TITRE : Procédé de détermination d’une position d’un insert dans un modèle en cire

Domaine technique

La présente invention concerne la fabrication de pièces métalliques, et se rapporte plus particulièrement à la fabrication des aubes pour turbomachine d’ aéronef.

Etat de la technique antérieure

Généralement, les aubes de turbomachines sont fabriquées selon un procédé de fonderie à la cire perdue.

La technique de fonderie à la cire perdue permet de produire des pièces à la géométrie complexe et de répondre aux exigences métallographiques définies par les normes avioniques.

Elle consiste en une introduction d’un métal fondu dans une coque en matériau céramique par exemple, ayant une cavité dont la géométrie correspond à la forme finale souhaitée.

La coque est obtenue par un apport de couches successives d’un matériau tel que la céramique autour d’un modèle en cire solide.

Suite à la coulée du métal, la coque est facilement éliminable de la pièce à réaliser.

Toutefois, comme les aubes de turbomachines sont positionnées en sortie d’une chambre de combustion d’un moteur d’ aéronef, celles-ci sont soumises à des températures supérieures à la température de fusion du matériau duquel elles sont constituées.

A cet effet, une aube de turbomachine comporte une pluralité de cavités de refroidissement destinées à autoriser la circulation d’ air frais et ainsi refroidir l’ aube. Pour réaliser ces cavités de refroidissement, il est connu de positionner des inserts dans un moule destiné à épouser la forme de l’ aube, avant toute injection de cire.

La cire est ensuite injectée dans les espaces libres entre les inserts et le moule, ce qui peut entraîner des mouvements indésirables de l’ insert et modifier la géométrie de l’ aube.

Pour empêcher tout mouvement de l’insert, le moule à injection de cire comporte des moyens de blocage destinés à maintenir l’ insert dans une position isostatique.

Plus précisément, chaque moyen de blocage comprend une pluralité d’ appuis destinés à coopérer avec l’ insert de manière à supprimer ses degrés de liberté.

A titre d’ exemple, un insert comportant six degrés de liberté, dont trois en translation et trois en rotation, coopère avec un moyen de blocage disposant de six appuis.

Autrement dit, chaque degré de liberté de l’ insert est associé à un appui du moyen de blocage.

Cependant, les inserts sont susceptibles de varier géométriquement par rapport au modèle numérique théorique défini.

En effet, les phénomènes physiques liés au durcissement de l’ insert sont délicats à anticiper car la dilatation va varier de manière locale en fonction de la géométrie particulière des inserts, de la composition de la matière première ou des paramètres de fabrication de ces inserts.

A titre d’ exemple, lors de la cuisson de l’insert en matériau céramique, celui-ci subit des déformations dimensionnelles de l’ ordre de +/- 0,2 mm.

Par ailleurs, comme les dimensions varient d’un insert à un autre, notamment à cause de l’imprécision des méthodes d’usinage et de la complexité à connaître la dilatation résultante de la cuisson de l’ insert, il est difficile d’ ajuster la position des moyens de blocage en amont de la fabrication d’un lot d’ inserts. Autrement dit, certains appuis des moyens de blocage, définis lors de la fabrication du moule à injection de cire, ne coopèrent plus avec l’ insert.

De même, les contraintes sur l’ insert peuvent se trouver augmentées.

Ainsi, ces variations peuvent créer un insert hyperstatique et/ou provoquer diverses cassures de l’insert au cours de l’ injection de cire dans le moule, par exemple lors de la fermeture du moule ou de la progression de la cire.

Cela a pour conséquence de contribuer par la suite à la réalisation d’une pièce métallique défectueuse.

Il est donc avantageux de déterminer la position d’ au moins un insert d’un modèle en cire ou d’une pluralité de modèles en cire lors d’une injection de cire afin de pouvoir ajuster les appuis de manière à maintenir l’insert dans une position isostatique.

