WO2020234528A1 - Structure en treillis - Google Patents

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WO2020234528A1
WO2020234528A1 PCT/FR2020/050800 FR2020050800W WO2020234528A1 WO 2020234528 A1 WO2020234528 A1 WO 2020234528A1 FR 2020050800 W FR2020050800 W FR 2020050800W WO 2020234528 A1 WO2020234528 A1 WO 2020234528A1
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WO
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beams
lattice structure
elementary
plane
lattice
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/050800
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Inventor
Arnaud Georges NIFENECKER
Rémi Joseph LANQUETIN
Original Assignee
Safran Helicopter Engines
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Publication date
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the field of lattice structures for mechanical parts for transmitting forces.
  • the weight saving must be achieved while maintaining a high level of mechanical performance.
  • the rim where the teeth are located, is connected to the hub by a simple veil.
  • the shapes of the web and the rim, as well as their thicknesses and orientation, are the result of optimization in order to best meet the design constraints in terms of deformation under load and modal behavior in particular.
  • the available design volume can be thought of as a full disk.
  • the material that works the least is the material inside.
  • An optimal shape should therefore be hollow.
  • the rim is kept tilting under load, by the veil, is ensured on a reduced surface
  • the rim overhangs on either side of the web may be subject to vibrations
  • the thickness of the veil is strongly conditioned by the manufacturability A mass gain can be made by perforating the web, however this can prove to be detrimental to the yield by increasing the losses by mixing
  • the invention provides a lattice structure for a mechanical part for transmitting forces, adapted to be produced by additive manufacturing.
  • the structure has a trellis having recesses and comprising a plurality of elementary structures, each elementary structure comprising several beams connected to form a polyhedron, the beams of each elementary structure being inclined relative to a reference plane called the manufacturing plane.
  • Each elementary structure can include a first subset of two beams each connected at one of their ends at a junction point.
  • Each elementary structure can include a second subset of two beams each connected at one of their ends to said junction point.
  • Said junction point can be substantially at the center of each elementary structure.
  • the beams of the first sub-assembly may belong to a first plane and the beams of the second sub-assembly may belong to a second plane, intersecting the first plane.
  • the foreground and second plane can be oriented approximately 90 degrees to each other.
  • Each beam can have a section of between 0.2 millimeters and 4 millimeters.
  • the ends not joined at the junction point of two beams of the same sub-assembly can be spaced 0.5 mm to 4 mm, and the unjointed ends at the junction point of two beams of two distinct sub-assemblies of the same elementary structure, can be separated from 1 millimeter to 5 millimeters.
  • the beams of each elementary structure can be inclined 40 to 50 degrees relative to the manufacturing plane.
  • the invention relates to a part of a turbomachine produced in additive manufacturing, comprising at least one portion made of solid material and at least one lattice structure according to the invention.
  • the invention relates to an aircraft comprising at least one part of a turbomachine according to the invention.
  • Figure 1 shows a pinion according to the prior art.
  • Figure 2 shows a pinion according to the prior art, in section.
  • Figure 3 is a perspective representation of an elementary structure of a lattice structure according to the invention.
  • Figure 4 is a front view of an elementary structure of a lattice structure according to the invention.
  • Figure 5 is a side view of an elementary structure of a lattice structure according to the invention.
  • Figure 6 is a sectional representation of a gable comprising a trellis according to the invention.
  • the invention relates to a lattice structure 1 adapted to be produced by additive manufacturing.
  • additive manufacturing is meant a manufacturing process in which layers of powder are successively deposited which are locally melted by an electrode or a laser. Additive manufacturing is carried out on a flat surface on which the layers of material (i.e. powder) are stacked. This flat surface defines a reference plane, called the production plane P, for a part 100 thus manufactured.
  • the lattice structure 1 is adapted to form part of a mechanical part 100 for transmitting forces.
  • the transmission of forces can be a rotational force.
  • the force transmission can be a translational movement, or a combined movement.
  • the part can, for example, withstand compressive, shear and / or tensile forces
  • the part 100 is preferably produced in additive manufacturing so as to form a coherent one-piece assembly with solid portions and the lattice structure 1.
  • the lattice structure 1 has a lattice having recesses 11 and comprising a plurality of elementary patterns 12.
