Brevet FR3148844A1 — publié le 20241122

L’invention concerne un procédé (201) de génération d’un modèle tridimensionnel d’une pièce destinée à la réalisation d’un test de fatigue thermomécanique. Le procédé (201) comprend l’acquisition (203) d’une image tridimensionnelle d’une pièce à usiner, la détermination (205), à partir de l’image tridimensionnelle de la pièce à usiner et d’un modèle tridimensionnel théorique d’une pièce à tester, d’opérations d’usinage de la pièce à usiner, l’usinage (207) de la pièce à usiner, selon les opérations d’usinage déterminées, de manière à obtenir une pièce usinée, l’acquisition (209) d’une image tridimensionnelle de la pièce usinée et la génération (211), à partir de l’image tridimensionnelle de la pièce usinée, d’un modèle tridimensionnel de la pièce usinée. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 PROCEDE DE GENERATION D’UN MODELE TRIDIMENSIONNEL D’UNE PIECE DESTINEE A LA REALISATION D’UN TEST DE FATIGUE THERMO-MÉCANIQUE L’invention est relative au domaine de l’évaluation des propriétés thermomécanique des matériaux destinés à la fabrication d’aubes de turbomachine d’aéronef. Elle concerne en particulier un procédé de génération d’un modèle tridimensionnel d’une pièce destinée à la réalisation d’un test de fatigue thermomécanique. Les aubes de turbomachines d’aéronef sont des pièces complexes qui doivent résister en fonctionnement à des températures supérieures à celle de la fusion du matériau qui les composent. Pour répondre à cette contrainte, les aubes présentent, premièrement, des cavités fabriquées grâce à un ou des noyaux qui permettent un refroidissement interne de l’aube, deuxièmement, des perçages qui permettent la création d’un film froid autour de l’aube et, troisièmement, un système de barrière thermique qui diminue les effets thermiques et assure également la résistance à la corrosion. Toutefois, à l’heure actuelle, de nouvelles conceptions d’aubes sont développées qui entraînent la remise en question de ces approches pour le refroidissement. Dans ce contexte, il est utile d’étudier l’impact de l’épaisseur du matériau qui compose l’aube sur la résistance d’un trou traversant dans une paroi (on parle de perçage de forme) en fonction de la température. La difficulté majeure soulevée par une telle étude est la technique à utiliser pour pouvoir réaliser un test de fatigue thermique (i.e. un essai mécanique en fonction de la température) sur une pièce creuse dont les dimensions très variables des parois internes rendent difficiles les méthodes d’usinage en vue de l’installation de dispositifs de mesure de température (i.e. des capteurs, comme par exemple des thermocouples). L’un des paramètres clés pour réussir ce type d’essai de fatigue thermique est la maitrise de l’acquisition de la température en des points choisis d’une pièce soumise au test. Cette maitrise passe à la fois par l’implantation de capteurs aux endroits voulus d’une pièce à tester et par la réalisation d’une simulation numérique visant à reproduire le plus fidèlement possible le test de fatigue réalisé sur la pièce réelle. Typiquement, ce type d’essai de fatigue thermique peut être réalisé sur une éprouvette telle que l’éprouvette 101 représentée à la . Cette éprouvette 101 comporte une partie 103 moins large en son centre, et, à ses extrémité deux parties 105 plus large. Elle comporte également une cavité interne 107 qui s’étend sur tout son étendue longitudinale. Un trou traversant (non représenté) est réalisé dans une paroi de la partie centrale 103 pour permettre la circulation de l’air entre l’intérieur et l’extérieur de l’éprouvette. Une telle éprouvette peut être fabriquée par un procédé de fonderie à cire perdue et réalisée dans un matériau monocristallin à base nickel (on parle également de superalliage à base nickel). Toutefois, l’utilisation de ce type de pièce présente plusieurs inconvénients. Premièrement, comme évoqué plus haut, il est nécessaire de connaitre la température en plusieurs points de l’épaisseur de la pièce pour pouvoir déterminer son impact sur l’essai. Deuxièmement, étant donné le procédé de fabrication qui doit être utilisé, une variation géométrique potentiellement conséquente par rapport à l’essai (au test de fatigue) à réaliser peut se produire. Il en résulte une difficulté à combiner un positionnement de capteurs de température dans une épaisseur variable d’une pièce à tester tout en restant fidèle à un modèle théorique de la pièce à tester utilisé pour simuler numériquement son comportement mécanique afin d’alimenter des essais mécaniques permettant de valider ladite simulation numérique. La présente invention propose une solution à ces inconvénients. Ainsi, un objectif de l’invention est de permettre la validation et/ou l’optimisation