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L'industrie aérospatiale innove avec l'impression 3D

L'industrie aérospatiale innove avec l'impression 3D


« Notre objectif avec ce projet a été de montrer à l'industrie aérospatiale à quelle vitesse on peut passer de la conception et de la construction au pilotage d'un avion à réaction imprimé en 3D. »

Dan Campbell, Aurora Flight Sciences

Aurora Flight Sciences, basé à Manassas en Virginie, développe des véhicules aériens sans pilote (UAV) pour les marchés civils et militaires depuis près de trois décennies. Cependant, avec l'évolution des besoins et des exigences des clients, son centre de recherche et développement fait a adopté la technologie d'impression 3D Stratasys pour les pièces de production et l'outillage afin d'aider à apporter de nouvelles innovations aux aéronefs sans pilote. Récemment, les ingénieurs d'Aurora et de Stratasys se sont lancés dans un projet ambitieux : construire un avion piloté à distance à propulsion par poussée, à vecteur de poussée et à corps d'aile mixte.

« Personne n'a jamais rien fait de tel », a déclaré James Berlin, ingénieur de recherche en fabrication additive chez Stratasys.

« Pour nous, c’était comme aller vers l'inconnu. Nous voulions repousser ces matériaux et processus additifs pour trouver de nouvelles limites. »

C'est l'utilisation d'un moteur à réaction de 22 lbf (98N) et d'un mécanisme de vecteur de poussée qui aiderait à y arriver en raison de la vitesse élevée et de la manœuvrabilité qu'il offrirait à l'avion. « Il y a toujours la stigmatisation que l'impression 3D est une technologie de prototypage », explique Berlin. « Mais ce n'est pas un modèle de bureau qui se cassera si vous le touchez. C'est un jet de 150 mph. »

Liberté de conception pour l'innovation aéronautique

Un avantage inhérent de l'impression 3D Stratasys est la possibilité de concevoir au-delà de la géométrie de surface. Alors que la conception des structures internes atteint aujourd’hui un niveau de liberté de conception beaucoup plus élevé, il peut être plus complexe de lancer des structures d'ingénierie pour l'aérospatiale.

La collaboration avec Stratasys sur cette conception a permis à Aurora d'utiliser l'optimisation de la topologie, une approche basée sur la physique qui reproduit des structures complexes trouvées dans la nature, et qui montre où les matériaux internes sont inutiles tout en optimisant la structure pour une application donnée. Pour Aurora, la technologie de fabrication additive de Stratasys a fourni à l'équipe l’optimisation de conception permettant de réaliser une conception avec une structure rigide et légère, tout en permettant le développement à moindre coût d'un avion personnalisé et spécifique à la mission. De plus, la possibilité de consolider des assemblages en composants uniques permet aux conceptions complexes de devenir des solutions élégantes et simples. Un exemple sur cet avion est le réservoir à carburant qui combine plusieurs composants avec des tubes imprimés à l'intérieur et à l'extérieur, des supports qui se fixent 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 très précisément le centre de gravité, un paramètre clé pour les avions à corps mixte.

Dan Campbell, ingénieur de recherche chez Aurora Flight Sciences, a déclaré : « Tout changement dans la conception cause des problèmes au centre de gravité. Cependant, puisque le processus additif peut facilement contrôler là où le matériau est placé et où il ne l’est pas, les conceptions itératives ont un impact minimal ailleurs sur l’avion. » Le temps de construction de cet avion a été réduit de moitié grâce à l'utilisation des technologies de fabrication additive. L'élimination du besoin d'outillage a permis de réduire considérablement les délais de livraison. L'équipe principale composée de six ingénieurs a utilisé GrabCAD, une solution de collaboration Stratasys qui aide les équipes d'ingénierie à gérer, visualiser et partager des fichiers CAO pour coordonner le projet. Cela a aidé les deux sociétés, à deux endroits différents, à concevoir et produire l'avion dans un court laps de temps. Le logiciel agit presque comme un site de réseaux sociaux, surveillant les révisions, permettant la messagerie et agissant comme un référentiel pour les documents d'ingénierie de travail tels que la nomenclature.

Impression 3D de pièces prêtes à voler

Les principales parties de l'avion comprennent :

  • Deux winglets
  • Fuselage
  • Module de charge utile
  • Réservoir de carburant
  • Mécanisme de vecteur de poussée

Il a une envergure de 9,5 pi (2,9 m) et un poids de cellule de seulement 14 lb (6,4 kg). Il est constitué de 34 composants au total, dont 26 ont été imprimés en 3D et représentent environ 80% de la cellule de l'avion en poids. En utilisant les imprimantes 3D Stratasys Fortus, les ailes et le fuselage ont été fabriqués en thermoplastique ASA, pour obtenir la résistance et la rigidité nécessaires, mais avec une faible densité.

 

Prêt pour le décollage

L'équipe était confiante alors qu'elle se rendait dans les marais salants pour tester l'avion. Cependant, elle n'était pas préparée pour les montagnes russes émotionnelles à venir. Alors qu'ils commençaient à travailler sur l'assemblage final des composants sur place, les nerfs ont commencé à se déclencher. Mais une fois que l'avion à réaction imprimé en 3D a décollé, une nouvelle réaction s'est ensuivie.

« La raison pour laquelle nous savons que le vol est encore magique est que chaque fois qu'un avion décolle pour la première fois, quelqu'un 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 était incroyable. » À mesure que de plus en plus d'entreprises aérospatiales adoptent la technologie des pièces et des outils de production, les solutions d'impression 3D Stratasys aideront de plus en plus les clients à façonner des avions avec et sans pilote pour des applications civiles et militaires, des structures tertiaires aux structures secondaires et même primaires éventuellement.

« Notre objectif avec ce projet a été de montrer à l'industrie aérospatiale à quelle vitesse on peut passer de la conception et de la construction au pilotage d'un avion à réaction imprimé en 3D », a déclaré Dan.

« Il y avait beaucoup de satisfaction à le voir voler. »

 

Figure 1 : GrabCAD permet une collaboration et des itérations plus rapides lors de la conception de composants complexes et hautement fonctionnels.

Figure 2 : Conception d'aile interne, optimisation des structures internes complexes, pour alléger les avions.

Figure 3 : Avion final imprimé en 3D propulsé par jet