Couche par couche

Les pièces des moteurs à réaction doivent résister à des forces et à des températures stupéfiantes, et elles doivent être aussi légères que possible pour économiser du carburant. Cela signifie qu'il est complexe et coûteux de les fabriquer : les techniciens de General Electric soudent jusqu'à 20 pièces de métal distinctes pour obtenir une forme qui mélange efficacement le carburant et l'air dans un injecteur de carburant. Mais pour un nouveau moteur qui sortira l'année prochaine, GE pense avoir un meilleur moyen de fabriquer des injecteurs de carburant : en les imprimant.

Pour ce faire, un laser trace la forme de la section transversale de l'injecteur sur un lit de poudre de cobalt-chrome, fusionnant la poudre sous forme solide pour construire l'injecteur une couche ultrafine à la fois. Cela promet d'être moins cher que les méthodes de fabrication traditionnelles, et cela devrait conduire à une pièce plus légère, c'est-à-dire meilleure. Les premières pièces iront dans les moteurs à réaction, explique Prabhjot Singh, qui dirige un laboratoire chez GE qui se concentre sur l'amélioration et l'application de ce processus et d'autres processus d'impression 3D similaires. Mais, ajoute-t-il, il n'y a pas un jour où nous n'entendons pas l'une des autres divisions de GE intéressée par l'utilisation de cette technologie.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2012

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Ces innovations sont à la pointe d'un changement radical dans la technologie de fabrication qui est particulièrement attrayant dans les applications avancées comme l'aérospatiale et les voitures. Les techniques d'impression 3D ne se contenteront pas de rendre plus efficace la production de pièces existantes. Ils permettront également de produire des choses qui n'étaient même pas imaginables auparavant, comme des pièces aux formes complexes et évidées qui minimisent le poids sans sacrifier la résistance. Contrairement aux processus d'usinage, qui peuvent laisser jusqu'à 90 % du matériau sur le sol, l'impression 3D ne laisse pratiquement aucun déchet, ce qui est très important avec les métaux coûteux tels que le titane. La technologie pourrait également réduire le besoin de stocker des pièces en stock, car il est tout aussi facile d'imprimer une autre pièce - ou une version améliorée de celle-ci - 10 ans après la fabrication de la première. Un constructeur automobile recevant des rapports faisant état d'une défaillance d'un mécanisme de ceinture de sécurité pourrait avoir une version reconfigurée en route vers les concessionnaires en quelques jours.

La fabrication additive, comme on l'appelle également l'impression 3D, est apparue au milieu des années 1980 après que Charles Hull a inventé ce qu'il a appelé la stéréolithographie, dans laquelle la couche supérieure d'un bassin de résine est durcie par un laser ultraviolet. Diverses méthodes d'impression 3D sont devenues populaires auprès des ingénieurs qui souhaitent créer des prototypes de nouvelles conceptions ou fabriquer quelques pièces hautement personnalisées : ils peuvent créer un plan 3D d'une pièce dans un programme de conception assistée par ordinateur, puis obtenir un imprimante pour le recracher des heures plus tard. Ce processus évite les coûts initiaux, les longs délais et les contraintes de conception des techniques de fabrication conventionnelles à haut volume telles que le moulage par injection, le moulage et l'emboutissage. Mais la technologie n'a été adaptée qu'à un ensemble limité de matériaux, et il y a eu des questions sur le contrôle de la qualité. La construction de pièces de cette manière a également été lente : cela peut prendre un jour ou plus pour faire ce que la fabrication traditionnelle peut accomplir en quelques minutes ou heures. Pour ces raisons, l'impression 3D n'a pas été utilisée pour les très grandes séries de pièces de production.

Mais maintenant, la technologie progresse suffisamment pour les cycles de production sur des marchés de niche tels que les dispositifs médicaux. Et il est sur le point de percer dans plusieurs applications plus importantes au cours des prochaines années. Nous sommes arrivés au point où suffisamment de progrès critiques se produisent pour rendre la technologie vraiment utile dans la fabrication de pièces d'utilisation finale, déclare Tim Gornet, qui dirige le Centre de prototypage rapide de l'Université de Louisville.

Presser l'impression : Cette photo montre un ensemble de composants métalliques de moteurs à réaction imprimés chez GE.

