L'incroyable évolution de l'impression 3D dans l'aérospatiale et la défense

Ils ne sont peut-être pas encore essentiels pour le matériel de vol, mais les pièces imprimées en 3D pour les avions commerciaux et militaires et les engins spatiaux facilitent la réduction du poids et des coûts des matériaux. Traduction :il y a ici un retour sur investissement pour des cas d'utilisation très spécifiques et un gain fonctionnel grâce aux économies qui sont utilisées à bon escient.

La fabrication additive a un bel avenir. Mais à quel point sera-t-il brillant pour l'industrie de l'aérospatiale et de la défense ? Nous explorons l'impact actuel des pièces imprimées en 3D et examinons certaines des limites.

Nous avons discuté avec des experts en ingénierie de 3D Systems et de 3DDirections pour savoir où vont la fabrication additive et l'impression 3D dans l'aérospatiale et la défense. Mais d'abord, regardons l'évolution de l'industrie dans cette verticale dynamique.

L'histoire de l'impression 3D et des pièces additives pour l'aérospatiale et la défense

L'industrie aérospatiale et de la défense, en particulier l'armée américaine, a été l'un des premiers à adopter les pièces imprimées en 3D, mais principalement pour les tests et la simulation, car les cotes de feu et de toxicité des plastiques n'étaient pas à la hauteur des métaux pour le vol, à la fois dans l'espace et au-dessus. les nuages.

Ces pièces de test étaient principalement utilisées dans les drones et les satellites, explique Bryan Newbrite, ingénieur d'application chez 3D Systems. Entre 2008 et 2013, des plastiques fabriqués avec des additifs comme Bluestone ont été utilisés pour tester des éléments tels que des souffleries et des pièces de conduits, mais des résines céramiques ont également été utilisées pour des simulations.

Ces cas d'utilisation étaient bons pour imiter le flux du vent. Ces parties n'ont jamais été utilisées avec des humains. Avant cette époque, au milieu des années 1990, certaines pièces 3D étaient utilisées pour des moulages rapides.

Les choses ont commencé à changer entre 2007 et 2013.

"Le plus grand changement dans le secteur aérospatial a été en fait le développement du frittage sélectif au laser ignifuge", déclare Newbrite. "C'est l'une des rares choses que vous avez commencé à trouver dans l'aviation commerciale... En gros, il fallait du nylon 12 ou du nylon 11 et y ajouter des retardateurs de flamme pour qu'il passe les tests de flamme."

C'était important car cela signifiait que le matériau pouvait retenir une certaine chaleur sans prendre feu et s'éteindre rapidement sans dégager de fumées toxiques.

Il a d'abord été utilisé dans les satellites. La raison principale? Retour sur investissement.

"Il en coûte 40 000 à 50 000 dollars par kilogramme pour mettre un satellite géostationnaire", explique Newbrite. "Donc, si vous pouvez concevoir un support structurel ou un élément interne d'un satellite et gagner quelques kilogrammes, eh bien, le coût supplémentaire réel de devoir le construire à partir d'un additif est plus que pris en charge."

Un moment charnière dans l'histoire de l'impression 3D dans l'aérospatiale :l'injecteur de carburant du moteur LEAP de GE

L'une des pièces additives les plus remarquables fabriquées pour l'aviation commerciale était une buse de carburant imprimée en 3D par GE, pour le moteur LEAP. C'est un brillant exemple de la façon dont les efforts de recherche et développement portent leurs fruits et attirent beaucoup d'attention pour l'innovation.

"La façon dont GE a réussi dans ce projet, c'est qu'ils n'ont eu qu'à utiliser la force brute pour y arriver, ce qui signifie qu'ils ont construit des milliers et des milliers de ces buses afin de pouvoir les qualifier de pièces viables pouvant être imprimées, " explique Chris Barrett, président et fondateur de 3DDirections, consultant en fabrication additive et expert en ingénierie mécanique.

Barrett travaille pour Universal Technology Corporation en tant que chercheur scientifique et est titulaire d'un doctorat. candidat à la Youngstown State University dans l'Ohio.

"La façon dont ils devaient le faire auparavant consistait essentiellement en des tonnes de couches de papier d'aluminium de différents types écrasées ensemble", explique Barrett. "Et c'était la seule façon pour eux d'obtenir la complexité dont ils avaient besoin. Pour la version 3D, il a utilisé la même approche en couches, mais en le faisant manuellement. »

Selon GE, les buses imprimées en 3D sont "cinq fois plus durables que le modèle précédent" et l'approche additive "a permis aux ingénieurs d'utiliser une conception plus simple qui a réduit le nombre de brasages et de soudures de 25 à seulement cinq".

