FR3032785B1 - Procede de controle dimensionnel d'une piece ayant une forme creuse - Google Patents

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Abstract

Procédé de contrôle dimensionnel d'une pièce (18) ayant une forme creuse au moyen d'un outillage permettant un moulage d'une contreforme épousant cette forme creuse, comportant les étapes suivantes : - mise en place et verrouillage de la pièce sur un support (34, 36) solidaire de l'outillage, - remplissage de la forme creuse avec un matériau de moulage pour former la contre-forme, - solidification du matériau de moulage, - acquisition d'images 3D de la surface externe de la pièce et du support, - retrait de la pièce du support pour ne laisser subsister que ladite contre-forme sur le support, - acquisition d'images 3D de la surface externe de la contre-forme et du support, et - superposition et traitement des images 3D pour obtenir différentes dimensions de la pièce permettant son contrôle dimensionnel.

Description

Arrière-plan de l'invention
Le domaine de l'invention est celui des turbomachines, notamment celui des aubes de soufflante, en matériau composite, de turbomachines dont le bord d'attaque comporte un renfort structurel métallique et la présente invention concerne donc plus particulièrement un procédé de contrôle des dimensions tant externes qu'internes d'un tel renfort structurel d’aube de turbomachine.
Toutefois, l’invention est aussi bien applicable à la réalisation de renforts destinés à renforcer un bord d’attaque ou un bord de fuite d’aube de tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment un turbomoteur d’hélicoptère ou un turboréacteur d’avion.
Il est connu d’équiper les aubes de soufflante de turbomachine, réalisées en matériaux composites, d’un renfort structurel métallique s'étendant sur toute la hauteur de l'aube et au-delà de leur bord d'attaque comme mentionné dans le document EP1908919 déposé au nom de la demanderesse. Un tel renfort permet de protéger l'aubage composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou encore des cailloux.
En particulier, le renfort métallique protège le bord d'attaque de l'aube composite en évitant des risques de délaminage, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice. De façon connue, il est réalisé soit entièrement par fraisage à partir d'un bloc de titane, ce qui nécessite de nombreuses opérations de reprises et des outillages complexes impliquant des coûts de réalisation importants soit à partir d'une préforme obtenue à partir d'un simple barreau métallique et d'une succession d'étapes de forge, comme décrit notamment dans la demande de brevet FR 2 961 866 déposée au nom de la demanderesse. Les dernières étapes de forge sont toutefois particulièrement délicates compte tenu de la présence de contre-dépouilles et il en résulte parfois des incertitudes quant aux dimensions finales du renfort qu'il convient donc de pouvoir contrôler avec précision.
Or, les solutions de mesure traditionnelles de type machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) ou autres moyens à contact permettant une mesure des surfaces intérieure et extérieure du renfort sont exclues du fait de sa grande variabilité géométrique (ce qui rend difficile l'automatisation d'une trajectoire de mesure) et notamment des faibles épaisseurs à certains endroits de ce renfort (ce qui implique un fort risque de déformer la pièce sous l'effort de palpage) et de l'inaccessibilité du fond de la partie concave du renfort qui nécessite d'utiliser des palpeurs longs (ce qui implique un fort risque de flexion du palpeur).
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une méthode de mesure qui permette l'acquisition de la surface intérieure du renfort (plus généralement de toute pièce ayant une forme creuse) et le repositionnement de cette acquisition avec celle de la surface extérieure afin d'obtenir précisément les dimensions tant externes qu'internes de ce renfort et les épaisseurs.
Pour cela, il est proposé un procédé de contrôle dimensionnel d'une pièce ayant une forme creuse au moyen d'un outillage permettant un moulage d'une contre-forme épousant ladite forme creuse, comportant les étapes suivantes : - mise en place et verrouillage de ladite pièce sur un support solidaire dudit outillage, - remplissage de ladite forme creuse avec un matériau de moulage pour former ladite contre-forme, - solidification dudit matériau de moulage, - acquisition d'images 3D de la surface externe de ladite pièce et dudit support, - retrait de ladite pièce dudit support pour ne laisser subsister que ladite contre-forme sur ledit support, - acquisition d'images 3D de la surface externe de ladite contre-forme et dudit support, et - superposition et traitement desdites images 3D pour obtenir différentes dimensions de ladite pièce permettant son contrôle dimensionnel.