Autrement dit, cette information permet de déterminer les appuis des moyens de blocage qui peuvent exercer une contrainte supplémentaire sur l’insert suite aux variations de sa géométrie et pouvoir les corriger.

A cet égard, une des solutions proposées est d’utiliser des ultrasons pour mesurer la position des inserts. Les résultats sont toutefois approximatifs, voire incorrects.

Une autre solution consiste en une utilisation de capteurs de déplacement dans le moule à injection de cire. Des fibres sont collées aux inserts pour que les capteurs puissent identifier leurs déplacements et ainsi mesurer l’ impact de l’ injection de cire sur les inserts.

Toutefois, cette solution est complexe à mettre en œuvre et augmente considérablement l’encombrement du moule à injection de cire.

En variante, il est possible d’équiper le moule de palpeurs pour mesurer le déplacement des inserts . Cette solution présente les mêmes inconvénients que les capteurs de déplacement. Il a été également proposé d’imprégner l’ insert d’un colorant qui se diffuse sur le moule lors de sa fermeture, ce qui permet de mettre en évidence les zones de contact entre l’insert et le moule.

Néanmoins, la délimitation des zones de contact est imprécise et longue à mettre en œuvre.

Ainsi, aucune technique ne permet de déterminer la position de l’ insert dans le moule lors l’ une injection de cire.

Exposé de l’invention

Au vu de ce qui précède, l’invention se propose de pallier les contraintes précitées en proposant un procédé de détermination de la position des inserts dans un moule lors d’une injection de cire destinée à réaliser un modèle en cire matériel pour une fabrication d’une aube de turbomachine en cire perdue.

Le procédé comprend :

- une génération d’un modèle numérique tridimensionnel à partir du modèle en cire matériel, le modèle numérique tridimensionnel comportant une enveloppe numérique correspondant à l’enveloppe matérielle du modèle en cire, et comprenant au moins un insert numérique correspondant chacun à un insert matériel ;

- une délimitation de l’ enveloppe du modèle en cire numérique et dudit au moins un insert numérique dans le modèle numérique tridimensionnel ;

- un recalage du modèle numérique tridimensionnel sur un modèle tridimensionnel nominal ;

- une mesure d’un écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et l’ enveloppe du modèle en cire numérique et,

- une mesure d’un écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et la périphérie externe de l’ insert numérique. Afin de déterminer si l’injection de cire a été altérée dans un moule comportant lesdits inserts, on génère un modèle numérique dudit modèle en cire résultant de l’ injection de cire.

Le modèle numérique tridimensionnel correspond à l’ empreinte numérique du moule.

Le modèle numérique est sous la forme d’une matrice tridimensionnelle qui représente la densité du modèle en cire, ce qui permet de mettre en évidence, les inserts numériques situés à l’ intérieur du modèle en cire, ici les inserts en matériau céramique par exemple.

Plus précisément, recaler le modèle numérique tridimensionnel généré sur un modèle numérique tridimensionnel nominal permet de repositionner le modèle numérique dans le référentiel du moule.

Ainsi, dans le modèle numérique, la position des inserts numériques est représentative de la position des inserts matériels lors de l’ injection de cire dans le moule.

Autrement dit, en déterminant la position d’un insert numérique, on obtient la position réelle de l’insert matériel associé.

Avantageusement, la génération du modèle numérique tridimensionnel est mise en œuvre par tomographie.

Par « tomographie » on entend tout procédé radiographique apte à capturer une pluralité d’images couvrant l’ensemble du modèle en cire, qui correspondent à des projections associées à des angles d’ orientation du modèle en cire et, le procédé étant apte à calculer à partir de ces images un volume représentatif des objets présents sur la scène de mesure.

Il s’ agit d’un procédé non destructif de la structure du modèle de cire mis en œuvre par un dispositif isolé du moule à injection de cire.

Il est à noter qu’ afin de générer un modèle numérique tridimensionnel dont les dimensions correspondent au modèle en cire, il est avantageux d’ ajuster le facteur d’ échelle ainsi que le facteur de Tuy.

