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”.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Avant-Propos
- 2 La Fabrication Additive
- 2.1 Description globale
- 2.2 Classification des technologies m´etalliques
- 2.3 Powder Bed Fusion
- 3 Electron Beam Melting
- 3.1 EBM hardware
- 3.2 Proc´ed´e EBM
- 3.3 Mat´eriaux de fabrication
- 3.4 Post-traitements
- 3.5 D´efauts de fabrication
- 4 Rappel de R´esistance des Mat´eriaux
- 4.1 Contexte
- 4.2 Caract´eristiques des moyens d’assemblage
- 4.3 Dimensionnement des assemblages
- 5 Conception de l’Outillage
- 5.1 Contexte
- 5.2 Incertitudes de l’environnement
- 5.3 Choix de la mati`ere des moyens d’assemblage
- 5.4 Concept de l’outillage
- 6 Dimensionnement de l’Outillage
- 6.1 Identification des points critiques
- 6.2 Calculs des donn´ees pour assemblages viss´es
- 6.3 V´erification des pi`eces critiques
- 6.4 Mise en Plan
- 7 Introduction au Mod`ele Thermique
- 7.1 Historique du mod`ele thermique
- 7.2 Equilibre de temp´erature
- 7.3 Courant 1D-Calc
- 7.4 D´ependance de la longueur des lignes de fusion
- 7.5 Fonction de vitesse
- 7.6 Fonction d’´epaisseur
- 7.7 Fonction demi-tour
- 7.8 Conclusion
- 8 Influence sur le Proc´ed´e
- 8.1 Modification du comportement thermique
- 8.2 Temps de fabrication
- 8.3 Quantit´e de poudre
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer reduzierten Baukammer für eine Arcam Q20+ Electron Beam Melting (EBM) Maschine zur kostengünstigen Herstellung von Testteilen. Das Hauptziel ist die Reduzierung von Materialverbrauch und Produktionszeit bei gleichbleibender Bauteilqualität.
- Additive Fertigung (EBM) und deren Bedeutung in der Luft- und Raumfahrt
- Konzeption und Konstruktion einer reduzierten Baukammer
- Materialwissenschaften (Titanlegierungen, Stahl)
- Festigkeitsberechnung und Dimensionierung von Bauteilen
- Einfluss der reduzierten Baukammer auf den EBM-Prozess
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1: Avant-Propos: Dieses Kapitel führt in die Thematik der additiven Fertigung und deren Bedeutung im Luft- und Raumfahrtsektor ein. Es beschreibt das Ziel der Arbeit: die Entwicklung und Implementierung einer reduzierten Baukammer für die Arcam Q20+ EBM-Maschine zur Optimierung von Kosten und Zeitaufwand bei der Herstellung von Testbauteilen. Es gibt einen Überblick über den Aufbau der folgenden Kapitel.
Kapitel 2: La Fabrication Additive: Dieses Kapitel bietet eine umfassende Klassifizierung und Beschreibung verschiedener additiver Fertigungsverfahren, wobei der Schwerpunkt auf metallischen Technologien liegt. Es werden verschiedene Verfahren wie Materialextrusion, Material-Jetting, Bindemittelstrahlverfahren, Pulverbettfusion und Materialauftragsschweißen detailliert erklärt und verglichen, um ein umfassendes Verständnis der additiven Fertigung zu vermitteln. Das Kapitel konzentriert sich insbesondere auf die Pulverbettfusionstechnologie, zu der auch das EBM-Verfahren gehört.
Kapitel 3: Electron Beam Melting: Dieses Kapitel konzentriert sich auf das Electron Beam Melting (EBM)-Verfahren. Es beschreibt die Hardware der Arcam Q20+ Maschine, den detaillierten Herstellungsprozess, die verwendeten Materialien (insbesondere Titanlegierungen), mögliche Nachbehandlungen und typische Herstellungsfehler. Das Kapitel beleuchtet die Bedeutung der hohen Prozesstemperatur bei EBM zur Reduzierung von Eigenspannungen.
Kapitel 4: Rappel de R´esistance des Mat´eriaux: Dieses Kapitel dient als Grundlage für die Festigkeitsberechnungen im weiteren Verlauf der Arbeit. Es wiederholt die grundlegenden Prinzipien der Festigkeitslehre, einschließlich des Hookeschen Gesetzes, der Materialeigenschaften unter Berücksichtigung der Temperatur und der Charakterisierung von Verbindungsmitteln wie Schweißnähten und Schraubverbindungen. Es legt die Berechnungsmethoden für die Dimensionierung von Bauteilen fest.
Kapitel 5: Conception de l’Outillage: Dieses Kapitel beschreibt die Konzeption der reduzierten Baukammer. Es behandelt die Herausforderungen bei der Konstruktion aufgrund unvollständiger Informationen über die interne Geometrie der Arcam Q20+ Maschine und beschreibt die angewandte Vorgehensweise, einschließlich der 3D-Modellierung und der Berücksichtigung von Unsicherheiten. Das Kapitel erläutert auch die Materialauswahl für die Baukammer und die einzelnen Komponenten.
Kapitel 6: Dimensionnement de l’Outillage: Dieses Kapitel beschreibt die detaillierte Dimensionierung der reduzierten Baukammer. Es beinhaltet die Ermittlung kritischer Stellen mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen und die anschließende Festigkeitsberechnung der relevanten Bauteile. Die Berechnungen berücksichtigen die hohen Temperaturen während des EBM-Prozesses und die ausgewählten Werkstoffe. Das Kapitel schließt mit der Erstellung der technischen Zeichnungen für die Fertigung ab.