FAIRE DES PENTES

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour imprimer un objet solide couche par couche. Lors du frittage, une fine couche de métal en poudre ou de thermoplastique est exposée à un faisceau laser ou électronique qui fusionne le matériau en un solide dans des zones désignées ; puis une nouvelle couche de poudre est posée sur le dessus et le processus répété. Les pièces peuvent également être construites avec du plastique ou du métal chauffé extrudé ou injecté à travers une buse qui se déplace pour créer la forme d'une couche, après quoi une autre couche est déposée directement sur le dessus, et ainsi de suite. Dans une autre méthode d'impression 3D, la colle est utilisée pour lier les poudres.

Les entreprises aérospatiales sont à l'avant-garde de l'adoption de cette technologie, car les avions ont souvent besoin de pièces aux géométries complexes pour répondre aux exigences délicates en matière de flux d'air et de refroidissement dans les compartiments encombrés. Environ 20 000 pièces fabriquées par frittage laser volent déjà dans des avions militaires et commerciaux fabriqués par Boeing, dont 32 composants différents pour ses avions 787 Dreamliner, selon Terry Wohlers, un consultant en fabrication spécialisé dans les procédés additifs. Ce ne sont pas des articles qui doivent être produits en série ; Boeing pourrait en fabriquer quelques centaines toute l'année. Ils ne sont pas non plus essentiels au vol ; parmi eux se trouvent des conduits d'air aux formes élaborées nécessaires au refroidissement, qui devaient auparavant être fabriqués en plusieurs pièces. Nous pouvons désormais optimiser la conception de ces pièces en termes de poids, et nous économisons du matériel et de la main-d'œuvre, déclare Mike Vander Wel, directeur du groupe de stratégie de technologie de fabrication de Boeing. En théorie, c'est la méthode de fabrication ultime pour nous. Bien que les limitations de vitesse de l'impression 3D puissent l'empêcher de produire la majorité des pièces de Boeing, dit Vander Wel, l'approche est susceptible d'être utilisée dans une proportion croissante d'entre elles.

Le principal rival de Boeing, l'European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), utilise cette technologie pour fabriquer des pièces en titane dans des satellites et espère l'utiliser pour des pièces qu'elle fabrique en plus grand volume pour les avions Airbus. Nous ne savons pas encore quelle sera l'étendue de notre utilisation de la fabrication de couches additives, mais nous ne voyons aucun obstacle, déclare Jon Meyer, qui dirige la recherche sur l'impression 3D à la division Innovation Works d'EADS à Angleterre.

À plus petite échelle : On voit ici une micro-imprimante que GE utilise pour tester de nouvelles façons de construire des choses à partir de matériaux céramiques. Les chercheurs utilisent la machine pour imprimer les transducteurs utilisés comme sondes dans les machines à ultrasons ; ils pensent que cela pourrait économiser du temps et de l'argent tout en améliorant la conception.

La division des moteurs à réaction de GE est peut-être plus proche que quiconque de la mise en production commerciale à grande échelle de pièces imprimées en 3D. En plus de l'injecteur de carburant, GE fritte également au laser du titane en formes complexes pour des bandes de quatre pieds de long collées sur le bord d'attaque des pales du ventilateur. Ces bandes dévient les débris et créent un flux d'air plus efficace. Jusqu'à présent, chacun a nécessité des dizaines d'heures de forgeage et d'usinage, au cours desquelles 50 % du titane a été perdu. En passant à l'impression 3D, l'entreprise économisera environ 25 000 $ en main-d'œuvre et en matériel dans chaque moteur, estime Todd Rockstroh, l'ingénieur-conseil de GE qui dirige l'effort. Le bord de la pale et l'injecteur de carburant commenceront à apparaître dans les moteurs dès 2013, et ils seront intégrés dans des séries de production à grande échelle par milliers d'ici à 2016.

Pendant ce temps, dit Rockstroh, la société espère gagner en flexibilité de conception en utilisant l'impression 3D pour plus de pièces. Lorsqu'il a récemment découvert qu'une tige de l'injecteur de carburant était soumise à des niveaux excessifs de stress thermique, une version repensée est sortie de l'imprimante en une semaine. Avant, nous aurions dû reconcevoir 20 pièces différentes, avec tout l'outillage associé, explique Rockstroh. Cela n'aurait peut-être même pas été possible. Et l'utilisation de l'impression 3D pour onduler l'intérieur de certaines pièces peut réduire leur poids jusqu'à 70 %, ce qui peut faire économiser à une compagnie aérienne des millions de gallons de carburant chaque année. Cette perspective a poussé GE à rechercher des moyens d'imprimer tout, des carters de boîte de vitesses aux mécanismes de contrôle. Nous allons lancer une grande chasse au trésor pour perdre du poids l'année prochaine, dit Rockstroh.

