Brevet FR3124748A1 — publié le 20230106

Le présent document concerne un procédé (200) de fabrication additive d’une pièce de turbomachine, ladite pièce ayant un axe primaire et au moins une partie inclinée s’étendant suivant une direction secondaire formant un angle non nul avec l’axe primaire, comprenant les étapes : a) pour chaque partie inclinée : a1) fournir (202) une rugosité cible d’une surface extérieure de ladite partie inclinée, a2) fournir (202) un abattement mécanique de ladite partie inclinée, a3) déterminer (204) une rugosité maximale de la surface extérieure de ladite partie inclinée en fonction de l’abattement mécanique de ladite partie inclinée, b) déterminer (206) une rugosité maximale globale en fonction de la rugosité maximale de la surface extérieure de chaque partie inclinée, c) déterminer (208), en fonction de la rugosité maximale globale, une orientation de l’axe primaire de la pièce à fabriquer par rapport à un plan d’un plateau de fabrication de dispositif de fabrication additive, et d) réaliser (212) la pièce par fabrication additive. Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 4] Procédé de fabrication additive de pièces de turbomachine Domaine technique de l’invention Le présent document concerne un procédé de fabrication additive par fusion sur un lit de poudre, en particulier pour la fabrication de pièces de turbomachine. Etat de la technique antérieure Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces complexes. Lorsqu'il s'agit de la fabrication de pièces en alliage métallique ou en céramique, le procédé de fusion sélective ou de frittage sélectif de poudre permet d'obtenir des pièces complexes, qui sont difficilement réalisables ou non réalisables avec les procédés conventionnels tels que la fonderie, la forge ou l'usinage. Il est notamment possible de réaliser des pièces présentant des cavités difficiles d’accès. Le domaine aéronautique se prête particulièrement bien à l'utilisation de ce procédé. En outre, un tel procédé de fabrication additive présente l'avantage d'être rapide et ne pas nécessiter d'outillage spécifique contrairement à la plupart des procédés conventionnels, ce qui réduit considérablement les coûts et les cycles de fabrication des pièces. Un tel procédé comprend généralement une étape durant laquelle est déposée, sur un plateau de fabrication, une première couche de poudre d'un métal, d'un alliage métallique ou de céramique d'épaisseur contrôlée, puis une étape consistant à chauffer avec un moyen de chauffage (par exemple un faisceau laser ou un faisceau d'électrons) une zone prédéfinie de la couche de poudre, et de procéder en répétant ces étapes pour chaque couche supplémentaire, jusqu'à l'obtention, tranche par tranche, de la pièce finale. Un tel procédé peut être un procédé appelé « laser beam melting » en anglais ou « selective laser melting ». Certaines pièces de turbomachine présentent des formes complexes et comportent des parties inclinées l’une par rapport à l’autre, ce qui implique que certaines parties de la pièce se retrouvent inclinées par rapport au plateau de fabrication du dispositif de fabrication additive. La montre une telle partie inclinée 10 telle que disposée sur le plateau de fabrication 5, avec un angle α. La fusion successive des couches 2 peut induire un effet de marche au niveau de la surface extérieure 3 de la partie inclinée 10. En effet, le moyen de fusion, par exemple les rayons laser sont dirigés à la verticale selon Z, ce qui induit l’effet de marche entre les couches qui ont une épaisseur figée, et pas forcément cohérente avec la géométrie voulue. En outre, des grains de poudre restants peuvent fusionner avec la surface inférieure 4 de la partie inclinée 10. Ces effets de marche dépendent de l’angle α. La pièce ainsi réalisée présente une rugosité relativement élevée, ce qui peut être préjudiciable à la tenue mécanique et à la durée de vie de la pièce. En outre, des zones de la pièce qui sont dans la veine d’air, lorsque la pièce est agencée dans une partie haute pression de la turbine, nécessitent une première rugosité maximale faible pour limiter les pertes de charge et les effets de couche limite. Tandis que les mêmes zones, lorsque la pièce est agencée dans une partie basse pression de la turbine, peuvent avoir une seconde rugosité