Cette 3D

Le moteur de microturbine imprimé en 3D développé par Technion - Israel Institute of Technology et le logiciel PTC ... [+] vu ici dans une coupe montrant la structure interne.

Un aspect du fonctionnement de l'impression 3D industrielle qui est difficile à saisir au début est sa capacité à construire des pièces à l'intérieur d'autres pièces. Une imprimante 3D métal fabrique un objet une couche horizontale d'une minceur à la fois. Imaginez donc imprimer en 3D un objet comme une chaîne. Il est construit déjà lié dans des cercles complètement solides. En revanche, dans la fabrication traditionnelle, les maillons individuels sont d'abord droits, puis pliés et assemblés un par un, ce qui est plus lent, demande plus de main-d'œuvre et présente des points faibles à chaque maillon. C'est le même principe de fabrication séculaire pour les bijoux que pour les chaînes retenant les ancres des navires de la marine.

La capacité de l'impression 3D à fabriquer des objets, comme une chaîne déjà liée, perturbe la façon dont les choses ont toujours été fabriquées. Il offre aux ingénieurs une nouvelle liberté de conception, sans contrainte des limites de la fabrication traditionnelle.

Pour faire comprendre ce point, en utilisant une pièce imprimée en 3D beaucoup plus complexe qu'un maillon de chaîne, la société de logiciels PTC a présenté un moteur à réaction entièrement imprimé en 3D - en une seule pièce - lors de l'événement de lancement de son produit le mois dernier à Boston, Mass.

Imprimé en 3D dans Iconel, ce moteur à microturbine de 8 livres, montré ici ouvert pour révéler les structures internes, peut être l'avenir des drones plus économiques.

L'assemblage du moteur né entièrement assemblé

Le moteur à microturbine pèse environ huit livres et est imprimé en 3D comme un seul composant, y compris toutes les pièces rotatives et fixes, en une seule fois. Bien qu'il semble solide de l'extérieur, à l'intérieur se trouvent des structures en treillis pour minimiser le poids et des canaux pour permettre la circulation de l'air et du carburant. Une microturbine typique, en revanche, contient plus de 33 pièces qui sont usinées individuellement puis assemblées.

"Il n'y a vraiment aucun autre composant requis pour que ce moteur fonctionne autre que le boîtier", déclare Steve Dertien, directeur de la technologie de PTC. "Tout le reste, des roulements au joint en passant par le refroidissement, est intégré."

PTC affirme que ce moteur à impression additive se déclencherait comme n'importe quel autre moteur à microturbine, bien qu'il n'ait pas été testé de cette manière. En tant que projet de recherche non commercial, PTC ne prévoit pas de vendre ce moteur particulier, mais les entreprises qui cherchent à rendre les turbines compactes plus abordables pour des applications telles que les UAV plus légers et de taille moyenne ne manquent pas.

"Aujourd'hui, les moteurs à microturbine nécessitent des processus d'assemblage complexes de nombreuses pièces coûteuses, ce qui place les clients directement dans le collimateur des dépendances de la chaîne d'approvisionnement, de la disponibilité limitée et de leurs fabricants qui maintiennent la bonne expertise des employés pour terminer les assemblages", a déclaré PTC lors du lancement du produit.

Un moteur à microturbine monolithique imprimé en 3D peut réduire considérablement les coûts, accélérer la production et introduire de nouvelles efficacités impossibles avec les moteurs fabriqués de manière traditionnelle.

Avec l'impression 3D, également appelée fabrication additive, aucun outillage n'est nécessaire pour mouler ou usiner des pièces. Il élimine le besoin de souder ou d'assembler des pièces qui peuvent introduire des faiblesses. Et il y a aussi la possibilité d'une fabrication à la demande sur place puisqu'il n'est pas nécessaire d'expédier des composants d'ailleurs ou d'avoir une main-d'œuvre qualifiée à portée de main.

"Lorsque le moteur n'est qu'une seule unité, il est bon marché à produire et à remplacer", explique Dertien, "Vous n'avez pas à penser aux pièces de rechange. S'il casse, imprimez-en un nouveau."

Le moteur a mis 13 heures à imprimer sur une imprimante 3D à fusion laser sur lit de poudre métallique d'EOS (son modèle M300) en utilisant l'Inconel comme matériau. L'inconel est un métal extrêmement solide et résistant à la chaleur qui est très difficile à usiner. Par conséquent, dans la fabrication traditionnelle, il n'est souvent utilisé que pour les pièces d'échappement d'un moteur à turbine.