  • Each elementary pattern 12 comprises several beams 14 connected to form a polyhedron.
  • the beams 14 of each elementary structure 12 are inclined relative to the manufacturing plane P.
  • the beams 14 are inclined 40 to 50 degrees relative to the manufacturing plane P.
  • the beams 14 are inclined 45 degrees relative to the manufacturing plane P. This arrangement allows the elementary structures 12, and therefore the lattice structure 1, to be particularly resistant to compressive forces.
  • each elementary structure 12 comprises a first sub-assembly 121 of two beams 14 each connected to one of their ends 141 at a junction point 15.
  • each structure elementary 12 comprises a second sub-assembly 122 of two beams 14 each connected at one of their ends 141 to said junction point 15.
  • junction point 15 is substantially at the center of each elementary structure 12.
  • the beams 14 of the first sub-assembly 121 belong to a first plane P1 and the beams 14 of the second sub-assembly 122 belong to a second plane P2, intersecting the first plane.
  • the first plane P1 and the second plane P2 are oriented approximately 90 degrees with respect to each other.
  • each beam 14 has a section of between 0.2 millimeters and 4 millimeters.
  • each beam 14 can, for example, have a section of 0.4 millimeter or of 1 millimeter.
  • ends 142 not joined at the junction point 15 of two beams 14 of the same subassembly 121, 122 can be spaced 0.5 millimeters to 4 millimeters (preferably 1 or 2.5 millimeters).
  • the unjoined ends 142 at the junction point 15 of two beams 14 of two separate subassemblies 121, 122 of the same elementary structure 12 can be spaced from 1 millimeter to 5 millimeters (preferably 1.6 or 4 millimeters).
  • the invention relates to a part 100 of a turbomachine produced in additive manufacturing.
  • the part 100 comprises at least a portion of solid material 101 and at least one lattice structure 1 according to the invention.
  • the part 100 may, for example, be a pinion.
  • the lattice structure 1 makes it possible in this case to reinforce the veil 103.
  • This arrangement makes it possible to have a hollow veil 103 enveloping the lattice structure 1.
  • the lattice structure 1 combines the advantages of having a reduced mass (presence of very numerous recesses 11) and to be particularly resistant to mechanical forces due to the geometry and orientation of each elementary structure 12.
  • the mechanical forces are shear forces linked to the transmission of a force of rotation by the pinion.
  • the forces are also compressive forces linked to the loads applied to the pinion.
  • thin webs 103 may exhibit unacceptable resonances.
  • the stiffness provided by the lattice structure 1 makes it possible to rule out these resonances.
  • thin webs 103 could be too flexible and cause deformation under too great a load. In a particularly advantageous manner, the stiffness provided by the lattice structure 1 makes it possible to greatly reduce these deformations.
  • thin webs 103 could present stress levels that are too high, the resistance provided by the lattice structure 1 makes it possible to better redistribute the forces in the structure and therefore to reduce the stresses in the part 100.
  • the lattice structure 1 also makes it possible to reduce the overhangs, for example of a rim in the frame of a pinion. It will be understood that the lattice structure 1 can be used in a plurality of other parts 100 of a turbomachine, for example, to make fan blades, for transmission rods, gearbox housings, hydraulic unit housings. , bearing brackets, transmission shafts, etc. Aircraft
  • the invention relates to an aircraft (not shown) which comprises a turbomachine incorporating a part 100.
  • the aircraft also includes all the usual features.

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Abstract

La présente invention concerne une structure en treillis (1) pour une pièce (100) mécanique de transmission d'efforts, adaptée pour être réalisée par fabrication additive. La structure présente un treillis présentant des évidements (11) et comprenant une pluralité de structures élémentaires (12), chaque structure élémentaire (12) comprenant plusieurs poutres (14) reliées pour former un polyèdre, les poutres (14) de chaque structure élémentaire (12) étant inclinées par rapport à un plan de référence dit plan de fabrication (P).

Description

STRUCTURE EN TREILLIS
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des structures en treillis pour pièces mécaniques de transmission d’efforts.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine de la construction aéronautique, l’optimisation de la masse est un problème constant.
En outre, pour certaines pièces, le gain de masse doit être réalisé en conservant un haut niveau de performances mécaniques.
