pour but de proposer une 15 methode de mise en forme d'un nouveau materiau, pouvant reduire de maniere significative le bruit genere par les turboreacteurs d'avion. Le controle des parametres du materiau permet une reduction du bruit sur une gamme allant des basses a des hautes frequences. Les produits issus de cette methode sont destines a etre montes sur une paroi d'un 20 turboreacteur en contact avec un ecoulement fluidique et plus particulierement en lieu et place d'un cartouche d'abradable de carter de soufflante. A cet effet, it est prevu un procede de fabrication d'un reseau ordonne de canaux acoustiques, le procede consistant a deposer sur une 25 surface de substrat un filament d'un materiau thermodurcissable tout en assurant a la fois un &placement relatif entre ledit substrat et ledit filament selon une trajectoire de depot determinee et une solidification dudit filament afin de creer un echafaudage tridimensionnel de filaments, caracterise en ce que ledit materiau thermodurcissable est un mélange 30 thixotrope depourvu de solvant et constitue d'une base polymere et d'un agent de reticulation dans un rapport ponderal de ladite base polymere a ledit agent de reticulation compris entre 1 :1 et 2 :1, et d'un composant de facilitation de recoulement, typiquement une gel& de &tole presente entre 5 et 15% en poids du poids total dudit mélange thixotrope. 35 Ainsi, on obtient une microstructure poreuse a porosite reguliere et ordonnee qui assure une absorption importante des ondes acoustiques 3 par dissipation visco-thermique au sein des canaux tout en gardant sa nature abradable de par le materiau la constituant. De preference, ledit mélange thixotrope est obtenu par co-extrusion desdits composants dans une vis d'extrusion conique et depose 5 sur ladite surface de substrat au moyen d'une buse dejection de forme et dimension calibrees dont la section de sortie presente une plus grande largeur inferieure a 250 microns. Avantageusement, le deplacement relatif entre ledit substrat et ledit filament cylindrique est assure par une machine trois axes au moins 10 ou un robot commande depuis un calculateur et la solidification dudit filament cylindrique est assuree par un element de chauffage monte en sortie de ladite buse dejection calibree. Selon le mode de realisation envisage, ledit echafaudage tridimensionnel peut-titre constitue : 15 - de couches superposees dont les filaments Tune couche dorm& sont orientes alternativement a 0° ou a 90° sans decalage dans la superposition des filaments d'une meme direction ; - de couches superposees dont les filaments d'une couche dorm& sont orient& alternativement a 0° ou a 90° presentant un 20 decalage dans Ia superposition des filaments d'une meme direction ; - de couches superposees presentant des directions d'orientation des filaments Di decalees d'un meme kart angulaire, compris entre 20° et 40°, typiquement de 30°, a chaque couche i ; - ou encore de couches superposees de filaments presentant, 25 pour chacune des couches, a la fois une orientation de filaments a 0° et une orientation de filaments a 90°, de fawn a former des perforations verticales de sections carrees entre les filaments. L'invention se rapporte egalement au reseau ordonne de canaux acoustiques obtenu a partir du procede precite et au revetement 30 abradable de paroi de turbomachine comportant ce reseau. Breve description des dessins D'autres caracteristiques et avantages de Ia presente invention 35 ressortiront de la description detaillee faite ci-dessous, en reference aux figures suivantes depourvues de tout caractere limitatif et sur lesquelles : 4 La figure 1 illustre en perspective eclat& le montage d'un echafaudage tridimensionnel de filaments de materiau abradable conforme a l'invention, La figure 2 illustre le systeme de depot de filaments pour la 5 realisation de ('echafaudage tridimensionnel de Ia figure 1, et - Les figures 3A a 3D montrent quatre exemples d'echafaudages tridimensionnels ayant des proprietes acoustiques. 10 Description detaillee de l'invention Le procede selon l'invention permet !Impression d'un materiau abradable sur un substrat dans le but de realiser un echafaudage tridimensionnel de filaments formant entre eux un reseau ordonne de canaux ayant des proprietes acoustiques. 