Ce moteur à microturbine particulier est censé être une pièce emblématique qui démontre le possible, dit Dertien. "L'objectif d'Uber était de faire quelque chose d'extraordinaire, mais accessible."

Bien entendu, PTC n'est pas un fabricant d'additifs métalliques. Il fabrique des logiciels.

Le projet de moteur était un partenariat avec des chercheurs du Technion - Israel Institute of Technology. S'ils pouvaient développer et imprimer en 3D un moteur à réaction fonctionnel - l'une des machines les plus complexes qui soient, compte tenu des exigences de performance pour le fonctionnement et de la complexité des composants - cela montrerait comment les ingénieurs peuvent repenser la fabrication de ces types de moteurs à l'aide de technologies avancées. logiciel qui comprend la fabrication additive.

"Le moteur à impression additive est l'aboutissement des cinq à six dernières années d'intégration d'outils d'ingénierie additive dans les logiciels de CAO (conception assistée par ordinateur)", déclare Dertien. "Cela représente la pointe de ce dont la fabrication additive est capable, et certaines de ces caractéristiques seraient impensables il y a quelques années à peine."

Creo est le nom de la plate-forme logicielle de conception et d'ingénierie de PTC avec des outils spécifiquement conçus pour intégrer les types de conceptions et les caractéristiques des pièces qui ne sont possibles qu'avec la fabrication additive. Pourtant, ces outils sont souvent un mystère pour les ingénieurs qui utilisent le logiciel pour leur travail quotidien.

Le logiciel d'ingénierie Creo de PTC comprend des fonctionnalités, telles que cet outil de conception de treillis, qui permet aux ingénieurs de construire des pièces plus légères pour la fabrication additive.

La fabrication additive métallique n'a que quelques décennies, note Dertien, de sorte que les ingénieurs ne l'ont peut-être pas appris à l'école, et beaucoup de choses ont changé. Un logiciel d'ingénierie comme Creo peut calculer l'épaisseur de paroi que la turbine devrait avoir pour répondre à la pression anticipée, il peut générer la structure en treillis idéale pour les parois internes et il peut prendre en compte le fait que la pièce sera imprimée en 3D, de sorte qu'il peut offrir des idées pour consolider les pièces.

À bien des égards, les logiciels de conception technique ont été en avance sur la courbe de la fabrication additive. La capacité de concevoir des pièces spécifiquement pour la fabrication additive est là, mais son application est un peu à la traîne, à l'exception des moteurs de fusée, des implants médicaux et des projets conceptuels, tels que le CzingerHypercar 21C.

Creo fait partie d'une gamme de logiciels de CAO et d'ingénierie, dont Fusion 360 d'Autodesk, Siemens NX, nTop et CATIA de Dassault Systèmes, dans l'espoir de stimuler l'adoption de la fabrication additive en fournissant les outils de conception qui la rendent possible.

PTC souhaite que les ingénieurs "pensent de manière additive" et appliquent les attributs de la technologie aux moteurs, aux satellites, aux voitures et à d'innombrables autres assemblages complexes.

Creo, et d'autres plates-formes logicielles similaires, incluent aujourd'hui des algorithmes complexes pour optimiser les conceptions d'un produit en fonction de ses contraintes de taille et de poids. Les produits peuvent commencer comme des spécifications de ce qu'ils doivent réaliser, au lieu des contraintes de la façon dont ils doivent être construits. L'ensemble des processus et des outils permettant de concevoir une pièce destinée à être imprimée en 3D s'appelle DfAM, conception pour la fabrication additive.

Lors de la conception de l'assemblage du moteur à réaction, les ingénieurs de PTC, dirigés par le Dr Ronen Ben Horin, vice-président de la technologie chez PTC et chercheur principal au Technion, et Beni Cukurel, professeur associé d'aérospatiale au Technion, ont utilisé Creo pour non seulement concevoir mais simuler les performances du moteur. Le projet a duré environ deux ans et est en cours. La prochaine itération de la microturbine rationalisera encore plus la fabrication, selon Dertien.

D'autres fabricants, dont Sierra Turbines, basé en Californie, sont également à la recherche de la microturbine économique et efficace monolithique imprimée en 3D activée par les outils logiciels DfAM.

La concurrence pour de meilleurs moteurs, machines et robots qui ne sont pas limités par la façon dont les choses ont toujours été faites continue de favoriser l'adoption de la fabrication additive.