d’une simulation thermomécanique en produisant à la fois une pièce usinée réelle qui est destinée à la réalisation d’un essai de fatigue thermique et un modèle tridimensionnel qui est une réplique exacte de cette pièce. À cet effet, l’invention selon un premier aspect a pour objet un procédé de génération d’un modèle tridimensionnel d’une pièce destinée à la réalisation d’un test de fatigue thermique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - acquisition d’une image tridimensionnelle d’une pièce à usiner ; - détermination, à partir de l’image tridimensionnelle de la pièce à usiner et d’un modèle tridimensionnel théorique d’une pièce à tester, d’opérations d’usinage de la pièce à usiner ; - usinage de la pièce à usiner, selon les opérations d’usinage déterminées, de manière à obtenir une pièce usinée ; - acquisition d’une image tridimensionnelle de la pièce usinée ; et, - génération, à partir de l’image tridimensionnelle de la pièce usinée, d’un modèle tridimensionnel de la pièce usinée. Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - le procédé comprend en outre les étapes suivantes : - simulation, à partir du modèle tridimensionnel de la pièce usinée, du comportement thermomécanique de ladite pièce usinée ; - test de fatigue thermomécanique de la pièce usinée ; et, - modification, en fonction d’une comparaison entre des résultats de ladite simulation et des résultats dudit test de fatigue thermomécanique , de paramètres de ladite simulation. - la pièce est une éprouvette creuse comportant au moins un trou traversant au niveau d’une paroi d’une partie centrale, ladite éprouvette creuse étant de préférence issue d’une fabrication par fonderie à cire perdue. - la pièce est réalisée en superalliage à base nickel. - les acquisitions d’images tridimensionnelles sont réalisées par tomographie. - le modèle tridimensionnel théorique comprend des perçages non traversant configurés pour permettre le positionnement de dispositifs de mesure de la température de type thermocouple. - l’usinage est réalisé par électroérosion. - la génération du modèle tridimensionnel de la pièce usinée comprend la génération d’un maillage tridimensionnel appliqué à l’image tridimensionnelle de ladite pièce usinée. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la est une représentation schématique d’une pièce, de type éprouvette, à laquelle le procédé selon l’invention peut être appliqué ; la est un diagramme d’étape d’un procédé selon un mode de mise en œuvre l’invention ; la est un schéma fonctionnel d’un procédé selon un mode de mise en œuvre de l’invention ; et, la présente une illustration de mesures thermiques effectuées au cours d’un essai de fatigue avec la position de différents perçages. En référence à la et à la , nous allons maintenant décrire un mode de mise en œuvre d’un procédé 201 de génération d’un modèle tridimensionnel d’une pièce destinée à la réalisation d’un test de fatigue thermique selon l’invention. De manière non-limitative la pièce dont il est question peut être une éprouvette creuse conforme à celle représentée en référence à la , qui comporte au moins un trou traversant au niveau d’une paroi d’une partie centrale. Une telle pièce peut être, par exemple, issue d’une fabrication par fonderie à cire perdue. En outre, la pièce peut être réalisée en superalliage à base nickel tel qu’un matériau utilisé pour la fabrication d’une aube de turbomachine d’aéronef. En outre, la pièce en question est destinée à être soumis à un test de fatigue thermomécanique c’est-à-dire à un essai mécanique dans lequel la pièce est soumise à une ou des charges avec une surveillance précise de l’évolution de la température, en différentes zones, au cours dudit essai. Dans l’exemple représenté, l’étape 203 du procédé 201 consiste en l’acquisition d’une image tridimensionnelle 305 d’une pièce à usiner 301. Dans ce qui suit, on désigne par image tridimensionnelle ou modèle tridimensionnel des images et des modèles qui sont numériques. C’est-à-dire qu’il s’agit de données numériques exploitables notamment par des logiciels, comme par exemple des logiciels de traitement d’image numériques ou encore des logiciels de simulation numérique du comportement mécanique de la pièce lorsqu’elle est soumise à des contraintes (sous l’effet d’une charge). On parle de pièce à usiner dans la mesure où la pièce en question doit subir dans la suite du procédé des opérations d’usinage, notamment pour générer des trous non débouchant, destinés à permettre l’installation de dispositifs de mesure de température de type thermocouple, dans une paroi de la pièce. Ce sont ces thermocouple qui doivent permettre ensuite de mesurer la température en différents points de la pièce au cours d’un test de fatigue. Dans cet exemple