15 Par materiau abradable, on entend la capacite du materiau a se disloquer (ou s'eroder) en fonctionnement au contact d'une piece en regard (faible resistance au cisaillement) et sa resistance a l'usure suite aux impacts de particules ou corps strangers qu'il est amens a ingerer en fonctionnement (compromis avec abradabilite). Un tel materiau doit en 20 outre garder voire favoriser de bonnes proprietes aerodynamiques (critere de rugosite : Ra sur etat de surface), presenter des resistances a l'oxydation et a la corrosion suffisantes et un coefficient de dilatation thermique du merne ordre que la couche ou le substrat sur lequel it est depose. 25 La figure 1 illustre en perspective eclat& une partie d'un echafaudage tridimensionnel 10 de filaments 100, 200, 300, avantageusement cylindriques, d'un materiau abradable permettant, conformement a l'invention, la realisation d'un revetement sous la forme d'un reseau ordonne de canaux de nature a conferer des proprietes 30 acoustiques a une paroi (le substrat) 12 destinee a recevoir ce revetement. Selon la configuration de reseau envisage, des interconnections entre les canaux peuvent exister de maniere reguliere lors de Ia superposition des differentes couches du materiau abradable destinees a generer ces differents canaux. Cette paroi est 35 preferentiellement, sans que cela ne soit limitatif, une paroi d'une turbomachine telle qu'un turboreacteur d'avion et plus particulierement un 5 carter composite tisse 3D dispose en peripherie des aubes de soufflante et habituellement destine a recevoir une cartouche d'abradable. L'impression d'un tel reseau ordonne de canaux est effectuee par fabrication additive selon le procede decrit ci-apres en regard de la 5 figure 2. Cette impression requiert des equipements de precision permettant de controler le depot du materiau abradable et assurer ainsi le tolerancement dimensionnel final. II faut pour cela disposer au moins d'une machine 3 axes du type ABG10000 de Aerotech Incorporation ou d'un robot possedant des « axes numeriques » de precision 10 (positionnement de l'ordre de 5 microns) permettant via un logiciel approprie de commander l'impression selon une trajectoire de depot definie par l'utilisateur. Grace a ces equipements, il est donc possible de garantir un depot précis de filaments dans un espace tridimensionnel determine, en controlant les parametres d'impression tels que la vitesse 15 d'ecoulement du materiau, la position et vitesse de &placement de l'impression. Comme le montre la figure 2, un systeme de depot filamentaire, une machine 3 axes au moins ou un robot 20, vient deposer de preference en liaison avec un circuit de controle en pression et temperature interne 20 au systeme, le materiau abradable par extrusion via une buse dejection 22 de forme et dimension calibrees tout d'abord sur le substrat 12 puis successivement sur les differentes couches superposees creees a la suite jusqu'a l'obtention de l'epaisseur desiree. Le systeme de depot filamentaire suit une trajectoire de depot controlee par un calculateur 25 (ordinateur ou microcontroleur 24) auquel il est relie assurant la commande du systeme de depot filamentaire et controlant en tout point de la surface traitee a la fois ('arrangement filamentaire et la porosite du milieu necessaires pour garantir l'abradabilite souhaitee. L'alimentation en materiau abradable est assuree a partir d'une 30 vis a extrusion conique 26 permettant de melanger plusieurs composants pour former un mélange thixotrope ayant ('aspect d'une pate. La vis d'extrusion conique qui comporte au moins deux entrées separees 26A, 26B pour ('introduction simultande d'au moins deux composants permet d'assurer un mélange adequat et homogene des composants tout au long 35 de ('operation de depot, pour obtenir in fine un materiau fluide a haute viscosite qui va etre depose par la buse dejection calibree 22 dont la 6 section de sortie dans sa plus grande largeur est inferieure a 250 microns. Durant cette operation, it faut eviter la generation de bulles d'air qui forment autant de defaut dans le filament lors de ('impression et it est donc necessaire de pousser le materiau de maniere tres progressive tout 5 en controlant la pression dans la buse dejection et sa vitesse de deplacement, de fawn a obtenir un filament dont la section est uniforme et la position conforme. On notera que par un controle des composants introduits dans la vis a extrusion conique, it est possible de changer Ia constitution du materiau depose. 