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Façonner l'avenir de l'aéronautique

Façonner l'avenir de l'aéronautique


Stratasys collabore avec Aurora Flight Sciences pour concevoir et développer le premier avion à réacteur au monde imprimé en 3D

Aurora Flight Sciences, situé à Manassas, en Virginie, développe des véhicules aériens sans pilote (UAV) pour les marchés civil et militaire depuis près de trois décennies. Compte tenu des besoins croissants et des exigences des clients, son centre de recherche et de développement utilise plus fréquemment la technologie d’impression 3D Stratasys® pour les outils et pièces de production permettant d’apporter encore plus d’innovations aux vols sans pilote.

Les ingénieurs d’Aurora et de Stratasys se sont récemment lancés dans un projet ambitieux : créer un avion à réaction, à poussée vectorielle, à fuselage intégré et piloté à distance.

“Personne n’a jamais fait un tel exploit”, a déclaré James Berlin, ingénieur recherche fabrication additive chez Stratasys. «Pour nous, c'était comme aller vers l'inconnu. Nous voulions repousser les limites de ces matériaux et processus additifs afin de trouver de nouvelles limites. "

C’est le cas d’un moteur à réaction  22lbf (98N) et d’un mécanisme de vectorisation de poussée qui ont été utilisés afin de contribuer à repousser les limites en raison de la vitesse élevée et de la maniabilité qu’ils offriraient à l’avion.

«Il y a encore le stigmate que l'impression 3D reste une technologie de prototypage», déclare Berlin.

"Toutefois, il ne s’agit pas d’un modèle de bureau qui va casser si vous le touchez. C’est un engin qui vole à 150 mph."

La liberté de conception au profit de l'innovation aéronautique

Un avantage lié à l’utilisation de l’impression 3D de Stratasys est la possibilité de concevoir au-delà de la géométrie de surface. Bien que la conception des structures internes soit désormais soumise à une plus grande liberté de conception, introduire l’ingénierie des structures dans l’aéronautique peut s'avérer plus complexe. Collaborer avec Stratasys sur la conception a permis à Aurora d’utiliser l'optimisation topologique, une approche basée sur la physique, pour répliquer les structures complexes trouvées dans la nature, savoir où un matériau interne est inutile et optimiser la structure pour une application donnée.

Pour Aurora, la technologie de fabrication additive de Stratasys a permis à l’équipe d’optimiser son design de manière à produire une structure rigide et légère, tout en permettant le développement à moindre coût d’un avion personnalisé et adapté à une mission spécifique.

Par ailleurs, la possibilité de consolider des sous-ensembles en un seul composant permet de convertir des conceptions complexes en solutions élégantes et simples. Un exemple sur cet avion est le réservoir de carburant qui combine plusieurs composants dont un tube imprimé à l’intérieur et à l’extérieur, des supports fixés au filtre à carburant et à la pompe à carburant, ainsi que de petites pinces pour fixer les conduits du carburant.

Cette liberté de conception a permis aux ingénieurs de positionner avec précision le centre de gravité, un paramètre clé pour les aéronefs à fuselage intégré.

Dan Campbell, ingénieur de recherche chez Aurora Flight Sciences, a déclaré: «Tout changement dans la conception pose des problèmes sur le centre de gravité. Néanmoins, comme le processus additif permet de contrôler facilement l’endroit où le matériau sera déposé, les conceptions itératives ont un impact minimal ailleurs sur l’avion. »

Le temps de construction de cet avion a été réduit de moitié en utilisant les technologies de fabrication additive. L'élimination du besoin d'outillage a permis de réduire considérablement les délais de traitement.

L'équipe de base, composée de six ingénieurs, a utilisé GrabCAD, une solution de collaboration Stratasys qui aide les équipes d'ingénierie à gérer, afficher et partager des fichiers CAO, afin de coordonner le projet. Cela a aidé les deux sociétés, à deux endroits différents, à concevoir et à produire l'avion dans un court laps de temps. Le logiciel agit presque comme un site de réseaux sociaux, permettant de surveiller les révisions, de faire de la messagerie et de servir de référentiel pour des documents techniques tels que la nomenclature.

 

Impression 3D de pièces prêtes à voler

Les principaux composant de l'avion comprennent :

  • deux winglets
  • deux ailes
  • le fuselage
  • le module de charge utile
  • le réservoir d'essence
  • le mécanisme de vectorisation de poussée

Il a une envergure de 9,5 pieds (2,9 m) et un poids de seulement 6,4 kg (14 lb). Il comprend 34 composants au total, dont 26 ont été imprimés en 3D et représentent environ 80% du poids de l'avion.

L’équipe a fabriqué les ailes et le fuselage sur des imprimantes 3D Stratasys Fortus®. Ils ont été construits en thermoplastique ASA afin d’obtenir la résistance et la rigidité requises pour ce type de composants, cependant avec une faible densité.

 L’équipe a également tiré parti de Stratasys Direct Manufacturing, un centre de fabrication sur mesure proposant une multitude de technologies de fabrication additive et presque tous les matériaux actuellement disponibles. Le réservoir de carburant a été fabriqué en utilisant la technique de frittage laser (LS) en nylon. Le revêtement du conduit d'échappement, quant à lui, a été imprimé en 3D avec du thermoplastique ULTEMTM 1010 et le conduit de vectorisation de poussée a été créé par le biais du frittage laser direct (DMLS) avec de l’INCONEL® 718. Ce matériau est nécessaire en raison des températures élevées qui sortent de l’échappement, pouvant aller jusqu'à 1300 °F (700 °C).

Prêt à décoller ?

L’équipe était confiante quand elle se rendait dans les salines pour tester l’avion. Toutefois, elle ne n’était pas préparée à vivre des tourbillons d’émotions. Quand ils ont commencé à travailler sur l'assemblage final des composants sur le site, les nerfs ont commencé à monter. Mais une fois que l'avion à réaction imprimé en 3D a décollé, une nouvelle émotion s'est ensuivie.

« La raison pour laquelle on dit que voler est magique, est lorsqu’un avion décolle pour la première fois. Quelqu'un m’a dit ‘je ne peux pas croire qu'il vole’ », a déclaré Dan. «Ce fut un moment magique. J'adore les moteurs à réaction et voir un avion à réaction imprimé en 3D voler était tout simplement incroyable. »

Etant donné que de plus en plus de sociétés aérospatiales adoptent la technologie pour la production de pièces et d’outillage, les solutions d’impression 3D de Stratasys aideront davantage les clients à concevoir des avions avec ou sans pilote pour des applications civiles et militaires, des structures tertiaires aux installations secondaires, voire même primaires.

«Notre objectif avec ce projet était de montrer à l'industrie aérospatiale avec quelle vitesse il est possible de passer de la conception et de la construction à la conduite d'un avion à réaction imprimé en 3D», a déclaré Dan. « Il y avait beaucoup de satisfaction à le voir voler. »

 

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