Un thème commun de l'impression 3D et de la fabrication additive :la réduction des pièces, des étapes ou du poids

Barrett et Newbrite soulignent que la plupart des pièces imprimées en 3D pour l'aérospatiale et la défense ne sont pas critiques pour le vol aujourd'hui. Malgré l'incursion de GE avec les injecteurs de carburant, la production à grand volume est un problème.

"Avec le temps, je suis sûr que les technologies et les approches additives rattraperont leur retard", déclare Newbrite. "Mais en termes de coûts, vous n'en voyez vraiment pas une tonne en ce moment en production. Les gros avions commerciaux sont devenus très performants. Vraiment, la plupart des cas d'utilisation à l'heure actuelle sont fortement axés sur l'armée, les drones, les avions sans pilote et les satellites, où le poids compte vraiment. »

Les méthodes de fabrication traditionnelles avec des machines CNC avancées et de précision continueront de dominer l'industrie car elles restent les plus rentables.

"C'est généralement 10 à 100 fois plus cher que le traditionnel", explique Barrett. "Donc, il doit montrer une amélioration de 10 à 100 fois en tant que pièce à la fin de la journée."

Pourtant, certaines applications sont utilisées aujourd'hui et bien d'autres sont en cours d'évaluation. Les grands équipementiers commerciaux et de défense, dont Boeing, Airbus, Honeywell, GE et Lockheed Martin, investissent massivement dans la recherche sur la fabrication additive.

Barrett mentionne un autre projet de R&D de GE qui tentait d'imprimer la plupart des pièces d'un moteur d'avion (un turbopropulseur avancé, ou ATP) et qui a réussi en utilisant des superalliages de titane.

"GE a pris un moteur composé de 855 pièces et l'a réduit à environ 12", explique Barrett. "Ils ont pu réduire le poids du moteur de 100 livres et augmenter le rendement énergétique de 20 %."

Découvrez tous les composants imprimés en 3D du moteur ATP de GE. Source :GE

La réduction de poids a également permis une augmentation de 10% de la puissance par rapport à son prédécesseur. Ce moteur devrait entrer en production pour l'avion Cessna Denali de Textron Aviation.

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Impression 3D pour l'aérospatiale et la défense : MRO et pièces de rechange 

L'un des cas d'utilisation les plus intéressants de l'impression 3D est la fabrication de pièces de rechange pour les avions hérités, comme ceux que l'on trouve sur les C-130 et les B-52. Les avions sont plus anciens mais sont toujours utilisés pour le transport de marchandises et de troupes, et leurs pièces deviennent de plus en plus difficiles à remplacer, explique Barrett.

Le problème? Les avions peuvent être immobilisés pendant de longues périodes, parfois pendant plusieurs années en raison d'un manque de pièces de rechange. Certains de ces avions datent de 50 ans et les entreprises ne fabriquent plus de pièces pour eux ou ont cessé leurs activités. Les entreprises désireuses de fabriquer des pièces de rechange peuvent mettre des années à les terminer.

"Lorsque nous avons commencé nos recherches, nous avons constaté que certaines de ces pièces, parce qu'elles étaient assises dans l'avion et qu'elles avaient été battues pendant tant de décennies, se sont étirées et déformées à mesure que l'avion s'est étiré et déformé", a déclaré Barrett. "Donc, chaque partie est un peu différente, car le virage à 90 degrés en ce moment n'est plus de 90 degrés, il pourrait être de 85 degrés. Eh bien, je ne peux pas fabriquer un seul moule qui tient compte de toutes ces différences. C'est donc un étui parfait pour l'impression 3D. »

Des entreprises comme 3D Systems et d'autres peuvent fabriquer des pièces personnalisées pour chaque plan en amenant des scanners 3D sur un plan, en créant des fichiers numériques et en imprimant chaque pièce sur mesure pour s'adapter à la forme et à la géométrie de cette pièce dans son état actuel.

Découvrez les MRO et les pièces de rechange fabriquées pour les anciens avions militaires. Source :Systèmes 3D

Ce projet de pièces de rechange héritées implique un certain nombre d'organisations publiques et privées dans le cadre d'une initiative appelée Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, ou MAMLS, qui est financée par l'Air Force Research Laboratory.

Un fabricant qui a fait des percées avec les avions C-130 est Metro Aerospace, une entreprise présentée sur Better MRO au Salon international des technologies de fabrication 2018. Metro Aerospace a livré des pièces de microvanes à l'armée. Les microvanes sont faites d'un composite polymère léger, non corrosif et durable qui comprend des perles de verre et de nylon.

Lisez tout sur les défis et le succès de la production de Metro Aerospace dans l'article " Comment commercialiser une pièce imprimée en 3D dans l'aérospatiale ."

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