Fabrication additive laser fil Réalisation d’un auget de roue Pelton

A la fin du 19^ème siècle, la première centrale hydraulique a été mise en service avec pour vocation de transformer l’énergie potentielle de l’eau en énergie électrique. Depuis lors, ce moyen de production s’est largement développé pour devenir aujourd’hui la première source d’électricité renouvelable.

La turbine hydraulique est à la centrale hydroélectrique ce que le cœur est à l’Homme. Parmi les différents types de turbines existantes, on y retrouve la turbine Pelton, dont la roue à augets permet de mettre en rotation l’axe de l’alternateur sous l’action de l’eau. (Photo 1 : Turbine hydraulique de type Pelton). Les augets constituent la partie la plus sollicitée et la plus importante de cette turbine, leur forme évoluée sépare le jet d’eau et le dévie sur ses côtés, assurant ainsi un rendement optimal.

Mode de fabrication standard d’une roue

Il existe plusieurs méthodes pour fabriquer une roue Pelton. Dans la plupart des cas, elles sont fabriquées à partir d’un monobloc forgé puis usiné dans la masse, impliquant une perte conséquente de matière.

Pour les roues de plus grandes dimensions, les augets sont obtenus par moulage puis assemblés par soudage au moyeu central. Cette technique réduit les pertes en matière première, mais complexifie la fabrication de la roue Pelton car son équilibrage dépend de la précision d’assemblage des augets.

La fabrication additive pour repenser la construction des roues Pelton

En émergence depuis plusieurs années, l’impression métallique 3D se démocratise dans l’industrie. Ces nouvelles technologies sont nées d’une évolution des procédés de soudage (laser, arc, etc.) pour permettre la fabrication de pièces et de géométries complexes, par ajout de matière, au plus proche des dimensions souhaitées. La qualité métallurgique est bien souvent supérieure aux techniques traditionnelles de fabrication. Cette nouvelle manière de produire change la donne car elle permet aux industriels de gagner en compétitivité en réduisant drastiquement les couts et délais de production, mais également de se doter d’outils de production innovants capables à la fois de produire et réparer, permettant ainsi de capter de nouveaux gisements de valeur et d’être plus résilient face aux mutations de marché.

Dans le cas de la fabrication d’une roue Pelton, la fabrication additive combinée aux techniques de fabrication classiques permet de tirer avantageusement partie de leurs atouts respectifs tout en s’affranchissant de leurs inconvénients respectifs. Il est désormais possible de fabriquer une roue Pelton à la demande, à partir d’un disque forgé, par l’ajout direct de fonctions « augets », couches par couches, au plus proche des surfaces finales, sans problème d’accessibilité et avec la juste quantité de matière nécessaire. C’est ainsi qu’en 2019, le site de fabrication de ANDRITZ Hydro, basé en Allemagne à Ravensburg, a fabriqué une roue Pelton d’un diamètre de 5020mm, en utilisant leur technologie MicroGuss^™ basée sur le procédé arc-fil (WAAM) pour l’ajout des augets.

Réalisation d’un démonstrateur

IREPA LASER et Welding Alloys ont allié leurs connaissances et compétences pour réaliser un auget avec la technologie laser-fil (WLAM) commercialisée AMFREE. (Photo 2 : Vue d’ensemble de l’Auget Pelton)

Un modèle 3D a été construit par rétroconception à partir d’un nuage de point issu du scan 3D d’un auget Pelton existant. Les équipes d’IREPA LASER ont alors pu générer un modèle numérique des dépôts à réaliser, générer les trajectoires outil du robot et simuler la fabrication (trajectoires, thermomécanique) pour garantir une fabrication sans risques.

Fabrication chez IREPA LASER

La fabrication a été réalisée par IREPA LASER dans son usine de fabrication additive de Strasbourg. La machine utilisée est un pilote industriel représentatif des solutions de production clé en main (machine, logiciel, savoir-faire) commercialisées par AMFREE. Basée sur l’usage des données de fabrication, elle met en œuvre de manière intelligente la technologie AMFREE laser-multifils (Wire Laser Additive Manufacturing) appartenant à la famille des procédés DED (Direct Energy Deposition). La tête de dépose permet de fondre simultanément plusieurs fils métalliques afin d’augmenter la quantité de matière déposée, tout en garantissant une stabilité optimale du procédé. L’apport d’énergie est maitrisé pour permettre une fabrication sans interruption.

Pour la fabrication de cette forme complexe, chacune des couches ont été réalisées en choisissant une stratégie de contour (pour garantir le respect des surfaces extérieures), suivi d’un remplissage par balayage (pour garantir la compacité et d’excellentes propriétés mécaniques). Les données de production ont également été collectées à des fins de traçabilité. (Photo 3 : Auget Pelton en cours de fabrication utilisant tête de soudage laser multi-fil)

L’auget ainsi réalisé mesure 360mm de haut, par 340mm de large et d’une profondeur de 170mm. 14h ont été nécessaires pour délivrer cet auget de 61 kg avec des taux de dépôt moyens compris entre 5 et 6 kg/h, pour un fil fourré métallique de diamètre 1,2mm. De récents développements en cours d’implémentation permettent d’ores et déjà de dépasser les 8 kg/h, avec des fils fourrés.

Succès du fil Welding Alloys

Les augets standards sont fabriqués en acier inoxydable martensitique avec 13% de Chrome et 4% de Nickel. Welding Alloys propose différents produits d’apport sur cette gamme en fonction de l’application : fil fourré à poudre métallique, à laitier rutile pour souder en position ou à laitier basique pour atteindre des résiliences exceptionnelles.

Pour cette application, le fil fourré à poudre métallique CHROMECORE M 410NiMo-G en diamètre 1,2 mm a été sélectionné pour assurer un dépôt résistant aux sollicitations mécaniques, à la cavitation, à l’abrasion modérée et à la corrosion.

L’utilisation de fils fourrés offre de nombreux avantages pour la fabrication additive :

• Le fil fourré est composé d’une enveloppe tubulaire remplie de poudres métalliques, donnant la possibilité d’ajuster sa chimie au dépôt recherché.
• La fabrication des fils fourrés offre une grande amplitude en termes de taille de lot, allant de la bobine unique de 15 kg jusqu’à plusieurs tonnes pour répondre aux critères attendus.
• L’utilisation d’un fil fourré permet de gagner en productivité car l’enveloppe d’un fil fourré fond plus rapidement qu’un fil massif.
• La fusion douce de ce fil n’entraine pas de projections et le dépôt ne présente pas de résidus. La qualité de dévidage de ce fil moins rigide est optimale.

Dans le cas de sollicitations extrêmes et donc d’usure prématurée, il est tout à fait possible de réaliser un ajout de fonction sur la face interne de l’auget en utilisant le fil CAVITALLOY.

Ce fil de rechargement dur dépose un alliage austénitique au Chrome, Cobalt, Manganèse et Silicium dopé à l’azote, spécialement développé pour résister à la cavitation et à l’érosion.

Par l’usage de fils fourrés de haute technicité Welding Alloys combiné aux solutions de fabrication laser-fil AMFREE, l’industrie Européenne se dote de nouveaux moyens uniques et innovants pour transformer l’outil industriel hydroélectrique, faire face aux mutations de marché, préserver l’emploi, les marges et la compétitivité, tout en agissant concrètement pour une production plus durable et responsable.

Regarder la vidéo de la fabrication d’auget