non-limitatif, l’acquisition d’une image tridimensionnelle est réalisée à l’aide d’un tomographe 303. Autrement dit, l’acquisition d’un modèle tridimensionnel est réalisée par la reconstruction en volume d’images obtenues par tomographie aux rayons X. Avantageusement, la tomographie permet d’obtenir une image tridimensionnelle dont la résolution peut être inférieure à 20 micromètres. Ainsi, la géométrie de la pièce qui sert de base à la fabrication de la future pièce à tester est précisément connue. Avantageusement, le modèle tridimensionnel permet d’adapter les consignes d’usinage en déterminant les données géométriques réelles. L’étape 205 consiste en la détermination, à partir de l’image tridimensionnelle 305 acquise à l’étape 203 et d’un modèle tridimensionnel théorique 307 d’une pièce à tester, d’opérations d’usinage 311 de la pièce à usiner 301. Un modèle tridimensionnel théorique désigne ici un modèle tridimensionnel d’une pièce à étudier, c’est-à-dire d’une pièce (avec une géométrie donnée) sur laquelle on souhaite obtenir des données relatives à son comportement thermomécanique. En outre, un tel modèle tridimensionnel théorique peut comprendre des perçages (i.e. la définition dans le modèle numérique de ces perçages) non traversant qui sont configurés pour permettre le positionnement de dispositifs de mesure de la température de type thermocouple. De même, la détermination des opérations d’usinage peut être également réalisée à partir d’une base de données associant des paramètres d’usinage à des formes d’usinage souhaitées. Dans tous les cas, cette étape peut notamment permettre de réaliser un compromis entre la géométrie de la pièce à usiner utilisée au départ, la géométrie du modèle tridimensionnel théorique d’une pièce que l’on souhaite étudier et les capacités connues associées à la technique d’usinage (décrite plus loin) qui va être utilisée. Dans l’exemple non-limitatif représenté, l’étape 205 est réalisée par un logiciel de tomographie 309 (permettant notamment de manipuler les images tridimensionnelles issues d’un tomographe) qui établit donc une suite d’opérations d’usinage à réaliser à partir des données décrites plus haut. Ainsi, l’étape 207 consiste en l’usinage de la pièce à usiner 301, selon les opérations d’usinage 311 déterminées, de manière à obtenir une pièce usinée 315. Dans l’exemple non-limitatif représenté, cet usinage est réalisé, par une machine d’usinage par électroérosion 313. Avantageusement, l’utilisation de la technique de l’électroérosion permet de réaliser des usinages précis tout en minimisant leur impact sur la matière environnante (i.e. la matière située autour du trou effectivement réalisé). Dans un mode de mise en œuvre particulier évoqué plus haut, la pièce usinée est une éprouvette, réalisé dans un matériau destiné à la fabrication d’une aube de turbomachine d’aéronef, et la forme finale de cette pièce usinée doit permettre, à l’issu d’un test de fatigue, d’obtenir des informations relatives à la résistance de ce matériau (et d’une géométrie donnée) pour cette utilisation. L’étape 209 consiste ensuite en l’acquisition d’une image tridimensionnelle 319 de la pièce usinée 315. De la même manière que lors de l’étape 203, dans l’exemple non-limitatif décrit, cette acquisition d’une image tridimensionnelle est réalisée à l’aide d’un tomographe 303. L’étape 211 consiste en la génération, à partir de l’image tridimensionnelle 319 de la pièce usinée 315, d’un modèle tridimensionnel 323 de la pièce usinée 315. Dans l’exemple non-limitatif décrit, la génération du modèle tridimensionnel 323 de la pièce usinée 315 est réalisée par un logiciel de traitement 321 et comprend la génération d’un maillage tridimensionnel appliqué à l’image tridimensionnelle 319 de la pièce usinée 315. Dans tous les cas, l’étape 211 consiste à produire un modèle tridimensionnel exploitable pour réaliser une simulation du comportement thermomécanique de la pièce usinée 315. Il s’agit de réaliser la simulation numérique du déplacement en tout point de la pièce sous un chargement de nature thermique et/ou mécanique à l’aide d’un modèle numérique du matériau appelé loi de comportement. Le maillage appliqué à l’image tridimensionnelle 319 permet donc d’utiliser des méthodes de calcul connues pour réaliser une telle simulation. Ainsi, le procédé selon l’invention permet d’obtenir, d’une part, une pièce usinée (dont la géométrie est proche d’une pièce sur laquelle on souhaite réaliser une étude) et, d’autre part, un modèle tridimensionnel exact de la pièce usinée effectivement produite. En outre, à cette fin, dans son mode de mise en œuvre représenté à la , le procédé 201 comprend aussi un étape 213 de simulation, à partir du modèle tridimensionnel 323 de la pièce usinée 319, du comportement thermomécanique