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Procédé de fabrication d'un réseau ordonné de canaux acoustiques
en matériau abradable
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication
de pièces en matériaux polymères, notamment thermodurcissables, de pièces
métalliques, en alliage métallique ou en céramique par fabrication additive et
elle
concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, la fabrication d'un
revêtement abradable de paroi de turbomachine telle qu'un turboréacteur
d'avion.
Le contrôle des nuisances sonores dues aux avions aux alentours des
aéroports est devenu en enjeu de santé public. Des normes et règlements de
plus en plus sévères sont imposés aux fabricants d'avions et aux gestionnaires
d'aéroports. Par conséquent, construire un avion silencieux est devenu au fil
des
années un argument de vente marquant. Actuellement, le bruit généré par les
moteurs d'avions est atténué par des revêtements acoustiques à réaction
localisée qui permettent de diminuer l'intensité sonore du moteur sur un ou
deux
octaves sur le principe des résonateurs de Helmholtz, ces revêtements se
présentant classiquement sous la forme de panneaux composites composés
d'une plaque rigide associée à une âme nid d'abeille recouverte d'une peau
perforée et disposés au niveau de la nacelle ou des conduits de propagation
amont et aval. Toutefois, dans les moteurs de nouvelle génération (par exemple
dans les turbosoufflantes), les zones disponibles pour les revêtements
acoustiques sont amenées à se réduire considérablement comme dans la
.. technologie UHBR (Ultra-High-Bypass-Ratio).
Il est donc important de proposer des nouveaux procédés et/ou de
nouveaux matériaux (notamment des matériaux poreux) permettant d'éliminer
ou de réduire de façon significative le niveau de bruit produit généré par les
moteurs d'avion surtout dans les phases de décollage et d'atterrissage et sur
une
gamme fréquentielle plus large qu'actuellement incluant les basses fréquences
tout en conservant les performances du moteur. C'est la raison pour laquelle
on
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cherche aujourd'hui de nouvelles surfaces de traitements acoustiques et ceci
avec un impact minimal sur les autres fonctionnalités du moteur comme la
consommation spécifique de carburant qui constitue un avantage commercial
important.
Par ailleurs, il est aujourd'hui courant et avantageux d'avoir recours à
des procédés de fabrication additive en lieu et place des procédés
traditionnels
de fonderie, de forge ou d'usinage dans la masse pour réaliser facilement,
rapidement et à moindre coût des pièces tridimensionnelles complexes. Le
domaine aéronautique se prête d'ailleurs particulièrement bien à l'utilisation
de
ces procédés. Parmi ceux-ci, on peut citer notamment le procédé de dépôt
énergétique direct par fil (Wire Beam Deposition).
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but de proposer une méthode de
mise en forme d'un nouveau matériau, pouvant réduire de manière significative
le bruit généré par les turboréacteurs d'avion. Le contrôle des paramètres du
matériau permet une réduction du bruit sur une gamme allant des basses à des
hautes fréquences. Les produits issus de cette méthode sont destinés à être
montés sur une paroi d'un turboréacteur en contact avec un écoulement
fluidique
et plus particulièrement en lieu et place d'un cartouche d'abradable de carter
de
soufflante.
A cet effet, il est prévu un procédé de fabrication d'un réseau ordonné
de canaux acoustiques, le procédé consistant à déposer sur une surface de
substrat un filament d'un matériau thermodurcissable tout en assurant à la
fois
un déplacement relatif entre ledit substrat et ledit filament selon une
trajectoire
de dépôt déterminée et une solidification dudit filament afin de créer un
échafaudage tridimensionnel de filaments, caractérisé en ce que ledit matériau
thermodurcissable est un mélange thixotrope dépourvu de solvant et constitué
d'une base polymère et d'un agent de réticulation dans un rapport pondéral de
ladite base polymère à ledit agent de réticulation compris entre 1 :1 et 2 :1,
et
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d'un composant de facilitation de l'écoulement, typiquement une gelée de
pétrole
présente entre 5 et 15% en poids du poids total dudit mélange thixotrope.
