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Nouvelle voie de processus pour la fabrication de pales de turbines TiAl (États-Unis).

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Les alliages inter-métalliques à haute performance à base de titane et d’aluminium (TiAl) suscitent depuis un certain temps l’intérêt des constructeurs de moteurs d’avion. Dans la construction aéronautique, les matériaux légers ont toujours eu une grande importance. Aujourd’hui, cette question a pris encore plus d’importance, notamment en ce qui concerne les objectifs environnementaux définis dans Flightpath 2050, à savoir une réduction de 75% des émissions de CO2 et une réduction de 90% des NOx. À cet égard, une diminution du rapport poussée-poids de l’aéronef est souhaitable, ce qui peut être obtenu en utilisant des matériaux légers. TiAl présente une densité relativement faible et en même temps des propriétés attractives, telles qu’une résistance mécanique élevée et une bonne résistance à la corrosion. Elle se qualifie donc comme matériau de remplacement pour les aubes de turbines ou de compresseurs, traditionnellement constituées d’alliages à base de nickel, qui sont presque deux fois plus denses. Plusieurs fabricants tels que General Electrics et MTU ont introduit des pales de turbine en TiAl. Cependant, un inconvénient actuel est la mauvaise usinabilité des alliages de TiAl. Le moulage et l’usinage, ainsi que la qualité requise des pièces d’aéronefs, sont particulièrement exigeants. La fabrication prend donc beaucoup de temps et d’importance. Chaque étape du processus entraîne une perte considérable de matière et, par conséquent, entraîne un ratio élevé d’achat. Les coûts élevés et le faible débit sont la conséquence des inefficacités du processus. Comme la demande en pièces d’aluminure de titane ne cesse d’augmenter, les entreprises et les instituts de recherche s’efforcent de réaliser une production en série ou en série, d’améliorer l’efficacité des matériaux et de réduire les coûts.

Dans le projet de recherche financé par le BMWi (Ministère fédéral des affaires économiques et de l’énergie) IDEAL, Fraunhofer IPT et le centre de recherche et expert en coulée Access eV ont développé une nouvelle voie pour la fabrication en continu des aubes de turbines TiAl. Pendant toute la durée du projet, des améliorations technologiques et des améliorations concernant l’optimisation des processus et l’assurance qualité ont été réalisées.

Indemnités de finition et usinage

Les propriétés extraordinaires des alliages TiAl, qui rendent le matériau si intéressant pour les applications aérospatiales, entraînent à leur tour des difficultés de fabrication. La faible usinabilité résulte de sa fragilité, de sa faible déformation à la rupture et de sa faible conductivité thermique. Les fabricants travaillent donc souvent avec de grandes capacités de finition des pièces coulées ou même de la machine à partir d’un bloc de matériau complet pour être du bon côté. En revanche, Access eV a mis au point un procédé de fabrication d’aubes de turbine utilisant un moulage de précision en forme de filet, permettant d’obtenir des tolérances de finition inférieures à 1 mm. Cependant, la géométrie très complexe des aubes de turbine et la géométrie de la coulée nécessitent encore une certaine quantité de finition individuelle et itérative par usinage, bien que réduite de manière significative. L’usinage peut être réalisé par broyage d’une part, ce qui peut prendre beaucoup de temps en raison du faible taux d’enlèvement ou fraisage d’autre part, qui est accompagné par des taux d’élimination plus élevés, mais peut entraîner une qualité de surface réduite. Access eV et Fraunhofer IPT ont donc mis au point une stratégie d’usinage de finition rapide, automatisée et intégrée, permettant de réduire les délais de traitement. Grâce à la combinaison de procédés de moulage et d’usinage optimisés, les partenaires du projet ont développé une production en série rentable.

Activation de la production en série

La capacité du procédé à fabriquer des aubes de turbine de manière rentable et en grande quantité étant essentielle, l’accent a été mis sur le développement d’un système de fabrication efficace à flux continu. Dans ce but, l’automatisation et la coordination des différentes étapes du processus ainsi que l’équilibrage des lignes et la planification des investissements et des mises en page ont fait l’objet d’une optimisation. Les résultats de ces travaux ont été validés en accordant une attention particulière à la stabilité des processus et à la qualité des pièces obtenues dans l’environnement de production de niveau de préparation technologique 6 développé et réalisé par Access eV. Dans l’ensemble, le temps de traitement a été considérablement réduit, tandis que la production de pièces de haute qualité répondant aux exigences de l’industrie aéronautique a considérablement augmenté.

Comme les composants sont essentiels pour la sécurité, le secteur de la fabrication aérospatiale est fortement réglementé et les exigences de sécurité très strictes, exigées par les réglementations OEM et internationales émanant de l’Union européenne ou de la Federal Aviation Administration (FAA), entre autres. Plusieurs approches pour répondre à ces exigences existent, par ex. suivi des lots pour réduire les défaillances et améliorer la qualité ou la documentation standardisée. Afin de garantir le respect des dernières réglementations en matière de sécurité, la norme européenne EN 9100, qui couvre les principes de base des systèmes de gestion de la qualité dans l’industrie aérospatiale, a été mise en œuvre.

Jusqu’à aujourd’hui, cette mise en œuvre était difficile et chronophage pour les fournisseurs, la liste des critères étant vaste. Par conséquent, dans le cadre du projet commun, cette norme a été non seulement mise en œuvre chez Access eV, qui est désormais certifiée selon la norme EN 9100 pour la production d’aubes de turbine en fonte TiAl, mais une approche systématique et générale a été développée parallèlement par Fraunhofer IPT soutient le processus de certification indispensable non seulement chez Access eV, mais également dans d’autres sociétés. Des directives spécifiques guident les entreprises pour identifier les suggestions appropriées et les aspects essentiels de chaque procédure de test ou de production pertinente et soutiennent le transfert de ces suggestions dans des instructions précises et tangibles sur site pour garantir un résultat indépendant et reproductible du produit. qualité. L’approche développée aide les entreprises en six étapes: l’analyse du statu quo, la comparaison avec le statut souhaité, l’élaboration de recommandations pour l’action, la hiérarchisation de celles-ci, la documentation et l’audit.

Bien que l’évaluation finale soit toujours en cours, le succès du projet s’est déjà manifesté par l’augmentation du rendement des aubes de turbine d’une qualité irréprochable. Non seulement le débit a-t-il été augmenté, mais le ratio achat-vente a également été réduit. Le procédé mis au point permet de produire des aubes de turbine en TiAl de manière efficace en termes de temps et de matériau et peut être transféré à la fabrication d’autres composants en TiAl, ce qui pose des problèmes de géométrie complexe et de mauvaise usinabilité. Dans l’ensemble, une amélioration significative des progrès a été réalisée pour répondre à la demande croissante d’aubes de turbines TiAl à faible coût dans l’intérêt des OEM, tandis que le coût total de production décidera éventuellement de l’adoption de cette technologie. Par conséquent, le projet de recherche NEXT, financé par BMWi, qui suit avec succès, porte spécifiquement sur l’efficacité économique du processus. À cette fin, un environnement Industry 4.0, en particulier la numérisation des processus et l’analyse des données, sera adapté aux besoins spécifiques de l’industrie aéronautique.

Ce projet a été financé par le ministère fédéral de l’économie et de l’énergie (20T1509C)

 

www.ipt.fraunhofer.de/en

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