Fabrication Additive et FAtigue de Structures Cellulaires Intégrées en AEronautique – FA2SCINAE

Cet objectif sera traité dans le cadre d’une double démarche, académique et applicative.
1) La démarche académique visera à lever les verrous liés à une meilleure compréhension de la fatigue des structures cellulaires fabriquées par EBM. Dans un premier temps, on identifiera les défauts critiques et leur nocivité, sur les éléments de base des structures cellulaires, à savoir des poutres de dimension très petite (typiquement quelques mm de diamètre). Dans un deuxième temps, on passera aux structures cellulaires proprement dites. A chaque fois, on examinera l'effet de différents types de post-traitements : mécanique, thermo-mécanique ou chimique,
2) La démarche applicative déroulera, comme fil rouge, des cahiers des charges issus de deux « end-users » importants du domaine aéronautique, à savoir Airbus SAS Operations et Zodiac Seats France. Il s’agira, à partir de ces cahiers des charges, de re-concevoir des pièces de structure en y intégrant des parties cellulaires, de dimensionner et fabriquer ces pièces en respectant les préconisations et les connaissances issues de la démarche académique sur la fatigue. Ces pièces seront fabriquées sur une machine EBM de la société Poly-Shape et testées en condition industrielle chez les utilisateurs finaux.

Premiers résultats :

Identification de la nocivité de différents types de défauts : rugosité de surface, défauts de précision du faisceau, porosité, ... Cette identification est réalisée notamment grâce à une caractérisation systématique tridimensionnelle (tomographie X) avant et après chaque essai de fatigue.

Application de trois types de post-traitements : thermo-mécanique, chimique et purement mécanique (grenaillage). Ces post-traitement ont d'abord été appliqués à des éléments simples. (poutres de dimensions de quelques millimètres de diamètre).
L'effet de ces post-traitements est mesuré sur la durée de vie en fatigue de ces petites poutres.

Après les résultats obtenus en terme de nocivité des défauts pour les poutres élémentaires, et l'effet des différents post-traitements, on passe à l'étude des structures cellulaires .

Communications
1. « Study of the fatigue mechanisms of Ti-6Al-4V cellular structures manufactured by Electron Beam Melting », T. Persenot, J.Y. Buffière, R. Dendievel, E. Maire, G. Martin, J. Adrien, P. Emile, C. Archambeau-Mirguet, European Mechanics of Materials Conference (EMMC15), 7-9/09/2016, Bruxelles.
2. Fatigue mechanisms of Ti-6Al-4V cellular structures fabricated by Electron Beam Melting T. Persenot et P. Emile, Journées Annuelles SF2M 2016, 25-27//10/2016, Albi)

La fabrication additive appliquée aux pièces métalliques est en train de franchir un cap. On commence à ne plus simplement fabriquer des formes, mais aussi à garantir des propriétés mécaniques. Parmi les propriétés cruciales dans un domaine tel que l’aéronautique, la tenue à la fatigue demeure cependant encore peu étudiée. Cette tenue à la fatigue est un paramètre d’autant plus limitant que les pièces intègrent des morphologies complexes telles que des structures cellulaires, complexité de forme qui constitue l’un des atouts affichés de la fabrication additive.

Dans ce contexte, le projet FA2SCINAE vise à lever les verrous liés à la tenue en fatigue de pièces intégrant des structures cellulaires et obtenues par fabrication additive, en se concentrant sur une technologie (EBM) et un matériau (alliage de titane TA6V, alliage aéronautique par excellence). Il mettra en œuvre de façon la plus couplée possible une approche « académique » et une approche « applicative » du problème.

L’approche académique concerne l’étude en fatigue de structures cellulaires seules. Ces structures seront élaborées sur la machine EBM de Grenoble INP. Elles seront caractérisées microstructuralement et mécaniquement (tâche 1). Les mécanismes de fatigue seront identifiés et des préconisations vis-à-vis de la résistance à la fatigue seront émises, en termes par exemple de densité limite, de tailles des poutres, de microstructures obtenues. Seront étudiés également l’impact de post-traitements visant à modifier la qualité de surface ou la qualité métallurgique des poutres constituant ces structures cellulaires (tâche 2). Les tâches 1 et 2 seront au cœur d’une thèse pilotée par l’INSA Lyon en collaboration étroite avec Grenoble INP.

L’approche applicative se placera dans un contexte global de conception ou de re-conception de pièces aéronautiques dans une optique d’allègement. On utilisera comme fil rouge deux cas d’études fournis par deux utilisateurs finaux du domaine aéronautique, Airbus et Zodiac, pour des pièces de structures soumises notamment à des sollicitations de fatigue. Les deux cahiers des charges correspondront respectivement à une pièce de structure extérieure de type attache (manille de mât réacteur ou chapes) et une pièce d’équipement intérieur (pièce de siège de cockpit hélicoptère). Des approches d’optimisation de forme et de dimensionnement amèneront à intégrer à ces pièces des parties en structures cellulaires (tâche 3). Les contraintes d’optimisation devront bien sûr intégrer les préconisations issues de la tâche 1, concernant la résistance à la fatigue.

La société Poly-Shape se chargera de la fabrication par EBM des pièces intégrant ces structures cellulaires (tâche 4), avant leur traitement de finition et leurs tests en situation chez les utilisateurs finaux Airbus et Zodiac (tâche 5). Pour les tâches « applicatives », le lien entre les partenaires académiques et industriels sera renforcé par deux post-docs.

Ce projet débouchera sur des préconisations en termes de conception, de type de structures cellulaires utilisables, de post-traitements, d’essais de qualifications, et ce pour la technologie EBM et l’alliage TA6V. Par ailleurs, les résultats développés dans les parties dédiées à l’optimisation topologique et à la re-conception pourront s’appliquer à d’autres techniques de fabrication additive, et à d’autres matériaux.