La fabrication additive améliore la flexibilité et l'efficacité pour les grandes structures marines

La capacité de construire rapidement différentes itérations de pièces - sans avoir à développer ou acheter des outillages dédiés coûteux - est la raison pour laquelle la fabrication additive (AM) est si souvent utilisée dans le prototypage de pièces. Cependant, à mesure que les matériaux et les technologies d'impression continuent de s'améliorer, de plus en plus d'entreprises sont capables d'étendre la vitesse et la polyvalence de l'AM aux pièces d'utilisation finale également, particulièrement pour les applications de courte série ou uniques où la capacité de produire rapidement de nouveaux designs est un atout.

Récemment, deux entreprises ont démontré que les technologies d'AM composites peuvent être des solutions habilitantes pour la personnalisation de grandes structures marines telles que les véhicules sous-marins autonomes (AUV) et les bateaux à moteur.

 

Impression 3D grand format pour une production d'AUV personnalisable

Les véhicules sous-marins autonomes sont un type de véhicule robotique sans pilote capable de voyager sous l'eau sans connexion physique à un bateau ou contrôle à distance par un opérateur humain, et sont souvent équipés de caméras ou de capteurs pour divers cas d'utilisation dans la défense, la recherche océanique ou les applications d'étude offshore. Typiquement, les coques extérieures des AUV comprennent soit un grand récipient sous pression en métal, soit elles sont construites en plastique thermoformé ou en composites. Les deux options, cependant, nécessitent le développement et l'achat d'outillages dédiés, ce qui peut être cher et limite la quantité de personnalisation qui peut être accommodée pour les clients d'AUV. Le fabricant d'AUV Dive Technologies (Quincy, Mass., États-Unis) a découvert que l'impression 3D composite résout beaucoup des limitations de la fabrication traditionnelle.

En 2018, les co-fondateurs de Dive Technologies, Bill Lebo, Jerry Sgobbo et Sam Russo, ont décidé de former leur propre entreprise pour concevoir et lancer un nouvel AUV plus performant qui répond aux demandes des clients pour une longue endurance et une grande capacité de charge utile.

Ce qu'ils et leur équipe ont développé est le DIVE-LD, un AUV commercial de 19 pieds de long, 4 pieds de diamètre, capable de plonger à 6 000 mètres et de parcourir jusqu'à 500 miles, transportant une charge utile allant jusqu'à 1 mètre cube. À l'origine, l'équipe supposait que la structure finale pour son véhicule utiliserait des plastiques thermoformés pour la coque extérieure. Pour explorer et tester le design, Dive Technologies a parlé au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tenn., États-Unis) de l'utilisation de l'impression 3D pour le prototypage rapide. Par l'ORNL, l'équipe de Dive a été présentée au spécialiste de la fabrication additive grand format (LFAM) Additive Engineering Solutions (AES, Akron, Ohio, États-Unis), et a commencé à travailler avec l'équipe d'AES sur un processus de fabrication pour les formes de coque de son AUV.

Au cours du travail sur les prototypes imprimés en 3D, cependant, Dive Technologies a réalisé le potentiel de la LFAM pour produire rapidement des composants finis, pas seulement des prototypes. Non seulement les composants de prototypes imprimés en 3D répondaient mieux que prévu aux exigences des pièces, mais l'adoption de l'AM pour les véhicules de production permettrait aussi d'économiser les coûts d'outillage, de permettre à Dive de produire des produits finis plus rapidement qu'en utilisant des méthodes traditionnelles et de permettre un nouveau niveau plus élevé de personnalisation rapide pour les clients.

La coque extérieure du DIVE-LD comprend neuf carénages en forme de tube imprimés en utilisant l'une des quatre imprimantes 3D Big Area Additive Manufacturing (BAAM) de Cincinnati Inc. (Cincinnati, Ohio, États-Unis) d'AES. Ces carénages sont imprimés en ABS chargé en fibres coupées fourni par Sabic (Riyad, Arabie saoudite). Selon le co-fondateur et VP d'AES, Andrew Bader, AES peut imprimer toutes les pièces pour une coque complète en moins de deux jours. Une fois livrées à Dive, les carénages imprimés en 3D sont fixés mécaniquement à l'aide de quatre fixations par carénage, et revêtus pour produire une surface extérieure lisse et hydrodynamique. Suite à des tests initiaux réussis en 2020, Dive construit les premiers véhicules clients ce printemps et livrera la première commande en juin 2021.