A titre d’ exemple, on peut citer comme procédé de recalage, le procédé de minimisation des distances dans le volume (« Best fit » en vocable anglosaxon) ou le recalage par caractéristiques. Plus particulièrement, le procédé de minimisation des distances dans le volume repose sur la méthode des moindres carrés totaux. Ce recalage comprend la répartition des défauts pour minimiser la somme des écarts au carré de tous les points de la surface du produit.

Quant au recalage par caractéristiques, celui-ci est basé sur une détermination de points importants du modèle en cire numérique et sur la correspondance de ces points avec des points nominaux dudit modèle en cire numérique.

De préférence, le procédé comprend une comparaison entre les dimensions dudit au moins un insert numérique et ses dimensions nominales.

Avantageusement, on détermine un écart moyen et un écart-type entre les positions déterminées et des positions nominales d’une pluralité d’ inserts matériels disposés dans une pluralité de modèles en cire matériels.

On entend par « position nominale », une position d’un insert dans laquelle il est maintenu en position isostatique par les moyens de blocage.

Un écart faible, inférieur à 80 microns par exemple, seulement sur les points d’ appuis numériques, permet d’ indiquer une position des inserts dans le moule proche des points d’ appuis nominaux et donc la présence de faibles contraintes subies par les inserts ainsi positionnés dans le moule à injection de cire. Dans ce cas, il est possible de positionner les inserts dans la même configuration lors d’ injections ultérieures.

Dans le cas contraire, la configuration des inserts est à reconsidérer. Un ajustement des appuis pourrait être effectué dans ce sens.

Par ailleurs, il est à noter que l’ écart moyen correspond non limitativement à une valeur médiane des écarts déterminés pour chaque insert.

L’ invention a encore pour objet un dispositif de détermination d’une position d’ au moins un insert matériel dans un moule lors d’une injection de cire destinée à réaliser un modèle en cire matériel pour une fabrication d’une aube de turbomachine en cire perdue.

Le dispositif comporte :

- des moyens de conception aptes à générer un modèle numérique tridimensionnel à partir du modèle en cire matériel, le modèle numérique tridimensionnel comportant une enveloppe numérique correspondant à l’ enveloppe matérielle du modèle en cire, et comprenant au moins un insert numérique correspondant à l’insert matériel ;

- des moyens d’identification aptes à délimiter l’ enveloppe du modèle en cire numérique et dudit au moins un insert numérique dans le modèle numérique tridimensionnel, recaler le modèle numérique tridimensionnel sur un modèle tridimensionnel nominal et,

- des moyens de mesure aptes à mesurer un écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et l’ enveloppe du modèle en cire numérique, et aptes à mesurer un écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et la périphérie externe de l’ insert numérique.

La mesure de l’écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et la périphérie externe de l’ insert numérique permet de connaître les points sur lesquels reposent l’insert lorsqu’ il est dans le moule.

Avantageusement, les moyens de conception sont aptes à générer le modèle numérique tridimensionnel par tomographie.

Préférentiellement, le dispositif comprend des moyens de calcul comportant des moyens de comparaison aptes à comparer les dimensions dudit au moins un insert numérique et ses dimensions nominales.

On peut citer comme moyens de calcul un microprocesseur ou micro contrôleur.

Les moyens de calcul peuvent également être implémentés sous forme de circuits logiques de manière partiellement ou intégralement matérielle.

Avantageusement, les moyens de calcul comportent une unité de calcul apte à déterminer un écart moyen et un écart-type entre les positions déterminées et des positions nominales d’une pluralité d’ inserts matériels disposés dans une pluralité de modèles en cire matériels.

L’ invention a en outre objet un programme d’ ordinateur configuré pour mettre en œuvre le procédé tel que défini ci-dessus lorsqu’ il est exécuté par un ordinateur.

