Contribution aux développements des procédés de micro-perçage à haut rapport de forme dans des matériaux aéronautiques

Contribution to the development of high aspect ratio micro-drilling processes inaerospace materials

• Auteur / Autrice : Tom Catel
• Direction : Sébastien Thibaud, Emmanuel Ramasso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique appliquée
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Fromentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Piquard, Emmanuel Duc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélien Maurel-Pantel, Mehdi Cherif

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-usinage

Éléments finis, Méthode des

Usinage par électroérosion

Outils de coupe

Mots clés libres

Micro-Perçage à haut rapport de forme

Outil Coupant

Électroérosion

Modèle éléments finis

Observations expérimentales

High aspect ratio micro-Drilling

Cutting tool

Electroerosion

Finite element model

Experimental observations

Résumé

Le développement des micro-perçages profonds dans les alliages à base de nickel constitue une étape cruciale dans l'optimisation des aubes de turbines en aéronautique, notamment pour répondre aux exigences de réduction de la consommation de carburant. Cette thèse a pour objectif de déterminer la technologie de micro-perçage la plus adaptée pour maximiser la profondeur des perçages. Deux procédés de micro-perçage ont été étudiés par outil coupant et par électroérosion. Parallèlement, une approche numérique, couplant la méthode des éléments finis et la méthode SPH, a été développée pour simuler le processus d’évacuation des débris en micro-perçage par électroérosion. Les études sur le micro-perçage par outil coupant ont permis de réaliser des micro-cavités de 0,2 mm de diamètre avec un rapport de forme de 50:1 dans différents matériaux. Ce procédé se révèle pertinent pour l'usinage de matériaux non conducteurs, comme les céramiques ou les composites, qui ne peuvent pas être usinés par électroérosion. Cependant, l’électroérosion demeure le procédé le plus performant pour le micro-perçage de matériaux conducteurs, tels que ceux utilisés actuellement dans la fabrication des aubes de turbines. Concernant l’électroérosion, le procédé de micro-perçage a d’abord été optimisé à travers un plan d’expériences afin de répondre à une demande industrielle. Ensuite, une étude expérimentale inédite a été menée pour analyser les points limitants du procédé. Enfin, l’approche numérique mène à la détermination d’une géométrie d’électrode optimisée, améliorant l’évacuation des particules et réduisant l’usure des électrodes. Ce travail ouvre la voie vers des applications industrielles plus performantes dans le domaine de l’aéronautique et propose des perspectives d'amélioration des procédés de micro-usinage.

The development of deep micro-drilling in nickel-based alloys is a crucial step in optimizing turbine blades in the aerospace industry, particularly to meet the requirements for reducing fuel consumption.This thesis aims to identify the most suitable micro-drilling technology to maximize drilling depth.Two micro-drilling processes have been studied: by cutting tool and by electrical discharge machining (EDM). In parallel, a numerical approach combining the finite element method (FEM) and the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method was developed to simulate the debris evacuation process in EDM micro-drilling.Studies on micro-drilling by cutting tool enabled the creation of micro-cavities with a diameter of 0.2 mm and an aspect ratio of 50:1 in various materials. This process proves to be relevant for machining non-conductive materials, such as ceramics or composites, which cannot be machined by EDM. However, EDM remains the most effective process for micro-drilling conductive materials, such as those currently used in the manufacturing of turbine blades.Regarding EDM, the micro-drilling process was first optimized through a design of experiments to meet industrial demands. Then, an innovative experimental study was conducted to analyze the limiting factors of the process. Finally, the numerical approach led to the determination of an optimized electrode geometry, improving particle evacuation and reducing electrode wear.This work paves the way for more efficient industrial applications in the aerospace sector and offers perspectives for improving micro-machining processes.