maximale supérieure à la première rugosité maximale, et n’ont pas besoin d’une rugosité aussi faible. Il existe un besoin de maitriser la rugosité des pièces réalisées par fabrication additive. Pour cela, certaines méthodes consistent à mesurer la rugosité des pièces après leur fabrication et à reprendre l’usinage des surfaces des pièces pour obtenir un état de surface conforme avec les propriétés mécaniques nécessaires de la pièce. Ces opérations supplémentaires sont souvent couteuses, complexes et parfois redondantes. Il existe un besoin d’améliorer le contrôle de la rugosité des pièces réalisées par fabrication additive. A cet effet, le présent document concerne un procédé de fabrication additive d’une pièce de turbomachine, ladite pièce ayant un axe primaire et au moins une partie inclinée s’étendant suivant une direction secondaire formant un angle non nul avec l’axe primaire, comprenant les étapes : a) pour chaque partie inclinée : a1) fournir une rugosité cible d’une surface extérieure de ladite partie inclinée, a2) fournir un abattement mécanique de ladite partie inclinée, a3) déterminer une rugosité maximale de la surface extérieure de ladite partie inclinée en fonction de l’abattement mécanique de ladite partie inclinée, b) déterminer une rugosité maximale globale en fonction de la rugosité maximale de la surface extérieure de chaque partie inclinée, c) déterminer, en fonction de la rugosité maximale globale, une orientation de l’axe primaire de la pièce à fabriquer par rapport à un plan d’un plateau de fabrication de dispositif de fabrication additive, et d) réaliser la pièce par fabrication additive. Le procédé permet d’obtenir une pièce avec un état de surface acceptable et avec la tenue mécanique nécessaire pour le fonctionnement de la pièce. L’axe primaire peut être un axe de révolution, un axe de symétrie ou un axe selon une direction longitudinale de la pièce. La direction secondaire peut être suivant un axe longitudinal, un axe de révolution ou un axe de symétrie de la partie inclinée. La rugosité peut être la rugosité moyenne arithmétique du profil de la surface extérieure ou la rugosité maximale du profil de la surface extérieure. La rugosité peut être mesurée par un profilomètre avec ou sans contact, par exemple par un profilomètre laser ou visuel. L’étape a1) peut comprendre : fournir une rugosité cible de la surface extérieure supérieure de la partie inclinée et une rugosité cible de la surface extérieure inférieure de la partie inclinée. La surface extérieure supérieure peut être opposée à la surface extérieure inférieure par rapport à un plan longitudinal de la partie inclinée. L’abattement mécanique, en fatigue, déterminé par des essais mécaniques de fatigue à la température de fonctionnement et aux conditions de fonctionnement de la pièce, peut être fonction de la rugosité, en particulier de la rugosité de la partie inclinée lorsqu’elle est soumise à des contraintes mécaniques prédéterminées. Par exemple, l’abattement mécanique peut être un abattement mécanique dit LCF (pour « low cycle fatigue » en anglais), qui correspond à une fatigue oligocyclique par rapport à des courbes de référence connues de la pièce. L’abattement mécanique LCF peut être déterminé par des essais mécaniques de fatigue avec des cycles de contraintes mis sur des éprouvettes selon une basse fréquence d’essai. Cet abattement mécanique LCF peut être associé aux phénomènes de dilatation et de retrait thermique dus à la température auxquelles est soumise la pièce. L’abattement mécanique peut être un abattement mécanique dit HCF (pour « High Cycle Fatigue ») qui correspond à une fatigue vibratoire de la pièce due à la vibration de la turbomachine. L’abattement mécanique HCF peut être déterminé par des essais de fatigue mais avec une fréquence d’essai élevée. L’abattement mécanique peut être un pourcentage entre une courbe de fatigue de la pièce par rapport à une courbe de référence de la pièce lorsqu’elle n’est pas soumise à des contraintes thermomécaniques. La rugosité cible peut dépendre, et/ou peut être déduite, de la fonction de la partie inclinée ou d’une zone de ladite partie inclinée. La rugosité cible peut être en fonction d’un besoin aérodynamique. Par exemple, des zones de la pièce qui sont prévues pour être agencées dans une veine