Impression 3D pour pièces de turbine : accélérer le développement, la performance et la durabilité

L'impression 3D transforme le prototypage, la production et la maintenance dans la fabrication de turbomachines.

La technologie offre une alternative puissante au moulage et à l'usinage pour une large gamme de composants de turbomachinerie.

Dans ce Projecteur Application de la semaine, nous examinons les bénéfices tangibles de l'impression 3D dans la fabrication de turbomachines et présentons des exemples réels convaincants.

Autres applications couvertes dans cette série :

• Impression 3D pour échangeurs de chaleur
• Impression 3D pour roulements
• Impression 3D pour fabrication de vélos
• Impression 3D pour dentisterie numérique & fabrication d'aligneurs transparents
• Impression 3D pour implants médicaux
• Fusées imprimées en 3D et avenir de la fabrication spatiale
• Impression 3D pour fabrication de chaussures
• Impression 3D pour composants électroniques
• Impression 3D dans l'industrie ferroviaire
• Lunettes imprimées en 3D
• Impression 3D pour production de pièces finales
• Impression 3D pour supports
• Impression 3D pour pièces de turbine
• Comment l'impression 3D permet des composants hydrauliques plus performants
• Comment l'impression 3D soutient l'innovation dans l'industrie nucléaire

Qu'est-ce qu'une turbomachine ?

Chaque système de puissance moderne — des fusées et moteurs à réaction aux éoliennes et hydroélectriques — repose sur la turbomachinerie. Une turbomachine est un dispositif rotatif où un rotor ou une roue traverse un fluide — gaz, vapeur, eau ou air — pour convertir l'énergie du fluide en puissance mécanique utilisable.

Les avantages de l'impression 3D pour la turbomachinerie

Développement produit plus rapide

L'impression 3D raccourcit dramatiquement le cycle design-prototype. Les ingénieurs n'ont plus besoin de fabriquer de l'outillage ; ils peuvent envoyer un fichier numérique directement à une imprimante, produisant une pièce fonctionnelle en heures ou jours.

Siemens a utilisé cette approche en 2017 pour développer et tester des aubes de turbine à gaz. En imprimant des prototypes, Siemens a réduit le temps de développement et validation de deux ans à seulement deux mois et est passé du test d'un seul design à l'évaluation de dix variantes dans cette période.

Comme les aubes pouvaient être testées sous de vraies conditions d'opération, Siemens a amélioré le système de refroidissement et étendu la durée de vie des aubes. L'entreprise s'attend maintenant à passer à des aubes entièrement imprimées en 3D dans les trois à cinq prochaines années.

Production plus rapide

Sulzer a combiné impression 3D métal et usinage pour créer des impulseurs fermés — un composant critique de pompe qui accélère le fluide pour générer de la pression.

Le moulage traditionnel d'un impulseur fermé peut produire des défauts de surface et prendre jusqu'à 35 jours. Le procédé hybride de Sulzer — fraisage 5 axes d'un bloc forgé suivi de Dépôt Métal Laser (LMD) — produit une pièce complète en environ 48 heures.

Flexibilité de design

L'impression 3D permet la consolidation de composants, réduisant les étapes d'assemblage et augmentant la résistance. Siemens a réinventé un tourbillonneur de carburant de turbine à gaz de dix pièces moulées et usinées en une seule pièce fabriquée par addition.

Le tourbillonneur redessiné — fait d'un alliage Inconel à renforcement par solution — tient dans une seule construction de fusion sur lit de poudre quad-laser EOS M 400-4 qui produit 16 unités par run en jusqu'à 100 heures.

Réparation plus rapide

La Fusion Laser Sélective (SLM) et le LMD rationalisent aussi la réparation de pièces usées. Siemens a été pionnier d'une réparation d'embout de brûleur par SLM qui ne taille que la zone endommagée et reconstruit l'embout couche par couche.

Le processus réduit le temps de réparation de 90 %, et depuis 2013 Siemens a réparé plus de 2 000 brûleurs. Siemens utilise aussi le LMD pour remplacer aubes et ailettes, éliminant le soudage traditionnel.

L'impression 3D — le futur de la turbomachinerie ?

La fabrication additive accélère le développement produit, améliore la performance des composants et raccourcit les cycles de réparation. La prochaine frontière réside dans les capteurs intégrés : Optomec a imprimé des capteurs de contrainte directement sur des aubes de turbine avec sa technologie Aerosol Jet, permettant une surveillance structurelle en temps réel.

GE, Oak Ridge National Laboratory et PARC (propriété de Xerox) ont obtenu 1,3 million de dollars pour réduire le calendrier design-et-validation pour composants de turbine imprimés en 3D jusqu'à 65 %. L'objectif est une pièce sans défaut, haute performance, multi-fonctionnelle qui résiste aux températures et contraintes extrêmes.

Bien que l'impression 3D pour la turbomachinerie soit encore émergente, son élan est indéniable. Alors que les fabricants poursuivent durabilité et efficacité, la fabrication additive deviendra intégrale aux futurs designs de turbines.