Ainsi, la combinaison d'un moyen de numérisation 3D avec un support permettant à la fois le maintien de la pièce, le moulage de sa forme intérieure et le maintien de ce moulage une fois la pièce retirée, permet de réaliser l'ensemble des opérations de mesure et notamment d'acquérir les dimensions intérieures de la pièce sans changer le référentiel de mesure lié au support, garantissant ainsi une communauté du référentiel entre la mesure de l'intérieur et celle de l'extérieur, condition incontournable à une mesure effectuée avec la précision recherchée.
De préférence, le verrouillage de ladite pièce sur ledit support est assuré au moyen de vis traversant à la fois des tourillons de ladite pièce et des montants dudit support, le remplissage de ladite forme creuse est effectué par gravité une fois l'ensemble pièce-support-outillage retourné ou depuis une pompe distributrice dudit matériau polymère, via des canaux d'injection aboutissant à des trous de remplissage percés dans ledit support, l'acquisition d'images 3D est obtenue par un dispositif d'acquisition d'images par stéréovision (à capteur(s) CCD ou CMOS) comportant au moins deux caméras fixes et un projecteur, le retrait de ladite pièce dudit support est réalisé sans déformation au moyen d'éléments de rigidification sur lesquelles ladite pièce est placée «à cheval» mais sans contact avec lesdits éléments de rigidification et les superposition et traitement des images 3D sont effectués dans un module de traitement d'images et de calcul dimensionnel relié audit dispositif d'acquisition d'images par stéréovision.
Ladite pièce ayant une forme creuse est avantageusement un renfort structurel métallique d'aube composite de soufflante.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe du bord d'attaque d'une aube de soufflante en matériau composite montrant son renfort structurel métallique ; - la figure 2 montre un outillage servant à la mise en œuvre du procédé de contrôle dimensionnel selon l'invention ; et - les figures 3 à 7 illustrent les étapes successives du procédé de contrôle dimensionnel selon l'invention à l'aide de l'outillage de la figure 2.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 1 est une vue en coupe partielle d'une aube composite comportant un renfort structurel métallique de bord d'attaque dont on cherche à contrôler les dimensions à l'issue et au cours de sa fabrication. L'aube 10 illustrée est par exemple une aube mobile de soufflante d'une turbomachine (non représentée) s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite depuis un pied d'aube et jusqu'à un sommet de cette aube et obtenue typiquement par drapage (remplissage collage) d'un matériau composite tissé. A titre d'exemple, le matériau composite utilisé peut être composé par un assemblage de fibres tissées de carbone et d'une matrice résineuse, l'ensemble étant formé par moulage au moyen d'un procédé classique d'injection de résine sous vide de type RTM (pour «Resin Transfer Molding»).
Une surface intrados 12 et une surface extrados 14 forment les faces latérales de l'aube 10 qui relient le bord d'attaque 16 au bord de fuite (non représenté) de l'aube 10. Comme il est connu, l'aube 10 comporte un renfort structurel métallique 18, préférentiellement à base titane (pour sa grande capacité d'absorption de l'énergie due aux chocs), collé au niveau de son bord d'attaque 16 dont il épouse la forme et qu'il prolonge pour former le bord d'attaque externe, dit bord d'attaque du renfort 20. Le renfort structurel métallique est collé sur l'aube 10 au moyen d'une colle connue de l'homme du métier, comme par exemple une colle cyano-acrylique ou encore époxy.
De façon classique, le renfort structurel métallique 18 est une pièce monobloc comportant une section sensiblement en forme de V présentant une base 22 formant le bord d'attaque du renfort 20 et prolongée par deux flancs latéraux 24 et 26 épousant respectivement l'intrados 12 et extrados 14 de l'aube 10. Les flancs 24, 26 présentent un profil effilé ou aminci en direction du bord de fuite de l'aube et leurs surfaces internes ont un facteur de rugosité garantissant la qualité mécanique de la liaison collée. La base 22 comporte un profil interne 28 arrondi apte à épouser la forme arrondie du bord d'attaque 16 de l'aube 10.
Pour faciliter la manipulation du renfort lors de son forgeage, celui-ci comporte en outre à ses deux extrémités, des tourillons 18A, 18B (illustrés aux figures 3 à 7) résultant du barreau métallique initial et préférentiellement de section carrée. On peut noter que ces tourillons qui seront sectionnés pour aboutir à l'état final du renfort tel que monté et illustré à la figure 1, sont utilisés comme points d'appui dans le procédé de contrôle dimensionnel selon l'invention.