L’ invention a encore pour objet un support de données lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d’ ordinateur tel que défini ci-dessus.

On peut citer comme support de données lisible par ordinateur, un disque dur ou une clé USB (acronyme pour « Universal Serial Bus » en anglais) par exemple.

Brève description des dessins

D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1 ] présente une vue schématique en perspective d’un modèle en cire comprenant un insert ;

[Fig 2] présente de manière schématique des modules d’un dispositif de détermination d’une position de l’ insert et,

[Fig 3] illustre un diagramme de flux d’un procédé de détermination de la position de l’insert, mis en œuvre par ledit dispositif selon un mode de mise en œuvre de l’invention.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation de l’invention

Sur la figure 1 est représenté un modèle en cire 1 destiné à mettre en œuvre une fabrication à la cire perdue d’une aube de turbomachine pour aéronef. Le modèle en cire 1 est le résultat d’une injection de cire dans un moule en matériau aluminium, en acier ou en tout autre matériau adapté à l’ obtention du modèle en cire.

Afin d’ assurer la circulation de flux d’ air dans l’ aube de turbomachine via des canaux de refroidissement internes, le modèle en cire 1 comporte une zone 3 destinée à accueillir une pluralité d’ inserts 2.

A titre d’ exemple non limitatif et par souci de clarté, le modèle en cire 1 comporte un unique insert en matériau céramique 2.

Afin d’ obtenir une forme interne satisfaisante de l’ aube de turbomachine, il est avantageux de soutenir l’ insert 2 dans une position isostatique.

A cet effet, chaque insert 2 est maintenu en position isostatique par un moyen de blocage 4 apte à supprimer les degrés de liberté de l’ insert 2, ici six degrés de liberté dont trois en translation et trois en rotation.

Plus précisément, le moyen de blocage 4 comporte six appuis servant de butée dans le but d’ exercer une pression sur l’insert 2.

Toutefois, comme l’insert 2 subit des déformations dimensionnelles lors de sa fabrication par injection, sa cuisson et/ou lors de l’ injection de cire dans le moule, certains appuis des moyens de blocage 4 ne coopèrent plus avec l’insert 2.

On entend par « déformations dimensionnelles » les dimensions de l’ insert qui sont modifiées suite à leur fabrication.

Ces déformations dimensionnelles peuvent en outre créer des contraintes supplémentaires sur l’ insert 2 contribuant à sa cassure lors de l’ injection de cire.

Ainsi, lorsque les moyens de blocage 4 ne coopèrent pas, il est avantageux d’ ajuster les appuis pour des injections ultérieures.

Les moyens de blocage 4 ne coopèrent pas lorsqu’ils ne sont pas situés aux bonnes positions ou lorsque les inserts ont 6 de degrés de liberté par exemple.

Pour ajuster ces appuis, il est proposé un dispositif 5 apte à déterminer la position des inserts 2, tel qu’illustré dans la figure 2. Le dispositif 5 de détermination de la position de l’ insert 2 comporte des moyens de conception 6, d’ identification 7, de mesure 8, de calcul 9 ainsi que des moyens de commande 10.

Plus particulièrement, les moyens de conception 6 sont couplés aux moyens d’identification 7, eux-mêmes couplés aux moyens de mesure 8.

Les moyens de mesure 8 sont en outre couplés aux moyens de calcul 9 couplés aux moyens de commande 10.

Les moyens de conception 6 sont aptes à générer un modèle numérique tridimensionnel à partir du modèle en cire matériel 1.

Plus particulièrement, le modèle numérique tridimensionnel comporte une enveloppe numérique correspondant à l’enveloppe matérielle du modèle en cire ainsi au moins un insert numérique correspondant chacun à un insert matériel 2.

Une fois le modèle numérique tridimensionnel généré, les moyens de conception 6 délivrent un signal S I par une borne de sortie b l à une borne d’ entrée b2 des moyens d’ identification 7.

