Stratasys aide à concevoir le premier avion à réaction imprimé en 3D

« Notre objectif avec ce projet était de montrer à l’industrie aérospatiale à quelle vitesse vous pouvez avancer depuis la conception et la construction au vol d’un avion à réaction imprimé 3D »
Dan Campbell, Aurora Flight Sciences

Implanté à Manassas, en Virginia, Aurora Flight Sciences a développé des véhicules aériens sans pilote pour le marché civil et militaire pendant près de trois décennies. Avec l’accroissement des demandes et des exigences des clients, son centre de recherche et de développement utilise la technologie d’impression 3D de Stratasys plus fréquemment pour les pièces de production et l’outillage afin d’apporter de nouvelles innovations dans le secteur des véhicules aériens sans pilotes.

Récemment, les ingénieurs d’Aurora et de Stratasys ont travaillé sur un projet ambitieux : construire un avion téléguidé, à turboréacteur, à poussée vectorielle et à fuselage intégré.

« Personne n’a jamais réalisé un tel exploit », a déclaré James Berlin, ingénieur recherche en fabrication additive au sein de Stratasys. « Pour nous, c’est comme aller vers l’inconnu. Nous voulions repousser les limites des matériaux et des processus additifs plus loin pour découvrir de nouvelles limites. »

C’était le cas du moteur à réaction 22lbf (98N) et du mécanisme de vectorisation de poussée. Ceux-ci ont été utilisés pour aider à repousser les limites en raison de la vitesse exceptionnelle et de la manœuvrabilité qu’ils offriraient à l’aéronef.

« Il y a encore des stigmates sur le fait que l’impression 3D soit une technologie de prototypage », dit Berlin. « Toutefois, ce n’est pas un modèle de bureau qui se briserait si vous le touchiez. C’est un engin qui va à 240 km/h. »

La liberté de conception pour favoriser l’innovation dans l’aéronautique

Un avantage inhérent à l’impression 3D de Stratasys est la capacité à 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, il est plus complexe d’introduire l’ingénierie des structures dans l’industrie aérospatiale. Collaborer avec Stratasys sur le projet a permis à Aurora d’utiliser l’optimisation topologique, une approche basée sur la physique qui consiste à reproduire des structures complexes visibles dans la nature, à montrer où le matériau interne est inutile et à optimiser la structure pour une application donnée.

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

Par ailleurs, la capacité de consolider des sous-ensembles en un seul composant permet de transformer des conceptions complexes en solutions simples et élégantes. Sur cet avion, l’exemple est le réservoir de carburant qui combine des composants multiples avec un tube imprimé à l’intérieur et à l’extérieur, des montures qui se fixent sur le filtre à carburant et 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 : « Toute modification du design provoque des problèmes sur le centre de gravité. Néanmoins, comme le processus additif permet de contrôler facilement où le matériau doit être déposé et où il ne doit pas y en avoir, les itérations de conception 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 de façon significative les délais de traitement.

L’équipe de base, composée de six ingénieurs, a utilisé GrabCAD, une solution de collaboration proposée par Stratasys qui aide les équipes d’ingénierie à gérer, visualiser et partager les fichiers CAO, pour coordonner le projet. Cela a aidé les deux entreprises, issues de deux secteurs différents, à concevoir et produire le drone dans un court laps de temps. Le logiciel fonctionne presque comme un site de réseaux sociaux, requérant des révisions, permettant de faire de la messagerie et agissant comme un lieu d’archivage des documents de travail en ingénierie comme le « Bill of materials » ou liste de pièces.

Imprimer en 3D des pièces prêtes à voler

Les principaux composants de l’aéronef comprennent :

• deux winglets
• deux sections d’ailes
• le fuselage
• le réservoir d’essence
• le mécanisme de vectorisation de poussée

L’appareil a une envergure de 2,9m et un poids de 6,4kg. Il se compose de 34 éléments au total, dont 26 ont été imprimés 3D et représentent environ 80% de la cellule de l’avion en termes de poids.

En utilisant les imprimantes 3D Fortus Stratasys, les ailes et le fuselage ont été produits avec du thermoplastique ASA pour leur offrir la force et la rigidité nécessaires ainsi qu’une faible densité.

L’équipe a également profité de la fabrication directe de Stratasys, un centre de fabrication sur mesure complet, qui propose de multiples technologies de fabrication additive et presque tous les matériaux actuellement disponibles. Le réservoir de carburant a été fabriqué en utilisant le frittage laser du nylon. Le couvercle du conduit d’évacuation a été imprimé 3D avec du thermoplastique ULTEM 1010. Le conduit de vectorisation de poussée, quant à lui, a été produit par le biais du processus de frittage laser direct de métal avec de l’INCONEL 718, lequel a été choisi en raison de la forte température qui s’échappe, allant jusqu’à 700°C.

Prêt pour le décollage

L’équipe était confiante comme elle roulait sur les marais salants pour tester l’avion. Elle ne s’était pas préparée à vivre le tourbillon émotionnel qui l’attendait devant. Comme 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 3D a fini de décoller, une nouvelle réaction s’est ensuivie.

« La raison pour laquelle nous savons que voler est encore magique, est lorsqu’un avion décolle pour la première fois, quelqu’un me dit ‘Je ne peux pas croire qu’il vole’ », a déclaré Dan. « Ce fut un moment magique. J’adore absolument les moteurs à réaction. Voir un avion à réaction imprimé 3D voler a été incroyable. »

Etant donné que de nombreuses sociétés aérospatiales ont adopté la technologie pour la production de pièces et d’outillage, les solutions d’impression 3D Stratasys aideront davantage les clients à concevoir des avions avec ou sans équipage pour des applications civiles et militaires, pour des structures œuvrant dans les secteurs tertiaire, secondaire et éventuellement primaire.

« Notre objectif avec ce projet était de montrer à l’industrie aérospatiale à quelle vitesse vous pouvez avancer depuis la conception et la construction au vol d’un avion à réaction imprimé avec une imprimante 3D professionnelle », a déclaré Dan. « Il y avait beaucoup de satisfaction dans le fait le voir voler. »