Il s’agit d’un paradoxe délicat à résoudre puisque le plus souvent le gain de masse est réalisé en diminuant les performances mécaniques. En effet, on comprend bien que si l’on enlève de la matière à une pièce pour l’alléger, on diminue, le plus souvent, ses performances mécaniques.
Dans ce contexte, il est connu d’utiliser des méthodes d’optimisation paramétrique pour concevoir une pièce conciliant une masse réduite et de bonnes performances mécaniques.
Dans le cas, par exemple, d’un pignon, tel que représenté sur les figures 1 et 2.
La jante, où se trouve la denture, est reliée au moyeu par un voile simple. Les formes du voile et de la jante, ainsi que leurs épaisseurs et orientation sont issues d’une optimisation afin de satisfaire au mieux les contraintes de conception en termes de déformation sous charge et comportement modal notamment.
Les moyens de fabrication traditionnels ne permettent pas une optimisation complète du volume de conception disponible.
Le volume de conception disponible peut être assimilé à un disque plein. La matière qui travaille le moins est celle qui se trouve à l’intérieur. Une forme optimale devrait donc être creuse.
Le maintien de la jante en basculement sous charge, par le voile, est assuré sur une surface réduite
Les porte-à-faux de la jante de part et d’autre du voile peuvent être sujet à des vibrations
L’épaisseur du voile est fortement conditionnée par la fabricabilité Un gain de masse peut être fait par ajourage du voile, cependant cela peut s’avérer pénalisant pour le rendement en augmentant les pertes par brassage
Dans ce contexte, il est donc souhaitable de fournir une structure permettant de combiner masse minimale et performances mécaniques maximales.
EXPOSE DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, l’invention propose une structure en treillis pour une pièce mécanique de transmission d’efforts, adaptée pour être réalisée par fabrication additive. La structure présente un treillis présentant des évidements et comprenant une pluralité de structures élémentaires, chaque structure élémentaire comprenant plusieurs poutres reliées pour former un polyèdre, les poutres de chaque structure élémentaire étant inclinées par rapport à un plan de référence dit plan de fabrication.
Chaque structure élémentaire peut comprendre un premier sous-ensemble de deux poutres reliées chacune à l’une de leurs extrémités en un point de jonction.
Chaque structure élémentaire peut comprendre un deuxième sous-ensemble de deux poutres reliées chacune à l’une de leurs extrémités audit point de jonction.
Ledit point de jonction peut être sensiblement au centre de chaque structure élémentaire.
Les poutres du premier sous-ensemble peuvent appartenir à un premier plan et les poutres du deuxième sous-ensemble peuvent appartenir à un deuxième plan, sécant du premier plan.
Le premier plan et le deuxième plan peuvent être orientés d’environ 90 degrés l’un par rapport à l’autre.
Chaque poutre peut présenter une section comprise entre 0.2 millimètres et 4 millimètres.
Les extrémités non jointes au point de jonction de deux poutres d’un même sous-ensemble peuvent être écartées de 0,5 mm à 4 mm, et les extrémités non jointes au point de jonction de deux poutres de deux sous-ensembles distincts d’une même structure élémentaire, peuvent être écartées de 1 millimètre à 5 millimètres.
Les poutres de chaque structure élémentaire peuvent être inclinées de 40 à 50 degrés par rapport au plan de fabrication.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une pièce de turbomachine réalisée en fabrication additive, comprenant au moins une portion en matériau plein et au moins une structure en treillis selon l’invention. Selon un troisième aspect, l’invention concerne un aéronef comprenant au moins une pièce de turbomachine selon l’invention.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 représente un pignon selon l’art antérieur.
La figure 2 représente un pignon selon l’art antérieur, en coupe.
La figure 3 est une représentation en perspective d’une structure élémentaire d’une structure en treillis selon l’invention.
La figure 4 est une représentation de face d’une structure élémentaire d’une structure en treillis selon l’invention.
La figure 5 est une représentation de côté d’une structure élémentaire d’une structure en treillis selon l’invention.
La figure 6 est une représentation en coupe d’un pignon comprenant un treillis selon l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Structure en treillis
Selon un premier aspect, l’invention concerne une structure en treillis 1 adaptée pour être réalisée par fabrication additive.
