Les recherches presentees au travers de ce travail de n d'etudes ont ete menees au sein du departement Recherches & Technologies de la societe Safran Aero Boosters qui evolue dans les domaines de l'aeronautique, de l'aerospatial et de la defense. Depuis une dizaine d'annees, les techniques de fabrication additives sont en train de changer notre maniere de concevoir et de dimensionner, mais egalement, plus profondement, notre facon de penser. Safran Aero Boosters a investi dans la technologie Electron Beam Melting par l'acquisition d'une machine de fabrication additive, l'Arcam Q20+. Ce procede permet de faire fondre de la poudre de titane a l'aide d'un faisceau d'electrons, an de creer une piece couche par couche. Bien que possedant un reel potentiel, notamment en matiere de gain de masse, cette technologie tres recente demande encore a monter en maturite, ce qui se fait par l'impression d'un grand nombre de pieces „eprouvettes”. Cependant, l'importante capacite de la machine rend ces tests tres longs et tres onereux. Ce projet a pour objectif de creer une chambre de construction reduite an de fournir a Safran Aero Boosters le moyen materiel de realiser des campagnes d'impression de pieces tests, a moindres couts et en un temps reduit. Tout au long de ce travail, les etapes suivantes ont ete realisees : la conception d'une chambre de construction reduite ; l'etude du modele thermique developpe par Arcam pour controler les parametres de fusion ; le dimensionnement des elements de la nouvelle chambre ; la mise en plan et le suivi de la fabrication aupres d'un atelier de mecanique de precision. Laisser libre cours a notre imagination et la liberer des contraintes pratiques engendrees par les limitations des technologies conventionnelles, voici ce que nous ore la fusion par faisceau d'electrons. Comme l'a dit Barack Obama dans son Discours sur l'etat de l'Union en 2013: „L'impression 3D possede le potentiel de revolutionner la maniere dont nous fabriquons presque tout”.