Le contrôle dimensionnel du renfort est effectué au moyen d'un outillage apte à supporter le renfort et à permettre la réalisation par moulage d'une pièce (appelée par la suite contre-forme) épousant sa forme interne (la partie creuse du renfort) afin de permettre une numérisation 3D des surfaces interne et externe de ce renfort, la technologie de numérisation 3D nécessitant toutefois un référentiel géométrique commun dans les trois dimensions pour permettre un assemblage, les uns avec les autres, des différents objets numérisés.
Comme le montre la figure 2, l'outillage est constitué d'une semelle 30 sur laquelle sont fixés à son pourtour des colonnes 32 de préférence d'égale hauteur et avantageusement à section hexagonale pour avoir des faces permettant de coller des cibles de référence à plat (cibles nécessaires à la caractérisation préalable du montage par photogrammétrie). Ces colonnes qui assurent la fonction de référentiel géométrique dans les 3 dimensions sont au moins au nombre de six (trois par cotés) de sorte qu'un grand nombre de ces cibles soient visibles sur les clichés pris depuis différents angles de prise de vue, et avantageusement au nombre de 8. En effet, les cibles de références sont collées sur les colonnes et il est nécessaire d'en voir au moins 3 sur chaque cliché pour permettre leur assemblage ultérieur en une image 3D, la « taille » des clichés dimensionnant l'espace entre les colonnes.
Deux montants 34, 36 destinés à servir de points d'appui pour le renfort sont fixés au niveau de sa partie centrale et comportent chacun à leur sommet un taraudage 34A, 36A pour recevoir les tourillons 18A, 18B du renfort. Ces montants taraudés sur leur sommet permettent par des vis 38 les traversant d'y solidariser le renfort et de garantir cette fixation tout au long de la mesure. Entre ces deux points d'appui sont prévus des éléments de rigidification 40 permettant d'assurer que la contre-forme ne se déforme pas pendant le retrait du renfort dont la partie concave sera placée « à cheval » sur les éléments de rigidification mais sans contact entre ces éléments et le renfort (voir la figure 4). Entre chacun de ces éléments de rigidification sont disposés des trous de remplissage 42 permettant d'injecter dans la partie creuse du renfort un matériau de moulage (de préférence un polymère) qui va en recopier la forme 3D interne en se solidifiant (bien entendu, les extrémités du renfort auront préalablement été « bouchées » à la pâte souple ou par exemple une partie souple et déformable, solidaire du montage, aura été prévue pour épouser la forme des extrémités du renfort lors de la fixation de celui-ci).
Les figures 3 à 7 illustrent les différentes étapes du procédé de mesure du renfort structurel métallique 18 au moyen de l'outillage de la figure 2.
La première étape, illustrée à la figure 3, consiste à positionner le renfort sur les montants 34, 36 formant support et le verrouiller au moyen des vis 38 qui vont traverser à la fois le renfort 18 (plus précisément ses deux tourillons 18A, 18B) et ces deux montants. Une fois le renfort en place et après que l'ensemble pièce-support-outillage a été retourné et repose donc sur les colonnes 32, il est procédé dans une seconde étape, illustrée à la figure 4, au remplissage par simple gravité de la partie creuse du renfort avec un matériau polymère injecté (mais une injection sous pression depuis une pompe distributrice 44 est aussi possible sous réserve de prévoir les moyens d'étanchéité adéquats) via des canaux d'injection 45 aboutissant aux trous de remplissage 42. L'étape suivante, illustrée à la figure 5, consiste en une acquisition des images (par numérisation 3D) de la surface extérieure du renfort et de son support. Cette numérisation en trois dimensions est effectuée par un dispositif d'acquisition d'images par stéréovision 46 comportant par exemple au moins deux caméras fixes à capteur(s) CCD ou CMOS par exemple (les objets à numériser étant bien entendu éclairés de façon adéquate par une rampe lumineuse ou tout autre élément d'éclairage similaire) et relié à un module de traitement d'images et de calcul dimensionnel 48. Une fois cette numérisation finalisée, il est procédé dans une nouvelle étape, illustrée à la figure 6, au retrait du renfort de son support, le matériau polymère solidifié 50 restant alors seul solidaire du support. Cette étape pourra être facilitée par le dépôt d'un agent démoulant, avant injection, sur la surface intérieure du renfort. Enfin l'étape terminale, illustrée à la figure 7, consiste en une nouvelle acquisition d'images 3D, cette fois du matériau polymère solidifié 50 (celui-ci étant porteur de la forme intérieure du renfort 18) ainsi que du support.