Kapitel 7: Introduction au Mod`ele Thermique: Dieses Kapitel erläutert das von Arcam entwickelte thermische Modell für die Steuerung des EBM-Prozesses. Es beschreibt die Komplexität des Modells, das Wärmeübertragung durch Konduktion und Strahlung berücksichtigt, sowie die verschiedenen Funktionen (Geschwindigkeitsfunktion, Dickenfunktion, Wende funktion), die zur Aufrechterhaltung eines stabilen Schmelzbades und zur Gewährleistung der Bauteilqualität beitragen. Das Kapitel bietet Einblicke in die komplexen Zusammenhänge im thermischen Modell, basierend auf den vom Hersteller bereitgestellten Informationen.
Kapitel 8: Influence sur le Proc´ed´e: Dieses Kapitel analysiert den Einfluss der reduzierten Baukammer auf den EBM-Prozess. Es untersucht die Auswirkungen auf das thermische Verhalten und die Möglichkeiten zur Kompensation möglicher Abweichungen. Es werden außerdem die erzielten Einsparungen bei Materialverbrauch und Produktionszeit quantifiziert. Die Ergebnisse basieren auf Simulationen und experimentellen Daten.
Schlüsselwörter
Additive Fertigung, Electron Beam Melting (EBM), Arcam Q20+, reduzierte Baukammer, Titanlegierung Ti6Al4V, Festigkeitsberechnung, thermische Modellierung, Materialeinsparung, Zeitersparnis, Konstruktion, Dimensionierung.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Arbeit: Entwicklung einer reduzierten Baukammer für eine Arcam Q20+ EBM-Maschine
Was ist das Hauptthema dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer reduzierten Baukammer für eine Arcam Q20+ Electron Beam Melting (EBM) Maschine. Das Ziel ist die Reduzierung von Materialverbrauch und Produktionszeit bei gleichbleibender Bauteilqualität.
Welche additiven Fertigungsverfahren werden behandelt?
Die Arbeit behandelt verschiedene additive Fertigungsverfahren, mit Schwerpunkt auf metallischen Technologien. Es werden Materialextrusion, Material-Jetting, Bindemittelstrahlverfahren, Pulverbettfusion und Materialauftragsschweißen erläutert. Der Fokus liegt jedoch auf dem Electron Beam Melting (EBM) Verfahren.
Was ist Electron Beam Melting (EBM)?
Electron Beam Melting (EBM) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein fokussierter Elektronenstrahl zum Aufschmelzen und Verschmelzen von Metallpulver verwendet wird. Die Arbeit beschreibt die EBM-Hardware (Arcam Q20+), den Prozess, verwendete Materialien (insbesondere Titanlegierungen), Nachbehandlungen und typische Fehler.
Welche Materialien werden verwendet?
Die Arbeit konzentriert sich auf die Verwendung von Titanlegierungen, insbesondere Ti6Al4V, im EBM-Prozess. Stahl wird ebenfalls als relevantes Material erwähnt.
Wie wird die Festigkeit der Bauteile berechnet?
Die Arbeit beschreibt grundlegende Prinzipien der Festigkeitslehre, inklusive des Hookeschen Gesetzes und der Materialeigenschaften unter Berücksichtigung der Temperatur. Es werden Berechnungsmethoden für die Dimensionierung von Bauteilen, insbesondere unter Berücksichtigung von Schweißnähten und Schraubverbindungen, erläutert.
Wie wird die reduzierte Baukammer konzipiert und dimensioniert?
Die Konzeption der reduzierten Baukammer beinhaltet die Berücksichtigung von Unsicherheiten aufgrund unvollständiger Informationen über die interne Geometrie der Arcam Q20+. Die Dimensionierung erfolgt mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen und Festigkeitsberechnungen, die die hohen Temperaturen während des EBM-Prozesses berücksichtigen. Technische Zeichnungen werden erstellt.
Welches thermische Modell wird verwendet?
Die Arbeit erläutert das von Arcam entwickelte thermische Modell für die Steuerung des EBM-Prozesses. Es beschreibt die Wärmeübertragung durch Konduktion und Strahlung und verschiedene Funktionen (Geschwindigkeitsfunktion, Dickenfunktion, Wende funktion), die zur Aufrechterhaltung eines stabilen Schmelzbades beitragen.
Welchen Einfluss hat die reduzierte Baukammer auf den EBM-Prozess?
Die Arbeit analysiert den Einfluss der reduzierten Baukammer auf das thermische Verhalten und die Möglichkeiten zur Kompensation möglicher Abweichungen. Die erzielten Einsparungen bei Materialverbrauch und Produktionszeit werden quantifiziert, basierend auf Simulationen und experimentellen Daten.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Additive Fertigung, Electron Beam Melting (EBM), Arcam Q20+, reduzierte Baukammer, Titanlegierung Ti6Al4V, Festigkeitsberechnung, thermische Modellierung, Materialeinsparung, Zeitersparnis, Konstruktion, Dimensionierung.
- Citar trabajo
- Eric Dawir (Autor), 2017, Conception d'une chambre de construction réduite pour une machine de fabrication additive métallique de type Electron Beam Melting, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/385027