d’air, lorsqu’elle la pièce est un redresseur de compresseur haute pression de la turbomachine, peuvent avoir une rugosité moyenne arithmétique cible inférieure à 1,6µm. Pour ces mêmes zones, lorsqu’elle la pièce est un distributeur de turbine basse pression de la turbomachine, peuvent avoir une rugosité moyenne arithmétique cible inférieure à 3,2µm. En outre, lorsque la partie inclinée est une partie de raccord entre deux parties de la pièce, la rugosité moyenne arithmétique cible peut être inférieure à 3,2µm. Le plan du plateau de fabrication peut être sensiblement perpendiculaire à une direction des rayons laser utilisés pour la fusion des couches de la pièce, pour améliorer l’état de surface. La rugosité maximale à tenir, lors de l’étape b), peut être déterminée en fonction de la rugosité cible et de la rugosité tenable en fonction de l’inclinaison de la pièce en fabrication. Le procédé peut comprendre la détermination d’une première loi expérimentale, ladite détermination comprenant les étapes : - fournir des éprouvettes de référence, chaque éprouvette de référence ayant un axe primaire et étant réalisée par fabrication additive, chaque éprouvette de référence comprenant une surface inférieure tournée vers le plateau de fabrication de dispositif de fabrication formant un premier angle avec l’axe primaire et une surface supérieure opposée à ladite surface inférieure et formant un second angle avec l’axe primaire, - pour chaque éprouvette de référence, mesurer la rugosité de la surface supérieure et la rugosité de la surface inférieure, - obtenir ladite première loi expérimentale par interpolation des rugosités de la surface supérieure et de la surface inférieure en fonction des premiers angles et des seconds angles. Le premier angle et le second angle peuvent être des angles de fabrication. La première loi expérimentale peut dépendre du matériau de l’éprouvette de référence, de l’épaisseur des couches déposées par fabrication additive, de la température de la pièce par exemple pendant l’utilisation de la pièce dans un moteur la comprenant, de la puissance des rayons laser et/ou de la vitesse des rayons laser. La première loi expérimentale peut être obtenue par une interpolation polynomiale ou toute autre fonction adaptée. La rugosité peut être une moyenne de rugosités. Par exemple, plusieurs éprouvettes de référence, présentant un même matériau, un même premier angle et un même second angle, peuvent servir pour la mesure de la moyenne de rugosités. La première loi expérimentale peut comprendre une première courbe obtenue pour des données de rugosité à des écarts types d’environ +2 de la moyenne de rugosités, et une seconde courbe obtenue pour des données de rugosité à des écarts types d’environ -2 de la moyenne de rugosités. Ainsi, il est possible de prédire la variabilité de la rugosité pour un même angle. La première loi expérimentale peut être stockée dans une base de données. Le premier angle et le second angle peuvent être complémentaires. L’étape c) peut comprendre la détermination de l’orientation de l’axe primaire de la pièce en utilisant la première loi expérimentale. Par exemple, l’inverse de la première loi expérimentale peut être utilisée en fonction de la rugosité maximale globale pour calculer un angle entre la surface extérieure et le plan du plateau de fabrication. L’orientation de l’axe primaire peut être obtenue en fonction dudit angle calculé et l’angle entre une, ou chaque, partie inclinée et l’axe primaire. L’étape c) peut comprendre la détermination de l’orientation de l’axe primaire de la pièce en utilisant une loi reliant la rugosité et l’angle de fabrication obtenue par simulation. Le procédé peut comprendre une étape de validation de la première loi expérimentale, comprenant les étapes : - réaliser par fabrication additive d’au moins une éprouvette ayant un axe primaire et comprenant une surface extérieure formant un angle de test avec l’axe primaire, - mesurer la rugosité de la surface extérieure, - comparer la rugosité mesurée à une rugosité calculée en fonction de l’angle de test et de la première loi expérimentale. Lorsque la rugosité mesurée est différente de la rugosité calculée, le procédé peut comprendre une étape de recalage de la première loi expérimentale. Le procédé peut comprendre la détermination d’une