10 Une lampe de chauffage 28 ou tout dispositif analogue peut etre montee en sortie de la buse d'ejection 22 pour stabiliser le materiau depose et eviter le fluage au cours du depot. Le depot du materiau abradable s'effectue jusqu'a une epaisseur specifiee. Pour accelerer le depot du materiau, le systerne de depot filamentaire 20 peut comporter 15 plusieurs buses ajustables de fawn independante ou comporter une multibuse de diametre calibree telle que celle decrite dans la demande US 2017/203566. On obtient ainsi un depot controle de materiau abradable dans repaisseur et en surface permettant de fonctionnaliser I'abradable 20 notamment en vue de lui conferer des proprietes acoustiques. Pour cela, le reseau ordonne de canaux presente avantageusement un echafaudage ayant l'une des configurations illustrees aux figures 3A, 3B, 3C et 3D, a savoir : Sur la figure 3A, un echafaudage tridimensionnel de filaments 25 100, 200 est constitue de couches superposees dont les filaments d'une couche donnee sont orientes alternativement a 0° ou a 90° sans decalage dans la superposition des filaments d'une meme direction. Sur la figure 3B, un echafaudage tridimensionnel de filaments 100, 200 est constitue de couches superposees dont les filaments d'une 30 couche donnee sont orientes alternativement a 0° ou a 90° et presentent un decalage dans Ia superposition des filaments d'une meme direction. Ce decalage est comme illustre de preference egal a la moitie de la distance entre deux filaments. On notera que pour ces deux configurations l'ecart angulaire 35 entre les deux directions de filaments peut etre different et inferieur a 90°, par exemple 45°. 7 Sur la figure 3C, un echafaudage tridimensionnel de filaments 100, 200, 300, 400, 500, 600 est constitue de couches superposees presentant des directions d'orientation des filaments Di decalees d'un merne kart angulaire, compris entre 20° et 40°, typiquement de 30°, a 5 chaque couche i (i compris entre 1 et 6 pour un kart angulaire de 30°). Et sur la figure 3D, un echafaudage tridimensionnel de filaments 100, 200 est constitue de couches superposees de filaments presentant, pour chacune des couches, a la fois une orientation de filaments a 0° et une orientation de filaments a 90°, de fawn a former des perforations 10 verticales 700 de sections carrees entre les filaments. Une impression sur un secteur de carter avec ces differentes structures a montre la faisabilite d'un tel depot robotise de materiau abradable selon le procede precite de fabrication additive. Des tests de comportement mecanique en compression et flexion ont aussi ete realises 15 ainsi que des echantillons destines a un test d'impact basse energie ou a une caracterisation de ('impedance acoustique en incidence normale. Notamment, it a ete constate une transmission de l'energie acoustique au travers de l'echafaudage et une absorption d'une partie de cede energie acoustique par modification des sources aero-acoustique ou 20 absorption des ondes sonores propagatrices. Le materiau abardable extrude par la ou les buses calibrees est avantageusement un materiau thermodurcissable a haute viscosite (dit aussi fluide) qui est depourvu de solvant dont ('evaporation genere comme it est connu un fort retrait. Ce materiau est de preference une resine a 25 cinetique de polymerisation lente et ecoulement filamentaire stable se presentant sous Ia forme d'un mélange thixotrope qui presente donc l'avantage d'un retrait beaucoup plus faible entre ('impression sur le substrat (juste apres extrusion du materiau) et Ia structure finale (une fois chauffee et la polymerisation complete). 30 Un exemple de materiau abradable utilise dans le cadre du procede est un materiau se presentant sous forme pateuse et constitue de trois composants a savoir une base polymere, par exemple une resine epoxyde (se presentant comme une pate a modeler bleue), un agent de reticulation ou accelerateur (se presentant comme une pate a modeler 35 blanche) et une gelee de *role de couleur translucide (par exemple de la vaselinem). Les composants accelerateur/base sont repartis selon un 8 rapport ponderal de la base a l'accelerateur compris entre 1:1 et 2 :1 et la gelee de *role presente entre 5 et 15% (typiquement 10%) en poids du poids total du materiau. La base peut en outre comporter des microspheres de verres creuses d'un diametre determine pour assurer la 5 porosite desiree