Par fabrication additive, il est entendu un procédé de fabrication dans lequel on dépose successivement des couches de poudre qui sont fondues localement par une électrode ou un laser. La fabrication additive est réalisée sur une surface plane sur laquelle sont empilées les couches de matière (i. e. de poudre). Cette surface plane définit un plan de référence, dit plan de fabrication P, pour une pièce 100 ainsi fabriquée.
Tel que cela sera détaillé ci-après, la structure en treillis 1 est adaptée pour faire partie d’une pièce 100 mécanique de transmission d’efforts. Typiquement, tel que cela sera détaillé ci-après, la transmission d’efforts peut être un effort en rotation. Selon d’autres exemples, la transmission d’effort peut être un mouvement de translation, ou un mouvement combiné. En outre, la pièce peut, par exemple, supporter des efforts de compression, de cisaillement et/ ou de traction
Tel que cela sera décrit, la pièce 100 est préférentiellement réalisée en fabrication additive de sorte à former un ensemble monobloc cohérent avec des portions pleines et la structure en treillis 1.
La structure en treillis 1 présente un treillis présentant des évidements 11 et comprenant une pluralité de motifs élémentaires 12.
Chaque motif élémentaire 12 comprend plusieurs poutres 14 reliées pour former un polyèdre.
Selon une disposition particulièrement avantageuse, les poutres 14 de chaque structure élémentaire 12 sont inclinées par rapport au plan fabrication P. D’une manière préférentielle, les poutres 14 sont inclinées de 40 à 50 degrés par rapport au plan de fabrication P. D’une manière encore plus préférentielle, les poutres 14 sont inclinées de 45 degrés par rapport au plan de fabrication P. Cette disposition permet aux structures élémentaires 12, et donc à la structure en treillis 1 , d’être particulièrement résistantes aux efforts de compression.
Selon une disposition particulière, représentée sur les figures 3 à 5, chaque structure élémentaire 12 comprend un premier sous-ensemble 121 de deux poutres 14 reliées chacune à l’une de leurs extrémités 141 en un point de jonction 15. De plus, chaque structure élémentaire 12 comprend un deuxième sous-ensemble 122 de deux poutres 14 reliées chacune à l’une de leurs extrémités 141 audit point de jonction 15.
Préférentiellement, le point de jonction 15 est sensiblement au centre de chaque structure élémentaire 12.
En outre, les poutres 14 du premier sous-ensemble 121 appartiennent à un premier plan P1 et les poutres 14 du deuxième sous-ensemble 122 appartiennent à un deuxième plan P2, sécant du premier plan. D’une manière préférentielle, le premier plan P1 et le deuxième plan P2 sont orientés d’environ 90 degrés l’un par rapport à l’autre.
Selon une disposition particulière, chaque poutre 14 présente une section comprise entre 0.2 millimètres et 4 millimètres. Préférentiellement, chaque poutre 14 peut, par exemple, présenter une section de 0.4 millimètre ou de 1 millimètre.
En sus, les extrémités 142 non jointes au point de jonction 15 de deux poutres 14 d’un même sous-ensemble 121 , 122 peuvent être écartées de 0,5 millimètres à 4 millimètres (préférentiellement de 1 ou 2.5 millimètres). De plus, les extrémités non jointes 142 au point de jonction 15 de deux poutres 14 de deux sous-ensembles distincts 121 , 122 d’une même structure élémentaire 12, peuvent être écartées de 1 millimètre à 5 millimètres (préférentiellement de 1.6 ou 4 millimètres).
On comprendra que ces valeurs ne sont données qu’à titre d’exemple, toute autre valeur pourrait être envisagée en respectant un rapport homothétique.
En outre, une modification de la densité et/ou de la forme de structure en treillis 1 , permet d’adapter au mieux la structure en treillis 1 aux efforts mécaniques appliqués (résistance à la traction, compression et cisaillement)
Pièce de turbomachine
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une pièce 100 de turbomachine réalisée en fabrication additive. La pièce 100 comprend au moins une portion en matériau plein 101 et au moins une structure en treillis 1 selon l’invention.