seconde loi expérimentale, ladite détermination comprenant les étapes : - pour chaque éprouvette de référence, mesurer l’abattement mécanique et la rugosité de la surface inférieure et/ou de la surface supérieure, - obtenir ladite seconde loi expérimentale par interpolation des abattements mécaniques en fonction des rugosités. L’abattement mécanique peut être une moyenne d’abattements mécaniques. Par exemple, plusieurs éprouvettes de référence, présentant un même matériau, un même premier angle et un même second angle, peuvent servir pour la mesure de la moyenne des abattements mécaniques. Le procédé peut comprendre préalablement à la mesure de l’abattement mécanique, la fabrication de l’éprouvette de référence par fabrication additive. Les éprouvettes de référence utilisées pour déterminer la première loi expérimentale peuvent être différentes des éprouvettes de référence utilisées pour déterminer la seconde loi expérimentale. Par exemple, les éprouvettes de référence pour déterminer la seconde loi expérimentale peuvent comprendre une surface extérieure qui peut être soit une surface inférieure ou une surface supérieure et la rugosité est mesurée pour la surface extérieure. La seconde loi expérimentale peut être déterminée pour différentes températures d’utilisation de la pièce. L’étape a3) peut comprendre la détermination de la rugosité maximale globale en utilisant la seconde loi expérimentale. L’étape a3) peut comprendre la détermination de la rugosité maximale globale en utilisant une loi reliant la rugosité et l’angle de fabrication obtenue par simulation. La seconde loi expérimentale peut être stockée dans la base de données. Le procédé peut comprendre, pour chaque partie inclinée, les étapes : - comparer la rugosité cible et la rugosité maximale globale, - lorsque la rugosité maximale globale est supérieure à la rugosité cible de ladite partie inclinée, usiner ladite partie inclinée pour obtenir la rugosité cible, postérieurement à l’étape d). Le procédé peut comprendre le polissage de la partie inclinée ou le fraisage de la partie inclinée. Cette étape permet d’obtenir la rugosité cible. Le polissage peut être un polissage chimique, une tribofinition, un polissage par pâte abrasive, un sablage, etc. Le procédé peut comprendre, pour chaque partie inclinée, les étapes : - comparer la rugosité cible et la rugosité maximale globale, - lorsque la rugosité maximale globale est supérieure à la rugosité cible de ladite partie inclinée, modifier la cotation de la partie inclinée en y ajoutant une épaisseur, préalablement à l’étape d). L’épaisseur peut être fonction de la méthode d’usinage de la pièce pour obtenir la rugosité cible qui peut être du polissage ou un fraisage de la pièce. Le procédé peut comprendre, pour chaque partie inclinée, les étapes : - comparer la rugosité cible et la rugosité maximale globale, - lorsque la rugosité maximale globale est supérieure à la rugosité cible de ladite partie inclinée, modifier la cotation de la partie inclinée, en modifiant l’angle entre la partie inclinée et l’axe primaire ou en modifiant une autre dimension de la partie inclinée qui peut être sa longueur, son épaisseur ou sa largeur. La pièce peut être réalisée par fabrication additive en déposant une succession de couches d’une poudre du matériau de la pièce avec une épaisseur comprise entre 20 et 60 microns, par exemple égale à 40 microns. La pièce peut être un support de palier de la turbomachine ou une aube de turbine de la turbomachine ou une aube de compresseur de la turbomachine. Le présent document concerne encore un dispositif comprenant des moyens de mise en œuvre du procédé tel que précité. Brève description des figures la , déjà décrite, représente une coupe d’une pièce réalisée par fabrication additive, la représente une vue en perspective d’un support de palier d’une turbomachine, la figure 3a représente une vue en perspective d’une coupe du support de palier de la et la figure 3b une vue de face de la coupe de la figure 3a, la représente un schéma bloc d’un exemple de procédé de fabrication du support palier de la , la représente un schéma bloc d’un exemple de détermination de lois de caractérisation de l’état de surface de pièces obtenues par fabrication additive, la représente des éprouvettes de référence utilisées dans le