Ainsi, on obtient une microstructure poreuse à porosité régulière et
ordonnée qui assure une absorption importante des ondes acoustiques par
dissipation visco-thermique au sein des canaux tout en gardant sa nature
abradable de par le matériau la constituant.
De préférence, ledit mélange thixotrope est obtenu par co-extrusion
desdits composants dans une vis d'extrusion conique et déposé sur ladite
surface
de substrat au moyen d'une buse d'éjection de forme et dimension calibrées
dont
la section de sortie présente une plus grande largeur inférieure à 250
microns.
Avantageusement, le déplacement relatif entre ledit substrat et ledit
filament cylindrique est assuré par une machine trois axes au moins ou un
robot
commandé depuis un calculateur et la solidification dudit filament cylindrique
est
assurée par un élément de chauffage monté en sortie de ladite buse d'éjection
calibrée.
Selon le mode de réalisation envisagé, ledit échafaudage
tridimensionnel peut-être constitué :
= de couches superposées dont les filaments d'une couche donnée sont
orientés alternativement à 00 ou à 900 sans décalage dans la superposition
des filaments d'une même direction ;
= de couches superposées dont les filaments d'une couche donnée sont
orientés alternativement à 00 ou à 900 présentant un décalage dans la
superposition des filaments d'une même direction ;
= de couches superposées présentant des directions d'orientation des
filaments
Di décalées d'un même écart angulaire, compris entre 20 et 40 ,
typiquement de 30 , à chaque couche i ;
= ou encore de couches superposées de filaments présentant, pour chacune
des couches, à la fois une orientation de filaments à 00 et une orientation de
filaments à 90 , de façon à former des perforations verticales de sections
carrées entre les filaments.
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L'invention se rapporte également au réseau ordonné de canaux
acoustiques obtenu à partir du procédé précité et au revêtement abradable de
paroi de turbomachine comportant ce réseau.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description détaillée faite ci-dessous, en référence aux
figures
suivantes dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
- La figure 1 illustre en perspective éclatée le montage d'un échafaudage
tridimensionnel de filaments de matériau abradable conforme à l'invention,
- La figure 2 illustre le système de dépôt de filaments pour la réalisation
de
l'échafaudage tridimensionnel de la figure 1, et
- Les figures 3A à 3D montrent quatre exemples d'échafaudages
tridimensionnels ayant des propriétés acoustiques.
Description détaillée de l'invention
Le procédé selon l'invention permet l'impression d'un matériau
abradable sur un substrat dans le but de réaliser un échafaudage
tridimensionnel
de filaments formant entre eux un réseau ordonné de canaux ayant des
propriétés acoustiques.
Par matériau abradable, on entend la capacité du matériau à se
disloquer (ou s'éroder) en fonctionnement au contact d'une pièce en regard
(faible résistance au cisaillement) et sa résistance à l'usure suite aux
impacts de
particules ou corps étrangers qu'il est amené à ingérer en fonctionnement
(compromis avec abradabilité). Un tel matériau doit en outre garder voire
favoriser de bonnes propriétés aérodynamiques (critère de rugosité : Ra sur
état
de surface), présenter des résistances à l'oxydation et à la corrosion
suffisantes
et un coefficient de dilatation thermique du même ordre que la couche ou le
substrat sur lequel il est déposé.
La figure 1 illustre en perspective éclatée une partie d'un échafaudage
tridimensionnel 10 de filaments 100, 200, 300, avantageusement cylindriques,
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d'un matériau abradable permettant, conformément à l'invention, la réalisation
d'un revêtement sous la forme d'un réseau ordonné de canaux de nature à
conférer des propriétés acoustiques à une paroi (le substrat) 12 destinée à
recevoir ce revêtement. Selon la configuration de réseau envisagé, des
interconnections entre les canaux peuvent exister de manière régulière lors de
la
superposition des différentes couches du matériau abradable destinées à
générer
ces différents canaux. Cette paroi est préférentiellement, sans que cela ne
soit
limitatif, une paroi d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion et
plus
particulièrement un carter composite tissé 3D disposé en périphérie des aubes
de
soufflante et habituellement destiné à recevoir une cartouche d'abradable.