de ladite pièce usinée 319. Par exemple, une telle simulation peut être réalisée par une méthode d’éléments finis. En d’autres termes, la simulation 213 vise à évaluer la réponse de la pièce usinée 319 au test de fatigue thermomécanique auquel elle va être soumise. Le procédé 201 comprend également une étape 215 de test de fatigue thermique de la pièce usinée 319. En d’autres termes, la pièce obtenue à l’issue de l’usinage, réalisé selon les opérations qui ont été déterminées au cours du procédé, est soumise à une charge dans un banc d’essai pour obtenir des informations représentatives de son comportement mécanique en fonction de la température (i.e. son comportement thermomécanique). Finalement, l’étape 217 consiste en la modification, en fonction d’une comparaison entre des résultats de la simulation 213 et des résultats du test de fatigue thermique 215, de paramètres de la simulation 213. A titre d’exemple non-limitatif, des paramètres tels que des conditions aux limites de la simulation ou des propriétés des modèles fluides utilisés par la simulation peuvent être ajustés dans le but de faire converger les résultats de la simulation avec les résultats de la mesure (i.e. le test de fatigue thermique). Ces étapes du procédé 201 permettent donc de valider la simulation en cas de résultats concordants ou de modifier ses paramètres pour rendre les résultats concordants. A titre d’exemple, la montre une illustration de mesures thermiques effectuées au cours d’un essai de fatigue avec la position de différents perçages. En particulier, la partie haute de la figure montre des exemples de quatre courbes 401 retraçant l’évolution de la température dans le temps, lors d’un essai de fatigue, pour quatre positions différentes dans une éprouvette soumise à cet essai. En outre, la partie basse de la figure montre quant à elle un autre exemple d’éprouvette 101 (dont la figure ne montre qu’une partie) dans laquelle on peut voir un ensemble de perçages 403 (en l’espèce six perçages) situés en différentes positions de l’éprouvette et destinés à recevoir des capteurs de températures qui permettront de suivre l’évolution de la température, à leur position, au cours d’un essai de fatigue. Procédé (201) de génération d’un modèle tridimensionnel d’une pièce destinée à la réalisation d’un test de fatigue thermomécanique, ledit procédé (201) comprenant les étapes suivantes : - acquisition (203) d’une image tridimensionnelle (305) d’une pièce à usiner (301) ; - détermination (205), à partir de l’image tridimensionnelle (305) de la pièce à usiner (301) et d’un modèle tridimensionnel théorique (307) d’une pièce à tester, d’opérations d’usinage (311) de la pièce à usiner (301) ; - usinage (207) de la pièce à usiner (301), selon les opérations d’usinage (311) déterminées, de manière à obtenir une pièce usinée (315) ; - acquisition (209) d’une image tridimensionnelle (319) de la pièce usinée (315) ; et, - génération (211), à partir de l’image tridimensionnelle (319) de la pièce usinée (315), d’un modèle tridimensionnel (323) de la pièce usinée (315). Procédé (201) selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes suivantes : - simulation (213), à partir du modèle tridimensionnel (323) de la pièce usinée (315), du comportement thermomécanique de ladite pièce usinée (315) ; - test de fatigue thermomécanique (215) de la pièce usinée (315) ; et, - modification (217), en fonction d’une comparaison entre des résultats de ladite simulation (213) et des résultats dudit test de fatigue thermique (215), de paramètres de ladite simulation (213). Procédé (201) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la pièce est une éprouvette creuse comportant au moins un trou traversant au niveau d’une paroi d’une partie centrale, ladite éprouvette creuse étant de préférence issue d’une fabrication par fonderie à cire perdue. Procédé (201) selon la revendication 3, dans lequel la pièce est réalisée en matériau monocristallin à base de nickel. Procédé (201) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les acquisitions (203, 209) d’images tridimensionnelles (305, 319) sont réalisées par tomographie. Procédé (201) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le modèle tridimensionnel théorique (307) comprend des perçages non traversant configurés pour permettre le positionnement de dispositifs de mesure de la température de type thermocouple. Procédé (201) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’usinage (207) est réalisé par électroérosion. Procédé (201) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la génération (211) du modèle tridimensionnel (323) de la pièce usinée (315) comprend la génération d’un maillage tridimensionnel appliqué à l’image tridimensionnelle (319) de ladite pièce usinée (315).