procédé de la , la représente des courbes reliant la rugosité et l’angle de fabrication, la représente des courbes reliant l’abattement mécanique et la rugosité, la représente une vue en perspective d’une coupe du support de palier après son redimensionnement, la représente la disposition du support de palier sur le plateau de fabrication du dispositif de fabrication additive. Procédé (200) de fabrication additive d’une pièce (100) de turbomachine, ladite pièce ayant un axe primaire (X) et au moins une partie inclinée (106,108,110) s’étendant suivant une direction secondaire formant un angle non nul avec l’axe primaire, comprenant les étapes : a) pour chaque partie inclinée : a1) fournir (202) une rugosité cible d’une surface extérieure (S1-S11,R1-R3) de ladite partie inclinée, a2) fournir (202) un abattement mécanique de ladite partie inclinée, a3) déterminer (204) une rugosité maximale de la surface extérieure de ladite partie inclinée en fonction de l’abattement mécanique de ladite partie inclinée, b) déterminer (206) une rugosité maximale globale en fonction de la rugosité maximale de la surface extérieure de chaque partie inclinée, c) déterminer (208), en fonction de la rugosité maximale globale, une orientation de l’axe primaire de la pièce à fabriquer par rapport à un plan d’un plateau de fabrication (410) de dispositif de fabrication additive, et d) réaliser (212) la pièce par fabrication additive. Procédé (200) selon la revendication 1, comprenant la détermination (300) d’une première loi expérimentale (500), ladite détermination comprenant les étapes : - fournir (302) des éprouvettes de référence (402,404,406), chaque éprouvette de référence ayant un axe primaire et étant réalisée par fabrication additive, chaque éprouvette de référence comprenant une surface inférieure (402D,404D,406D) tournée vers le plateau de fabrication de dispositif de fabrication formant un premier angle (α 1 ) avec l’axe primaire et une surface supérieure (402U,404U,406U) opposée à ladite surface inférieure et formant un second angle (α 2 ) avec l’axe primaire, - pour chaque éprouvette de référence, mesurer (304) la rugosité de la surface supérieure et de la surface inférieure, - obtenir (306) ladite première loi expérimentale par interpolation des rugosités de la surface supérieure et de la surface inférieure en fonction des premiers angles et des seconds angles. Procédé (200) selon la revendication 2, dans lequel l’étape c) comprend la détermination de l’orientation de l’axe primaire de la pièce en utilisant la première loi expérimentale (500). Procédé (200) selon l’une des revendications 2 ou 3, comprenant la détermination (320) d’une seconde loi expérimentale (600), ladite détermination comprenant les étapes : - pour chaque éprouvette de référence, mesurer (322) l’abattement mécanique et la rugosité de la surface inférieure et/ou de la surface supérieure, - obtenir (324) ladite seconde loi expérimentale par interpolation des abattements mécaniques en fonction des rugosités. Procédé (200) selon la revendication 4, dans lequel l’étape b) comprend la détermination de la rugosité maximale globale en utilisant la seconde loi expérimentale (600). Procédé (200) selon l’une des revendications précédentes, comprenant, pour chaque partie inclinée (106,108,110), les étapes : - comparer la rugosité cible et la rugosité maximale globale, - lorsque la rugosité maximale globale est supérieure à la rugosité cible de ladite partie inclinée, usiner ladite partie inclinée pour obtenir la rugosité cible, postérieurement à l’étape d). Procédé (200) selon la revendication précédente, comprenant le polissage de la partie inclinée ou le fraisage de la partie inclinée (106,108,110). Procédé (200) selon l’une des revendications précédentes, comprenant, pour chaque partie inclinée (106,108,110), les étapes : - comparer la rugosité cible et la rugosité maximale globale, - lorsque la rugosité maximale globale est supérieure à la rugosité cible de ladite partie inclinée, modifier la cotation de la partie inclinée (106,108,110) en y ajoutant une épaisseur, préalablement à l’étape d). Procédé (200) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pièce est un support de palier de la turbomachine ou une aube de turbine de la turbomachine ou une aube de compresseur de la turbomachine.