tout en permettant d'accroitre les performances mecaniques de I'echafaudage imprime. L'interet de ('introduction de la gelee de *role reside dans Ia reduction de la viscosite de la resine ainsi que de Ia cinetique de reaction de I'abradable, ce qui rend sa viscosite plus stable durant le temps de l'impression. (La viscosite est directement 10 liee a Ia pression d'extrusion necessaire pour assurer la vitesse d'extrusion adequate pour conserver la qualite de ('impression). A titre d'exemple, un tel rapport de 2 :1 donne un materiau abradable comprenant 0.7g d'accelerateur et 1.4g de base, auquel it convient d'ajouter 0.2g de gelee de *role. 15 Ainsi Ia presente invention permet une impression rapide (30mm/s) et stable permettant de reproduire efficacement des structures acoustiques performantes controlees (rugosite, aspect, taux d'ouverture) ayant une faible taille de filament ( 70%) REVENDICATIONS1. Procede de fabrication d'un reseau (10) ordonne de canaux acoustiques, le procede consistant a deposer sur une surface de substrat (12) un filament (100, 200, 300) d'un materiau thermodurcissable tout en assurant a la fois un deplacement relatif entre ledit substrat et ledit filament selon une trajectoire de depot determinee et une solidification dudit filament afin de creer un echafaudage tridimensionnel de filaments, caracterise en ce que ledit materiau thermodurcissable est un mélange thixotrope depourvu de solvant et constitue d'une base polymere et d'un agent de reticulation dans un rapport ponderal de ladite base polymere a ledit agent de reticulation compris entre 1 :1 et 2 :1, et d'un composant de facilitation de l'ecoulement, typiquement une gelee de *role presente entre 5 et 15% en poids du poids total dudit mélange thixotrope. 2. Procede de fabrication selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit mélange thixotrope est obtenu par co-extrusion desdits composants dans une vis d'extrusion conique (26) et depose sur ladite surface de substrat (12) au moyen d'une buse dejection de forme et dimension calibrees (22) dont la section de sortie presente une plus grande largeur inferieure a 250 microns. 3. Procede de fabrication selon la revendication 1 ou la revendication 2, caracterise en ce que le deplacement relatif entre ledit substrat et ledit 25 filament est assure par une machine trois axes au moins ou un robot (20) comniande depuis un calculateur (24). 4. Procede de fabrication selon rune quelconque des revendications 1 a 3, caracterise en ce que Ia solidification dudit filament est assuree par un 30 element de chauffage (28) monte en sortie de ladite buse d'ejection calibree. 5. Procede de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce que ledit echafaudage tridimensionnel de filaments est 35 constitue de couches superposees dont les filaments d'une couche dorm& (100, 200) sont orientes alternativement a 0° ou a 90° sans decalage dans Ia superposition des filaments d'une meme direction. 10 6. Procke de fabrication selon rune quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce que ledit echafaudage tridimensionnel de filaments est constitue de couches superposees dont les filaments d'une couche dorm& (100, 200) sont orientes alternativement a 0° ou a 90° et presentent un 5 decalage dans Ia superposition des filaments d'une meme direction. 7. Procede de fabrication selon rune quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce que ledit echafaudage tridimensionnel de filaments est constitue de couches superposees de filaments (100, 200, 300, 400, 500, 10 600) presentant des directions d'orientation des filaments Di decalees d'un meme kart angulaire, compris entre 20° et 40°, typiquement de 30°, a chaque couche i. 8. Prockle de fabrication selon I'une quelconque des revendications 1 a 4, 15 caracterise en ce que ledit echafaudage tridimensionnel de filaments est constitue de couches superposees de filaments (100, 200) presentant, pour chacune des couches, a Ia fois une orientation de filaments a 0° et une orientation de filaments a 90°, de facon a former des perforations verticales (700) de sections carrees entre les filaments. 20 9. Reseau ordonne de canaux acoustiques obtenu a partir du procede de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 a 8. 10. Revetement abradable de paroi de turbomachine comportant un 25 reseau ordonne de canaux acoustiques selon Ia revendication 9.