L'impression d'un tel réseau ordonné de canaux est effectuée par
fabrication additive selon le procédé décrit ci-après en regard de la figure
2.
Cette impression requiert des équipements de précision permettant de contrôler
le dépôt du matériau abradable et assurer ainsi le tolérancement dimensionnel
final. Il faut pour cela disposer au moins d'une machine 3 axes du type
ABG10000 de Aerotech Incorporation ou d'un robot possédant des axes
numériques de précision (positionnement de l'ordre de 5 microns) permettant
via un logiciel approprié de commander l'impression selon une trajectoire de
dépôt définie par l'utilisateur. Grâce à ces équipements, il est donc possible
de
garantir un dépôt précis de filaments dans un espace tridimensionnel
déterminé,
en contrôlant les paramètres d'impression tels que la vitesse d'écoulement du
matériau, la position et vitesse de déplacement de l'impression.
Comme le montre la figure 2, un système de dépôt filamentaire, une
machine 3 axes au moins ou un robot 20, vient déposer de préférence en liaison
avec un circuit de contrôle en pression et température interne au système, le
matériau abradable par extrusion via une buse d'éjection 22 de forme et
dimension calibrées tout d'abord sur le substrat 12 puis successivement sur
les
différentes couches superposées créées à la suite jusqu'à l'obtention de
l'épaisseur désirée. Le système de dépôt filamentaire suit une trajectoire de
dépôt contrôlée par un calculateur (ordinateur ou microcontrôleur 24) auquel
il
est relié assurant la commande du système de dépôt filamentaire et contrôlant
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en tout point de la surface traitée à la fois l'arrangement filamentaire et la
porosité du milieu nécessaires pour garantir l'abradabilité souhaitée.
L'alimentation en matériau abradable est assurée à partir d'une vis à
extrusion conique 26 permettant de mélanger plusieurs composants pour former
un mélange thixotrope ayant l'aspect d'une pâte. La vis d'extrusion conique
qui
comporte au moins deux entrées séparées 26A, 26B pour l'introduction
simultanée d'au moins deux composants permet d'assurer un mélange adéquat
et homogène des composants tout au long de l'opération de dépôt, pour obtenir
in fine un matériau fluide à haute viscosité qui va être déposé par la buse
d'éjection calibrée 22 dont la section de sortie dans sa plus grande largeur
est
inférieure à 250 microns. Durant cette opération, il faut éviter la génération
de
bulles d'air qui forment autant de défaut dans le filament lors de
l'impression et il
est donc nécessaire de pousser le matériau de manière très progressive tout en
contrôlant la pression dans la buse d'éjection et sa vitesse de déplacement,
de
façon à obtenir un filament dont la section est uniforme et la position
conforme.
On notera que par un contrôle des composants introduits dans la vis à
extrusion
conique, il est possible de changer la constitution du matériau déposé.
Une lampe de chauffage 28 ou tout dispositif analogue peut être
montée en sortie de la buse d'éjection 22 pour stabiliser le matériau déposé
et
éviter le fluage au cours du dépôt. Le dépôt du matériau abradable s'effectue
jusqu'à une épaisseur spécifiée. Pour accélérer le dépôt du matériau, le
système
de dépôt filamentaire 20 peut comporter plusieurs buses ajustables de façon
indépendante ou comporter une multi-buse de diamètre calibrée telle que celle
décrite dans la demande US 2017/203566.
On obtient ainsi un dépôt contrôlé de matériau abradable dans
l'épaisseur et en surface permettant de fonctionnaliser l'abradable notamment
en
vue de lui conférer des propriétés acoustiques.
Pour cela, le réseau ordonné de canaux présente avantageusement un
échafaudage ayant l'une des configurations illustrées aux figures 3A, 3B, 3C
et
3D, à savoir :
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Sur la figure 3A, un échafaudage tridimensionnel de filaments 100, 200
est constitué de couches superposées dont les filaments d'une couche donnée
sont orientés alternativement à 0 ou à 900 sans décalage dans la
superposition
des filaments d'une même direction.