Typiquement, selon l’exemple donné sur la figure 6, la pièce 100 peut, par exemple, être un pignon. La structure en treillis 1 permet en l’espèce de renforcer le voile 103. Cette disposition permet d’avoir un voile 103 creux enveloppant la structure en treillis 1. La structure en treillis 1 combine les avantages de présenter une masse réduite (présence de très nombreux évidements 11 ) et d’être particulièrement résistance aux efforts mécanique du fait de la géométrie et de l’orientation de chaque structure élémentaire 12. Dans le cas présent, les efforts mécaniques sont des efforts de cisaillements liés à la transmission d’un effort de rotation par le pignon. De plus, les efforts, sont aussi des efforts de compression liés aux charges appliquées au pignon.
En outre, dans certaines configurations géométriques de pièces, des voiles 103 minces peuvent présenter des résonnances qui ne seraient pas acceptable. La raideur apportée par la structure en treillis 1 permet d’écarter ces résonnances. De plus, des voiles 103 minces pourraient être trop souples et engendrer une déformation sous charge trop importante. D’une manière particulièrement avantageuse, la raideur apportée par la structure en treillis 1 permet de réduire fortement ces déformations. De même, des voiles 103 minces pourraient présenter des niveaux de contraintes trop élevées, la tenue apportée par la structure en treillis 1 permet de mieux redistribuer les efforts dans la structure et donc de réduire les contraintes dans la pièce 100.
En sus, d’une manière particulièrement avantageuse, la structure en treillis 1 permet aussi de réduire les portes à faux, par exemple d’une jante dans le cadre d’un pignon. On comprendra que la structure en treillis 1 peut être utilisée dans une pluralité d’autres pièces 100 d’une turbomachine, par exemple, pour réaliser des aubes de soufflante, pour des bielles de transmission, des carters de réducteurs, des carters de groupes hydrauliques, des supports de paliers, des arbres de transmission, etc. Aéronef
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un aéronef (non représenté) qui comprend une turbomachine intégrant une pièce 100.
L’aéronef comprend, en sus, l’ensemble des caractéristiques habituelles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure en treillis (1 ) pour une pièce (100) mécanique de transmission d’efforts, adaptée pour être réalisée par fabrication additive, caractérisée en ce qu’elle présente un treillis présentant des évidements (11 ) et comprenant une pluralité de structures élémentaires (12), chaque structure élémentaire (12) comprenant plusieurs poutres (14) reliées pour former un polyèdre, les poutres (14) de chaque structure élémentaire (12) étant inclinées de 40 à 50 degrés par rapport à un plan de référence dit plan de fabrication (P).
2. Structure en treillis (1 ) dans laquelle chaque structure élémentaire (12) comprend un premier sous-ensemble (121 ) de deux poutres (14) reliées chacune à l’une de leurs extrémités (141 ) en un point de jonction (15).
3. Structure en treillis (1 ) selon la revendication 2, dans laquelle chaque structure élémentaire (12) comprend un deuxième sous-ensemble (122) de deux poutres (14) reliées chacune à l’une de leurs extrémités (141 ) audit point de jonction (15).
4. Structure en treillis (1 ) selon la revendication 3, dans laquelle ledit point de jonction (15) est sensiblement au centre de chaque structure élémentaire (12).
5. Structure en treillis (1 ) selon la revendication 4 dans laquelle les poutres (14) du premier sous-ensemble (121 ) appartiennent à un premier plan (P1 ) et les poutres (14) du deuxième sous-ensemble (122) appartiennent à un deuxième plan (P2), sécant du premier plan (P1 ).
6. Structure en treillis (1 ) selon la revendication 5, dans laquelle le premier plan (P1 ) et le deuxième plan (P2) sont orientés d’environ 90 degrés l’un par rapport à l’autre.
7. Structure en treillis (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque poutre (14) présente une section comprise entre 0.2 millimètres et 4 millimètres.
8. Structure en treillis (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les extrémités (142) non jointes au point de jonction (15) de deux poutres (14) d’un même sous- ensemble (121 ,122) sont écartées de 0,5 mm à 4 mm, et les extrémités (142) non jointes au point de jonction (15) de deux poutres (14) de deux sous-ensembles distincts (121 , 122) d’une même structure élémentaire (12), sont écartées de 1 millimètre à 5 millimètres.
9. Pièce (100) de turbomachine réalisée en fabrication additive, comprenant au moins une portion en matériau plein et au moins une structure en treillis (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Aéronef comprenant au moins une pièce (100) de turbomachine selon la revendication
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