PROPELA - procédé de perçage laser pour l'aéronautique

PROPELA - laser drilling process for aerospace industry

• Auteur / Autrice : Minh-Hoang Nguyen
• Direction : Éric Freysz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 26/04/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Jean Oberlé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Freysz, Jean Oberlé, Jean-Marie Jouvard, Philippe Le Masson, Cyrille Delor, Rainer Kling
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Jouvard, Philippe Le Masson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à fibre

Usinage

Perçage laser

Mots clés libres

Perçage laser

Laser à fibre

A la volée

Zone affectée thermiquement

Conicité

Laser drilling

Fiber laser

On-the-fly

Heat affected zone

Taper

Résumé

Le perçage est un procédé de fabrication répandu dans le milieu industriel. Le secteur aéronautique a recours à ce procédé pour usiner de nombreuses pièces. Les chambres de combustions en sont un exemple. Exposées à des cycles thermiques sévères, elles sont percées d’une multitude de trous de refroidissement. Chez Safran Helicopter Engines, motoriste spécialisé dans la conception de turbines à gaz pour hélicoptères, ce perçage est réalisé à l’aide d’un procédé d’usinage unique : le perçage par percussion laser à la volée. Ce procédé phare leur permet de réaliser des milliers de trous inclinés dans des tôles en matériaux réfractaires. Safran Helicopter Engines cherche à maintenir son avance dans la production de turbines en s’appuyant sur les innovations constantes du procédé de perçage. Ce travail de thèse s’est articule autour du développement d’un nouveau procédé de perçage laser. De manière à définir un procédé fiable et efficace, plusieurs stratégies de perçage sont étudiées via les possibilités offertes par un laser à fibre milliseconde de haute puissance. Les résultats obtenus laissent entrevoir des perspectives intéressantes en termes d’augmentation de cadence de production à qualité d’usinage équivalente. L’amélioration des performances a été démontrée expérimentalement sur un banc d’essais représentatif des machines de production. Des trous de 400 μm de diamètre incliné à 60o ont pu être réalisés avec un cycle de perçage raccourci au minimum d’un facteur 2. Cette thèse présente également des éléments de compréhension des phénomènes de formation d’un trou. Pour cela, une modélisation des processus thermo hydrodynamiques impliqués dans le procédé de perçage laser a été développée. Ce modèle basé sur une approche par éléments finis repose sur l’étude thermique au cours de l’interaction entre le faisceau laser et la matière. Une partie du modèle inclut les phénomènes de propagation du faisceau dans la cavité en cours de formation afin de traduire de manière plus réaliste le dépôt d’énergie.

Drilling is a well-known manufacturing process. The aeronautic industry uses this process to machine a lot of elements. Among them, we can mention turbine blades, fuel injectors, combustion chambers. The latter are exposed to serious thermal stresses. To limit their impacts, combustion chambers are drilled with multiples cooling holes. At Safran Helicopter Engines, engines manufacturer specialized in engines design for helicopters, drilling is performed with a unique machining process : on the fly laser percussion drilling. This flagship process allows drilling thousands of tilted holes on refractory materials. Safran Helicopter Engines seeks to preserve its leading position in turbo engines manufacturing by looking for steady innovative drilling process. This thesis is structured around the development of a new laser drilling process. To define a reliable and efficient process, several drilling strategies were studied through the possibilities offered by a high-power millisecond fiber laser. The presented results allow catching a glimpse of the possibilities of production improvement. The performance enhancement was established through experimentation with a test bench. Holes of 400 μm diameter with an angle of 60o were drilled with a reduced processing time thanks to this new drilling process. In this thesis, we also propose a theoretical approach describing the hole formation. A mathematical model, accounting for all the physical process taking place during the drilling process is introduced. This model is based on finite elements method and considers the laser beam propagation within the drilled holes by solving Maxwell equations