De la poudre à la performance

Échangeurs de chaleur AM pour applications aérospatiales

Les échangeurs de chaleur sont des pièces essentielles pour l'industrie aérospatiale. La pièce de fabrication traditionnelle utilise des assemblages brasés et soudés plaque-ailettes, ce qui se traduit par des épaisseurs et des rugosités connues pour les services qualité. Lorsque Raytheon Technologies a exploré l'utilisation de la fabrication additive pour remplacer les échangeurs de chaleur de conduit de ventilateur existants, le fabricant multinational de l'aérospatiale et de la défense a rencontré quelques défis.

Alors que la FA peut créer des pièces monolithiques qui simplifient la production et réduisent le volume, l'épaisseur et la rugosité variées des parois minces peuvent dégrader l'analyse de rentabilisation des pièces produites par la FA. Et les surfaces en question ne sont pas visibles pour l'inspection, et la rugosité change en fonction de l'orientation de la construction. Pour passer à des conceptions non traditionnelles rendues possibles par la FA, Raytheon devait d'abord prouver que le processus pouvait produire des parois internes lisses d'une épaisseur spécifiée.

Comment Raytheon pourrait-il atteindre l'exhaustivité et la qualité des données nécessaires pour les pièces AM ? Le groupe Zeiss a fourni la solution avec une tomodensitométrie industrielle et une imagerie par microscopie à rayons X pour inspecter de manière non destructive les caractéristiques internes d'un échangeur de chaleur AlSi10Mg.

AlSi10Mg est un alliage d'aluminium qui combine le silicium et le magnésium comme éléments d'alliage. Le résultat de la combinaison est des pièces légères qui sont nettement plus solides et plus dures que les autres alliages d'aluminium. Cette ténacité rend AlSi10Mg idéal pour la fabrication de pièces aérospatiales.

Raytheon a utilisé un système de tomodensitométrie à rayons X Zeiss METROTOM pour effectuer un balayage d'ensemble de l'échangeur de chaleur à 60 µm par voxel afin de vérifier l'épaisseur des parois et les lacunes ou les fissures dans les parois minces. Pour améliorer encore le retour sur investissement, des scans à plus haute résolution ont été effectués en haut et en bas de la pièce à 15 µm par voxel et 3 µm par voxel sur un Zeiss Xradia Versa 620. Les scans à plus haute résolution ont vérifié l'épaisseur de la paroi et ont permis de mesurer la rugosité de la surface.

Une fois les analyses d'inspection non destructives terminées, l'échangeur de chaleur du conduit de ventilateur imprimé en 3D a été sectionné pour révéler les mêmes surfaces pour la microscopie confocale conformationnelle de la surface supérieure correspondante (peau vers le haut) et de la surface en surplomb (peau vers le bas). Cette inspection de section excavée agit comme une donnée de vérité de terrain pour cette étude.

Une fois les données de tomodensitométrie à rayons X alignées, les surfaces correspondantes ont été extraites pour l'analyse de la rugosité de surface. Les résultats ont été comparés à une région extraite similaire imagée par microscopie confocale. Sur la surface supérieure plus lisse, les valeurs de la moyenne arithmétique (Sa) et de la vallée la plus basse (Sv) s'alignaient bien. Mais pour capter les pics les plus élevés (Sp), une taille de voxel de 15 µm ou moins est nécessaire pour correspondre à l'analyse des microscopes confocaux. Cet écart se produit parce que la surface est constituée de traces de bain de fusion lisses qui se chevauchent laissées sur la surface par le passage final et avec la particule de poudre frittée occasionnelle pour constituer les pics les plus élevés.

Lorsque la taille du voxel est supérieure à la distribution de taille de poudre attendue, on ne peut pas faire confiance à l'analyse pour détecter les pics de taille de poudre. Sur les surfaces en sous-couche, les valeurs Sa et Sv augmentent comme prévu pour les surfaces en porte-à-faux AM. Ces surfaces contiennent de grands conglomérats de poudre et des particules de poudre uniques, ce qui conduit à des surfaces très irrégulières avec de grands pics et vallées.

AM peut être utilisé pour produire des échangeurs de chaleur de conduit de ventilateur si l'orientation de construction est prise en compte. Les paramètres doivent également être optimisés pour la paroi mince en surplomb, qui ne peut pas être supportée ou accessible pour le polissage. CT combiné avec XRM est un outil puissant pour obtenir des commentaires lors du développement des paramètres et pour l'inspection des pièces finales.

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