Les données du signal S I sont ensuite traitées par les moyens d’ identification 7 configurés pour délimiter et plus particulièrement segmenter l’ enveloppe du modèle en cire numérique ainsi que les inserts numériques.

Les moyens d’identification 7 sont en outre configurés pour délivrer un signal S2 par une borne de sortie b3 à une borne d’ entrée b4 des moyens de mesure 8.

Les moyens de mesure 8 sont aptes à mesurer un écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et l’ enveloppe du modèle en cire numérique et délivrer, par une borne de sortie b5, un signal S3 à une borne d’ entrée b6 des moyens de calcul 9.

Plus particulièrement, les moyens de calcul 9 sont configurés pour déterminer la position de l’insert 2 dans le modèle en cire 1 , en fonction des dimensions mesurées et des dimensions nominales de l’ insert numérique.

Pour ce faire, les moyens de calcul 9 comportent des moyens de comparaison 91 ainsi qu’une unité de calcul 92. Les moyens de comparaison 91 sont aptes à comparer les dimensions nominales et les dimensions mesurées de l’ insert numérique.

Il est à noter que lorsque les dimensions l’insert 2 sont nominales, cela indique que l’insert 2 est maintenu en position isostatique par le moyen de blocage 4.

A titre d’ exemple, un insert en matériau céramique 2 peut avoir les dimensions nominales suivantes : 120 millimètres en longueur, 15 en largeur et 20 en hauteur.

Les moyens de comparaison 91 délivrent ensuite un signal S4 par une borne de sortie b7 à une borne d’ entrée b8 de l’unité de calcul 92 destinée à déterminer la position de l’ insert numérique ainsi que la position de l’ insert 2 associé.

L’unité de calcul 92 est en outre configurée pour déterminer un écart moyen entre les positions déterminées et des positions nominales de l’ensemble des inserts numériques identifiés dans le modèle numérique tridimensionnel. Autrement dit, il s’ agit de l’ ensemble des inserts superposés numériquement dans le modèle en cire.

Le signal S4 est traité par l’unité de calcul 92 de manière à délivrer un signal S5 par une borne de sortie b9 à une borne d’entrée b lO des moyens de commande 10.

Par ailleurs, les moyens de commande 10 sont couplés à des machines électriques ou mécaniques 1 1 destinées à mettre en œuvre le processus de fabrication à la cire perdue.

Plus particulièrement, lorsqu’une pluralité de modèles de cire 1 sont jugés défectueux, suite à un mauvais positionnement des inserts, par les moyens de commande 10, ceux-ci délivrent un signal S6 par une borne de sortie b l l à une borne d’entrée b l 2 des machines 1 1 afin de suspendre leurs opérations et de corriger les points d’ appuis théoriques des moyens de blocage 4 pour de futures injections.

On se réfère à la figure 3 qui illustre un procédé de détermination de la position de l’insert 2, mis en œuvre par le dispositif 5.

Le procédé débute par une étape E l au cours de laquelle les moyens de conception 6 génèrent le modèle numérique tridimensionnel à partir du modèle en cire 1. Cela peut se faire par tomographie. Une fois le modèle numérique tridimensionnel généré, il est transmis par le signal S I aux moyens d’ identification 7.

Plus précisément, les moyens d’identification 7 reçoivent les données du signal S I , sous la forme d’une matrice tridimensionnelle, qui représente la densité du modèle en cire 1.

Autrement dit, dans le modèle numérique, la position des inserts numériques est représentative de la position des inserts 2 lors de l’ injection de cire dans le moule.

Au cours de l’ étape E2, les moyens d’ identification 7 délimitent l’ enveloppe du modèle en cire et au moins un objet identifié à l’intérieur du modèle numérique tridimensionnel, ici un insert numérique correspondant à un insert matériel 2.

Ensuite, les moyens d’ identification 7 recalent le modèle numérique tridimensionnel généré sur un modèle numérique tridimensionnel nominal, ce qui permet d’identifier les objets numériques détectés au sein du modèle numérique comme étant des inserts numériques.