Sur la figure 3B, un échafaudage tridimensionnel de filaments 100, 200
est constitué de couches superposées dont les filaments d'une couche donnée
sont orientés alternativement à 00 ou à 900 et présentent un décalage dans la
superposition des filaments d'une même direction. Ce décalage est comme
illustré de préférence égal à la moitié de la distance entre deux filaments.
On notera que pour ces deux configurations l'écart angulaire entre les
deux directions de filaments peut être différent et inférieur à 900, par
exemple
45 .
Sur la figure 3C, un échafaudage tridimensionnel de filaments 100,
200, 300, 400, 500, 600 est constitué de couches superposées présentant des
directions d'orientation des filaments Di décalées d'un même écart angulaire,
compris entre 20 et 40 , typiquement de 30 , à chaque couche i (i compris
entre 1 et 6 pour un écart angulaire de 30 ).
Et sur la figure 3D, un échafaudage tridimensionnel de filaments 100,
200 est constitué de couches superposées de filaments présentant, pour chacune
des couches, à la fois une orientation de filaments à 0 et une orientation de
filaments à 90 , de façon à former des perforations verticales 700 de sections
carrées entre les filaments.
Une impression sur un secteur de carter avec ces différentes structures
a montré la faisabilité d'un tel dépôt robotisé de matériau abradable selon le
procédé précité de fabrication additive. Des tests de comportement mécanique
en compression et flexion ont aussi été réalisés ainsi que des échantillons
destinés à un test d'impact basse énergie ou à une caractérisation de
l'impédance
acoustique en incidence normale.
Notamment, il a été constaté une transmission de l'énergie acoustique
au travers de l'échafaudage et une absorption d'une partie de cette énergie
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acoustique par modification des sources aéro-acoustique ou absorption des
ondes sonores propagatrices.
Le matériau abardable extrudé par la ou les buses calibrées est
avantageusement un matériau thermodurcissable à haute viscosité (dit aussi
fluide) qui est dépourvu de solvant dont l'évaporation génère comme il est
connu
un fort retrait. Ce matériau est de préférence une résine à cinétique de
polymérisation lente et écoulement filamentaire stable se présentant sous la
forme d'un mélange thixotrope qui présente donc l'avantage d'un retrait
beaucoup plus faible entre l'impression sur le substrat (juste après extrusion
du
matériau) et la structure finale (une fois chauffée et la polymérisation
complète).
Un exemple de matériau abradable utilisé dans le cadre du procédé est
un matériau se présentant sous forme pâteuse et constitué de trois composants
à savoir une base polymère, par exemple une résine époxyde (se présentant
comme une pâte à modeler bleue), un agent de réticulation ou accélérateur (se
présentant comme une pâte à modeler blanche) et une gelée de pétrole de
couleur translucide (par exemple de la vaselineTm). Les composants
accélérateur/base sont répartis selon un rapport pondéral de la base à
l'accélérateur compris entre 1:1 et 2 :1 et la gelée de pétrole présente entre
5 et
15% (typiquement 10%) en poids du poids total du matériau. La base peut en
outre comporter des microsphères de verres creuses d'un diamètre déterminé
pour assurer la porosité désirée tout en permettant d'accroitre les
performances
mécaniques de l'échafaudage imprimé. L'intérêt de l'introduction de la gelée
de
pétrole réside dans la réduction de la viscosité de la résine ainsi que de la
cinétique de réaction de l'abradable, ce qui rend sa viscosité plus stable
durant le
temps de l'impression. (La viscosité est directement liée à la pression
d'extrusion
nécessaire pour assurer la vitesse d'extrusion adéquate pour conserver la
qualité
de l'impression).
A titre d'exemple, un tel rapport de 2 :1 donne un matériau abradable
comprenant 0.7g d'accélérateur et 1.4g de base, auquel il convient d'ajouter
0.2g
.. de gelée de pétrole.
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Ainsi la présente invention permet une impression rapide (30mm/s) et
stable permettant de reproduire efficacement des structures acoustiques
performantes contrôlées (rugosité, aspect, taux d'ouverture) ayant une faible
taille de filament (<250 microns de diamètre) et un faible poids (taux de
porosité
amélioré > 70%) particulièrement intéressantes aux vues des contraintes fortes
rencontrées en aéronautique.
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