La position de chaque mesure par rapport au support, plus précisément aux colonnes 32 utilisées comme référence géométrique commune étant connue, il est alors possible de superposer exactement dans l'espace la mesure extérieure du renfort obtenue par la première numérisation 3D avec sa mesure intérieure obtenue par la seconde numérisation 3D pour calculer différentes dimensions (longueur, largeur, mais aussi épaisseur de parties déterminées) de cette pièce et ainsi obtenir un contrôle dimensionnel de toute la pièce de façon parfaitement précise. En effet, s'agissant d'une mesure d'une contre forme, le référentiel spatial entre les mesures de l'intérieur et de l'extérieur doit être obligatoirement commun.
On accordera un soin particulier au choix du matériau utilisé pour le remplissage (le moulage interne du renfort) dont les propriétés doivent permettre de garantir la fidélité de la forme reproduite. Notamment, elle doit être suffisamment rigide pour assurer cette fidélité mais elle doit cependant être assez souple pour permettre le retrait du renfort sans recourir à des moyens complexes de démoulage. Une autre contrainte est que la solidification du matériau ne doit pas engendrer de variation de ses dimensions (séchage, refroidissement,...). D'où préférentiellement le recours à un matériau polymère, la polymérisation étant une réaction à froid, sans séchage, sans variation de volume. De plus, il est possible de combiner ses propriétés avant et après coulage quasiment à volonté (comme la coulabilité, la dureté, la couleur, l'aspect, la rigidité, la brillance). Ainsi, les inventeurs ont pu constater que dans le cadre du contrôle dimensionnel selon l'invention de renforts structurels métalliques d'aubes composites de soufflante un polymère du type 30 shore A convenait parfaitement.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de contrôle dimensionnel d’une pièce (18) ayant une forme creuse au moyen d'un outillage permettant un moulage d’une contre-forme (50) épousant ladite forme creuse, comportant les étapes suivantes : - mise en place et verrouillage de ladite pièce sur un support (34, 36) solidaire dudit outillage, - remplissage de ladite forme creuse avec un matériau de moulage pour former ladite contre-forme, - solidification dudit matériau de moulage, - acquisition d'images 3D de la surface externe de ladite pièce et dudit support, - retrait de ladite pièce dudit support pour ne laisser subsister que ladite contre-forme sur ledit support, - acquisition d'images 3D de la surface externe de ladite contre-forme et dudit support, et - superposition et traitement desdites images 3D pour obtenir différentes dimensions de ladite pièce permettant son contrôle dimensionnel,
  2. 2. Procédé de contrôle dimensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verrouillage de ladite pièce sur ledit support est assuré au moyen de vis (38) traversant à la fois des tourillons (18A, 18B) de ladite pièce et des montants (34, 36) dudit support.
  3. 3, Procédé de contrôle dimensionnel selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le remplissage de ladite forme creuse est effectué par gravité une fois l'ensemble pièce-support-outillage retourné via des canaux d'injection (45) aboutissant à des trous de remplissage (42) percés dans ledit support,
  4. 4, Procédé de contrôle dimensionnel selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le remplissage de ladite forme creuse est effectué depuis une pompe distributrice (44) dudit matériau de moulage, via des canaux d'injection (45) aboutissant à des trous de remplissage (42) percés dans ledit support,
  5. 5. Procédé de contrôle dimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acquisition d’images 3D est obtenue par un dispositif d'acquisition dlmages par stéréovision (46) comportant au moins deux caméras fixes.
  6. 6. Procédé de contrôle dimensionnel selon la revendication 5, caractérisé en ce que les superposition et traitement des images 3D sont effectués dans un module de traitement d'images et de calcul dimensionnel (48) relié audit dispositif d'acquisition d'images par stéréovision,
  7. 7. Procédé de contrôle dimensionnel selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif d'acquisition d'images par stéréovision comporte au moins un capteur CCD ou CMOS.
  8. 8. Procédé de contrôle dimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le retrait de ladite pièce dudit support est réalisé sans déformation au moyen d'éléments de rigidification (40) sur lesquelles ladite pièce est placée « à cheval » mais sans contact avec lesdits éléments de rigidification.
  9. 9. Procédé de contrôle dimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite pièce ayant une forme creose est un renfort structurel métallique (18) d'aube composite de soufflante ayant deux ailettes latérales (24, 26) s'étendant depuis un nez (22).
  10. 10. Procédé de contrôle dimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit matériau de moulage est un polymère du type 30 shore A.
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