Les automobiles pourraient également bénéficier de pièces plus légères, et Gornet de l'Université de Louisville note que les processus d'impression pourraient réduire le poids des soupapes, des pistons et des injecteurs de carburant d'au moins la moitié. Certains constructeurs de voitures ultra-luxueuses et hautes performances, dont Bentley et BMW, utilisent déjà l'impression 3D pour des pièces dont la production se compte par centaines.

Brillant : Un transducteur fabriqué dans la micro-imprimante de GE (en haut) et le même transducteur après avoir été affiné et fini dans d'autres machines (en bas).

DÉFIS À SURMONTER

Sans les limitations de la technologie, l'impression 3D serait déjà beaucoup plus largement utilisée. Les vitesses sont atrocement lentes en ce moment, dit Singh de GE. Todd Grimm, qui dirige un cabinet de conseil en fabrication additive à Edgewood, Kentucky, estime que le temps nécessaire pour produire une pièce devra être jusqu'à cent fois supérieur si l'impression 3D doit concurrencer directement les techniques de fabrication conventionnelles dans la plupart des applications. . Cela n'arrivera pas dans les prochaines années.

Autre problème : pour l'instant, seule une poignée de composés plastiques et métalliques peut être utilisée en impression 3D. Dans le frittage laser, par exemple, le matériau doit être capable de former une poudre qui fondra parfaitement lorsqu'elle sera frappée avec un laser, puis se solidifiera rapidement. Les composés qui répondent aux critères nécessaires peuvent coûter 50 à 100 fois plus en poids que les matières premières utilisées dans les processus de fabrication conventionnels, en partie parce qu'ils sont si peu demandés qu'ils ne sont disponibles que chez de petits fournisseurs spécialisés.

Cependant, à mesure que la demande augmente avec de nouvelles applications, la concurrence des fournisseurs devrait faire baisser considérablement les prix. Et la liste des matériaux disponibles s'allonge lentement. GE essaie d'utiliser la céramique, ce qui ouvrirait de nouvelles possibilités dans les moteurs et les dispositifs médicaux, entre autres.

Une expérience simple, aussi, fera beaucoup pour améliorer la technologie. Jusqu'à présent, les fabricants ne disposent pas de suffisamment de données pour prédire exactement comment une pièce se révélera et comment elle tiendra, ou comment les variables de production, notamment la température, le choix du matériau, la forme de la pièce et le temps de refroidissement, affectent les résultats. Cela peut être frustrant, dit Singh : l'impression 3D finit souvent par être un art noir. Une pièce est composée de milliers de couches, et chaque couche est un mode de défaillance potentiel. On ne comprend toujours pas pourquoi une pièce sort un peu différemment sur une machine que sur une autre, voire sur la même machine un autre jour. Par exemple, le processus de stratification a tendance à créer des contraintes entre les couches de manière imprévisible, de sorte que certaines pièces finissent par se déformer. La porosité peut également varier à l'intérieur des pièces, ce qui entraîne des problèmes de fatigue ou de fragilité. Cela pourrait être un gros problème dans les moteurs d'avion ou les jambes de force. Nous savons comment rendre les métaux suffisamment solides, déclare Vander Wel de Boeing. Mais nous nous inquiétons de l'imprévisibilité. Peut-on répéter un résultat pour obtenir 100 pièces exactement identiques ? Nous ne sommes pas encore sûrs.

Même avec ces défis, le temps joue en faveur de l'impression 3D, explique Vander Wel, et pas seulement parce que les processus s'améliorent. Les ingénieurs sont naturellement réticents à adopter une nouvelle technologie pour les pièces critiques lorsque leurs délais et leur réputation, sans parler de la vie des personnes dans les avions, sont en jeu. Mais les jeunes designers s'adaptent plus rapidement, dit-il. Ils ne sont pas si prompts à dire : « Ça ne peut pas être construit de cette façon. »

David H. Freedman, un journaliste scientifique basé à Boston, a écrit sur l'optogénétique dans le numéro de novembre/décembre 2010 de ENFANTS . Son dernier livre est Faux : pourquoi les experts continuent de nous échouer .

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