Sommaire
1 Avant-Propos
1.1 Fabrication additive
1.2 Safran Aero Boosters
1.3 Pertinence de la fabrication additive en aéronautique
2 La Fabrication Additive
2.1 Description globale
2.2 Classification des technologies métalliques.
2.3 Powder Bed Fusion
3 Electron Beam Melting
3.1 EBM hardware
3.2 Procédé EBM
3.2.1 Pré et post-fabriquation
3.2.2 Fabrication
3.2.3 Récapitulatif du procédé EBM
3.3 Matériaux de fabrication
3.3.1 Le titane
3.3.2 La poudre de titane
3.4 Post-traitements.
3.4.1 Variation des paramètres de process
3.4.2 Traitements thermiques et Compression Isostatique à Chaud
3.5 Défauts de fabrication
3.5.1 Le Swelling
3.5.2 Les porosités en surface
3.5.3 Le Smoke
4 Rappel de Résistance des Matériaux
4.1 Contexte
4.1.1 Loi de Hooke
4.1.2 Résistance et température
4.2 Caractéristiques des moyens d’assemblage
4.2.1 Assemblage soudé
4.2.1.1 Joints soudés
4.2.1.2 Procédé de soudage sous flux gazeux
4.2.1.3 Déformations et contraintes résiduelles
4.2.2 Assemblage vissé
4.2.2.1 Désignation des classes de qualité
4.2.2.2 Aptitude au service
4.3 Dimensionnement des assemblages
4.3.1 Dimensionnement d’une soudure
4.3.1.1 Sécurité structurale
4.3.1.2 cordons d’angle
4.3.1.3 Plan critique
4.3.1.4 Résistance sous contrainte
4.3.2 Dimensionnement d’une vis
4.3.2.1 Sécurité structurale
4.3.2.2 Résistance des vis
5 Conception de l’Outillage
5.1 Contexte
5.2 Incertitudes de l’environnement.
5.2.1 Dimensions et encombrement
5.2.2 Paramétrage de la hauteur
5.2.3 Paramétrage de la position de prélèvement
5.3 Choix de la matière des moyens d’assemblage
5.4 Concept de l’outillage
5.4.1 La chambre de construction
5.4.2 La connexion au piston
5.4.3 Les réducteurs de poudre
5.4.4 Les réservoirs de poudre
6 Dimensionnement de l’Outillage
6.1 Identification des points critiques
6.2 Calculs des données pour assemblages vissés
6.2.1 Sections équivalentes
6.2.2 Dimension des trous
6.2.3 Implantation des vis
6.3 Vérification des pièces critiques
6.3.1 Profil en U
6.3.1.1 Sollicitation de la soudure
6.3.1.2 Epaisseurs du joint
6.3.1.3 Etat des contraintes
6.3.2 Vis d’appui
6.3.3 Barres de retenues
6.3.4 Plats de blocage - sollicitation verticale
6.3.5 Plats de blocage - sollicitation horizontale
6.3.6 Raidisseur central
6.4 Mise en Plan.
7 Introduction au Modèle Thermique
7.1 Historique du modèle thermique
7.2 Equilibre de température.
7.3 Courant 1D-Calc
7.4 Dépendance de la longueur des lignes de fusion
7.5 Fonction de vitesse
7.6 Fonction d’épaisseur
7.7 Fonction demi-tour
7.8 Conclusion
8 Influence sur le Procédé
8.1 Modification du comportement thermique
8.2 Temps de fabrication
8.3 Quantité de poudre
9 Conclusion
9.1 Résultats atteints
9.2 Perspectives
9.3 Expériences personnelles
A Annexes
A.1 Gamme des machines Arcam
A.2 Complément de table de données
A.3 Comparaison des alliages de titane, d’aluminium et de fer-carbon
A.4 Paramètres et résultats de simulation par éléments finis
A.5 Modélisation mathématique du modèle thermique
A.6 Mise en plan de l’éprouvette utilisée lors de l’estimation du gain de poudre.
A.7 Cas d’Etude d’un Profil Plein Carré
A.8 Note de support à la lecture de dessins techniques
A.9 Plan de l’outillage.
Objectifs et thèmes de recherche
L’objectif principal de ce travail est de concevoir et valider une chambre de construction réduite pour la machine Arcam Q20+ afin de réduire significativement les coûts et le temps nécessaires aux campagnes d’impression de pièces tests. La problématique centrale consiste à adapter le matériel de la machine pour ces tests tout en assurant une compatibilité stricte avec les comportements thermiques complexes gérés par le constructeur.
- Conception mécanique d’un outillage réduit pour la technologie Electron Beam Melting (EBM).
- Analyse et modélisation thermique du procédé Arcam Q20+ pour garantir la viabilité de l’outillage.
- Dimensionnement structurel des composants de la chambre par calcul de résistance des matériaux.
- Optimisation de la consommation de poudre métallique et réduction des temps de cycle de fabrication.
- Réalisation de plans techniques de précision et suivi de la fabrication industrielle.
Auszug aus dem Buch
3.5.1 Le Swelling
Le swelling tel que défini par Arcam est un phénomène menant à l’augmentation locale de l’épaisseur en cours de fabrication. Comme on peut le voir sur la Figure-3.11, on retrouve ce gonflement (swelling) en bout de pièce. Pouvant atteindre plusieurs millimètres, il est la conséquence d’une légère accumulation de matière, répétée sur plusieurs dizaines de couches.
Le swelling provient d’une mauvaise évacuation thermique locale. On retrouve donc souvent ce défaut sur des zones larges, construites directement sur la poudre sans support. Cette mauvaise conduction thermique engendre une surchauffe de la matière et l’apparition de l’effet Keyhole.
En soudure EBW, l’effet keyhole se produit lorsque l’énergie est suffisamment grande pour former une zone de plasma qui vient écarter le bain de fusion autour de celle-ci. Dans le cadre de la soudure, cet effet est intéressant pour améliorer la pénétration et l’épaisseur traversée.
En EBM, le but est de garder le bain le plus constant possible sans altérer la surface et donc cet effet Keyhole est à éviter. Si la conduction thermique n’est pas assez élevée, cet effet peut se produire et plutôt que d’avoir une surface bien plane, on retrouve un bourrelet autour de la zone plasma. Le bourrelet étant poussé par le faisceau, il va se retrouver dans les extrémités, ce qui explique pourquoi on retrouve le swelling proche du bord de la pièce.
