Design of Small Structural Titanium Aeronautic Parts Made by Laser Powder Bed Fusion

Ce mémoire explore à l'aide d'études de cas l'utilisation et l'intégration de la fabrication additive dans l'industrie aérospatiale. La fabrication additive est définie comme étant tous les « procédés de mise en forme d'une pièce par ajout de matière, par empilement de couches successives, en opposition aux procédés par retrait de matière, tel que l'usinage » [1]. Un survol du monde de la fabrication additive est présenté dans ce travail ainsi qu'un état de l'art concernant l'optimisation topologique, un outil mathématique qui « consiste à trouver la répartition de matière idéale dans un volume donné soumis à des contraintes » [2]. La fabrication de structures aéronautiques étant majoritairement dominée par les procédés soustractifs comme l'usinage ou de mise en forme comme le forgeage, les méthodes de conception sont peu adaptées aux procédés additifs. En effet, les contraintes des procédés de fabrication conventionnels limitent les géométries innovantes. Une nouvelle méthode de conception est proposée ici qui intègre l'usage de l'optimisation topologique afin de réduire le poids des pièces d'avion. Une revue des solveurs commerciaux disponibles sur le marché est aussi faite avec une évaluation de leur niveau de maturité ainsi que leur potentiel pour à des développements futurs. La configuration des modèles d'optimisation topologiques est explorée et des lignes directrices sont extraites. Subséquemment vient l'interprétation des résultats d'optimisation qui a toujours été un grand défi, spécialement avec la méthode d'optimisation topologique SIMP, utilisée dans ce mémoire. Ici, une approche innovante est présentée qui permet de déterminer le degré d'exactitude d'un résultat d'optimisation topologique et donc éviter l'interprétation de résultats aux performances insatisfaisantes. De plus, comme l'interprétation avec des outils de modélisation avec éléments paramétrés comme CATIA est une étape très longue, une étape d'interprétation partielle a été ajoutée à la méthodologie. À l'aide d'un outil de conception basé sur la déformation du maillage, on est alors capable d'adoucir et de corriger les erreurs numériques d'un résultat d'optimisation. Ceci permet de réduire l'étape d'interprétation de plusieurs heures à quelques minutes. La qualification et la certification des pièces et du procédé est un élément majeur de l'intégration de la fabrication additive en aéronautique. C'est pourquoi une des études de cas sera amenée jusqu'à la qualification dans ce projet.

Abstract

This paper explores through case studies the use and integration of additive manufacturing in the aerospace industry. Additive manufacturing is the “process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies such as machining” [3]. A brief overview of the additive manufacturing industry is resented along with a literature review of a design simulation technology called topology optimization. “Topology optimization is a mathematical approach that optimizes material layout within a given design space, for a given set of loads and boundary conditions such that the resulting layout meets a prescribed set of performance targets” [4]. Manufacturing of aeronautics structures is mostly dominated by subtractive processes such as machining or by forming processes such as forging. Thus, design methodologies are not well adapted to additive methods. Therefore, a new design methodology is proposed with the use of topology optimization as a design tool to potentially minimize weight of the parts. Review of available commercial solvers is done with comprehensive insights from their maturity level and their potential. Configurations of optimization models is explored and general guidelines are extracted. Interpretation of optimization results always represented a great challenge, especially with SIMP method. An innovative approach is presented here that helps to determine if an optimization result is worth being interpreted. As well, interpreting with feature-based tools being a lengthy process, a partial interpretation step has been added in the methodology. With help of mesh-based tool from the video game industry we are now able to smooth surfaces and correct numerical discrepancies from optimization results. This helped reducing interpretation stage from hours to minutes. Qualification and certification of the parts and processes is also a major milestone in the integration of additive manufacturing in aerospace. That's why one of the design case studies will pushed into qualification in this project. A small titanium part of the primary structure in the aft of a business aircraft was designed for laser powder-based fusion. Its strength was numerically analyzed and a test campaign with 88 coupons and 18 full size parts replica was launch. Experimental results won't be presented in this report due to schedule problem.