Dès qu’un insert numérique est identifié, les moyens d’identification 7 délivrent le signal S2 aux moyens de mesure 8.

Le signal S2 comporte les données relatives aux positions de différents points des segments délimitant l’insert numérique.

A l’ étape E3, les moyens de mesure 8 déterminent l’ écart entre la périphérie externe du modèle numérique tridimensionnel et l’ enveloppe du modèle en cire numérique, puis, transmettent ces données par le signal S3 aux moyens de calcul 9.

Au cours de l’ étape E4, les moyens de comparaison 91 comparent les dimensions mesurées de l’ insert numérique, délivrées par le signal S3 , aux dimensions nominales dudit insert 2.

A l’ étape E5, l’unité de calcul 92 reçoit le signal S4 délivré par les moyens de comparaison 91 concernant l’ écart déterminé pour ledit insert numérique.

L’unité de calcul 92 détermine ensuite la position de l’insert 2, en fonction de l’ écart déterminé par les moyens de comparaison 91. L’unité de calcul 92 délivre, à l’ étape E6, le signal S5 aux moyens de commande 10 qui vérifient si la position de l’insert 2 est indicative d’un mauvais réglage du positionnement des moyens de blocage 4 tel que défini avant l’injection de cire.

Si tel n’ est pas le cas, le procédé retourne à l’ étape E2 pour que les moyens d’ identification 7 délimitent un autre insert numérique dans un autre modèle numérique tridimensionnel.

Dans le cas d’un réglage jugé défectueux par les moyens de commande 10, ces derniers délivrent le signal S6 aux machines 10 afin de suspendre les opérations programmées et en cours du procédé d’ injection de cire.

L’unité de calcul 92 détermine en outre l’ écart moyen et l’ écart- type entre les positions réelles et les positions nominales de l’ ensemble des inserts numériques identifiés dans le modèle numérique tridimensionnel.

Une fois l’ écart moyen et l’ écart-type déterminés, l’unité de calcul 92 délivre des données supplémentaires relatives à l’ écart moyen et l’ écart-type via le signal S5 aux moyens de commande 10.

Dans ce cas, les moyens de commande 10 vérifient si les dimensions de tous les inserts numériques identifiés par les moyens d’ identification 7 ont été mesurées par les moyens de mesure 8.

Si tel n’ est pas le cas, le procédé retourne à l’ étape E2 afin que les moyens de conception 7 délimitent les inserts numériques restants.

Lorsque tous les inserts numériques ont été identifiés et leurs dimensions mesurées, les moyens de commande 10 déterminent si l’ écart moyen et l’ écart-type sont représentatifs d’un modèle en cire 1 défectueux.

Un écart faible, par exemple inférieur à 80 microns ainsi qu’un écart-type faible permettent d’ indiquer la présence de faibles contraintes subies par les inserts ainsi positionnés dans le moule à injection de cire.

En d’ autres termes, le positionnement des moyens de blocage 4 leur permet de coopérer avec l’insert associé 2 lors de l’ injection de cire. Dans le cas contraire, le positionnement au cours de l’ étape E7 des inserts est à reconsidérer.

Si tel est le cas, les moyens de commande 10 délivrent le signal S6 aux machines 10 afin de corriger le positionnement théorique des moyens de blocage 4 qui permettra, par la suite, d’ obtenir des moyens de blocage 4 aptes à coopérer avec l’ insert associé 2.

Par ailleurs, les moyens de commande 10 stockent en mémoire les positions des inserts 2 après l’injection de cire, afin que des opérateurs puissent les analyser et effectuer les corrections nécessaires pour des injections ultérieures.

Par ailleurs, l’ invention n’ est pas limitée à ces modes de réalisation et de mise en œuvre mais en embrasse toutes les variantes. Par exemple, il est possible de remplacer la cire par un mélange de polymères et d’ élastomères.