Mise-à-part le non-respect de la géométrie, le swelling peut mener à la détérioration de la machine, du reste de la pièce et mener à l’arrêt prématuré de la fabrication. En effet, au-delà d’un certain gonflement, la zone solide rentre en contact avec la racle. Les dents flexibles se pliant aux zones de contact, plus de poudre sera déposée dans le sillon de ces dents pliées, ce qui augmentera d’autant plus le swelling. Pousser à son paroxysme, le gonflement peut entrer en contact avec la partie rigide de la racle et engendrer une erreur fatale et l’arrêt de la machine.
Résumé des chapitres
Avant-Propos: Présentation des objectifs du projet concernant l'adaptation de la machine Arcam Q20+ et résumé de la structure du mémoire.
La Fabrication Additive: Classification des divers procédés de fabrication additive avec un focus sur les technologies métalliques.
Electron Beam Melting: Description technique détaillée de la machine Arcam Q20+ et des processus physiques régissant la fusion par faisceau d’électrons.
Rappel de Résistance des Matériaux: Fondements théoriques nécessaires au dimensionnement mécanique des assemblages vissés et soudés en acier.
Conception de l’Outillage: Présentation du concept et des choix techniques retenus pour la réalisation de la chambre de construction réduite.
Dimensionnement de l’Outillage: Analyse structurelle et vérifications mécaniques des composants de la chambre pour garantir leur intégrité sous sollicitations.
Introduction au Modèle Thermique: Analyse des relations entre courant, vitesse et autres paramètres régis par le logiciel de contrôle d'Arcam.
Influence sur le Procédé: Évaluation des impacts de la modification de la chambre sur le comportement thermique et optimisation des temps de cycle.
Conclusion: Synthèse des résultats obtenus, limites rencontrées et perspectives d’évolution pour la technologie EBM.
Schlüsselwörter
Fabrication additive, Impression 3D, Electron Beam Melting, EBM, Arcam Q20+, Titane, Ti6Al4V, Modèle thermique, Résistance des matériaux, Conception mécanique, Dimensionnement, Soudage TIG, Outillage, Optimisation, Aéronautique.
Häufig gestellte Fragen
De quoi traite principalement ce travail de recherche ?
Ce document porte sur la conception et le dimensionnement d'une chambre de construction réduite pour une machine de fabrication additive de type Electron Beam Melting (EBM), spécifiquement le modèle Arcam Q20+ utilisé par la société Safran Aero Boosters.
Quels sont les principaux domaines abordés ?
Les principaux domaines incluent la fabrication additive métallique, la résistance des matériaux, la conception mécanique de précision, la modélisation thermique des procédés de fusion et les normes de dessin technique industriel.
Quel est l'objectif premier de cette étude ?
Le but est de réduire les coûts et le temps de fabrication lors de la production de petites séries de pièces tests (éprouvettes) en minimisant la quantité de poudre métallique utilisée par cycle.
Quelle méthode scientifique est employée ?
Le travail combine une approche analytique de résistance des matériaux, des simulations par éléments finis pour identifier les points critiques de la structure, et l'analyse empirique des données machine (LogFiles).
Quels aspects sont traités dans le corps principal du mémoire ?
Le texte détaille le fonctionnement de la technologie EBM, les principes de conception de l'outillage, le dimensionnement théorique des assemblages (vis, soudures) et l'influence des modifications sur le modèle thermique de la machine.
Quels sont les mots-clés qui caractérisent ce projet ?
Les mots-clés incluent : Fabrication additive, EBM, Arcam Q20+, Ti6Al4V, dimensionnement, résistance des matériaux et optimisation de processus.
Pourquoi le "swelling" est-il un défaut critique dans le procédé EBM ?
Le swelling représente un gonflement local qui, s'il n'est pas contrôlé, peut entrer en contact avec la racle de la machine, entraînant des erreurs fatales et l'arrêt prématuré de la fabrication, menaçant ainsi l'intégrité de l'équipement.
En quoi l'utilisation d'une chambre réduite modifie-t-elle la gestion de la poudre ?
La réduction de la chambre permet de limiter drastiquement le volume de poudre mis en œuvre, ce qui réduit les coûts de lancement des essais, tout en imposant des adaptations logicielles pour gérer la position de prélèvement de la poudre par la racle.
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- Eric Dawir (Autor:in), 2017, Conception d'une chambre de construction réduite pour une machine de fabrication additive métallique de type Electron Beam Melting, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/385027