Selon Russo, l'AM est devenue une partie centrale de la proposition de valeur de Dive Technologies pour les futurs véhicules et produits. Le partenariat avec Dive est une grande étape pour AES et l'impression 3D composite, aussi. Bader ajoute : « Habituellement, quand les gens pensent à l'impression 3D, ils pensent aux prototypes, fixations et outillages, donc cela montre ce dont l'impression 3D est aussi capable. »

Pour en savoir plus sur Dive Technologies et AES, lisez « L'impression 3D grand format permet une production sans outillage, rapide pour les AUV. »

 

AM à fibres continues et automatisation pour un design de bateau à moteur polyvalent

Depuis le brevetage de son processus de fabrication à fibres continues (CFM) en 2015, Moi Composites (Milan, Italie) a exploré une gamme d'applications pour sa technologie d'impression 3D à dépôt continu de fibres CFM basée sur le dépôt. Les marques de CFM incluent le logiciel de conception personnalisé de Moi Composites, l'utilisation de bras robotiques, le durcissement UV et la fabrication « hybride » - plus de stratification composite traditionnelle sur un noyau structurel imprimé en 3D. Récemment, l'entreprise a démontré sa technologie CFM comme solution pour un design de structures marines plus rentable, plus rapide et plus innovant, à travers un bateau à moteur démonstrateur appelé MAMBO.

 

Selon Gabriele Natale, co-fondateur de Moi Composites, lui et son co-fondateur Michele Tonizzo ont assisté au Salon nautique de Gênes en 2017 et ont réalisé que les coûts d'outillage et les processus traditionnels d'infusion de fibre de verre utilisés pour de nombreuses coques de bateaux limitent la capacité des concepteurs de bateaux à explorer de nouveaux designs plus complexes. Reconnaissant que leur technologie d'impression 3D à fibres continues sans moule pourrait être une solution habilitante, Natale dit : « À partir de là, nous avons commencé à développer un plan, et avons commencé à rencontrer des partenaires au sein de l'industrie marine. »

Le bateau MAMBO résultant fait 6,5 mètres de long x 2,5 mètres de large, avec un poids à sec d'environ 800 kilogrammes, équipé d'un système de navigation, d'un plancher en liège, de sièges en cuir blanc et d'un moteur de 115 chevaux. Moi Composites a travaillé avec le studio d'ingénierie de design naval MICAD (Lecce, Italie) sur le concept de design structurel pour le bateau, qui combine des formes organiques dans ses éléments structurels inspirés par le célèbre catamaran Arcidiavolo de Sonny Levi. Autodesk (San Rafael, Californie, États-Unis) Fusion 360 CAD et le logiciel de fabrication additive NETFABB ont été utilisés dans la conception et l'analyse de dynamique des fluides des composants.

La coque et le pont du bateau, imprimés en verre E unidirectionnel fourni par Owens Corning (Toledo, Ohio, États-Unis) et résine vinylester, ont été conçus pour être fabriqués en 50 sections individuelles de tailles variables. La moitié des sections ont été imprimées à l'installation de Milan de Moi Composites, et l'autre moitié à l'installation de fabrication avancée (ACF) de Birmingham, Royaume-Uni, du partenaire Autodesk. La technologie d'impression 3D CFM de Moi Composites et les robots Kuka (Augsbourg, Allemagne) doubles ont été utilisés dans les deux installations. Selon Dominique Müller, responsable de recherche sur l'équipe de fabrication additive d'Autodesk, le système CFM au centre technologique d'Autodesk a permis d'imprimer le bateau rapidement, et a aussi permis à Autodesk de mieux connaître la technologie que Moi pilotait à distance en utilisant le logiciel Autodesk. Le temps d'impression total pour tous les composants était d'environ deux mois.

Les pièces imprimées ont été expédiées au chantier naval Catmarine à Miggiano, Italie, où elles ont été assemblées et collées adhésivement. Dans un processus de fabrication hybride similaire à ce que Moi a utilisé avec les prothèses et d'autres pièces, la coque entière a ensuite été stratifiée via drapage manuel avec une couche supplémentaire de fibre de verre/polyester chargée de mousse PVC, qui, dit Natale, varie en épaisseur le long de la structure. Après que la coque et le pont ont été entièrement assemblés, poncés et gel-coatés, les partenaires de Moi Composites ont équipé le bateau de propulsion, navigation et autres systèmes pour compléter le bateau.

Des essais en mer initiaux et des tests de stabilité ont été effectués à l'automne 2020, avec MAMBO atteignant jusqu'à 26 nœuds ; Moi Composites prévoit de continuer les essais en mer en été 2021 en vue de la certification du bateau.

« La fabrication additive, la numérisation et l'automatisation peuvent accélérer la création de nouveaux concepts et projets futuristes, car pour chaque bateau que vous voulez concevoir, vous devez créer un nouveau moule. En utilisant cette technologie, vous pouvez facilement modifier votre modèle 3D et l'imprimer à nouveau. C'est parfait surtout pour les bateaux de courte série ou uniques », dit Natale.

Pour plus sur MAMBO, lisez « MAMBO teste les eaux pour l'impression 3D de grandes structures marines. »