FormUp 350

Antenne prête pour le vol dans un lit de poudre Fusion

Thales Alenia Space est un constructeur aérospatial français qui joue un rôle important dans l’exploration spatiale depuis plus de 40 ans. Alors que les nouvelles technologies ouvrent la voie à une nouvelle ère d’exploration spatiale, la réduction du délai global et l’augmentation de la production deviennent particulièrement importantes pour rester compétitif sur ce marché en pleine croissance. Découvrez dans cette étude de cas comment Thales a utilisé la FormUp 350 et l’AS7 en aluminium pour atteindre ses objectifs de fabrication additive.

INDUSTRIE

Espace

CHALLENGE

Concevoir et construire une antenne monolithique en utilisant la fabrication additive qui répond aux qualifications ECSS et soutient l’objectif du client d’atteindre la maturité TRL 3 pour les antennes fabriquées de manière additive.

KEY BENEFITS

• Distorsions globales de l’antenne : ±0,3 mm
• Poids réduit : moins de 600 gr
• Taux de production : 1 antenne /jour /machine
• Réduction du post-traitement

Réduction du délai d’exécution

Forme créative

Imprimé en une seule pièce

Murs minces

L’ Historie

En général, Thales Alenia Space fabrique ce type d’antenne en plusieurs parties. Chaque pièce est ensuite collée ou boulonnée au cours d’étapes complexes et coûteuses. Si la fabrication de composants précis n’est pas si difficile, leur assemblage en une antenne précise prend du temps et a un impact majeur sur le délai global et le débit de la production en série. C’est pourquoi Thales s’est tourné vers la fabrication additive comme solution.

Défi

Développer une antenne de 325 mm de diamètre avec une épaisseur de paroi de 1 mm par fabrication additive, en garantissant des distorsions minimales et une finition de surface répondant aux normes « prêt à voler » sans nécessiter de post-traitement. En respectant ces normes, TAS sera en mesure d’atteindre un niveau de préparation technologique (TRL) 3 pour les antennes Cassegrain fabriquées de manière additive.

Solution

AddUp a travaillé en étroite collaboration avec Thales Alenia Space pour fournir une simulation contre-déformée.

Tout d’abord, une conception légère a été générée autour des spécifications initiales : surfaces des réflecteurs principaux et secondaires, espace de conception disponible, localisation des interfaces. Ensuite, une structure isogrid a été conçue à l’arrière du réflecteur principal pour ajouter de la rigidité au système. Ensuite, une simulation numérique a été réalisée pour anticiper les déformations de l’antenne pendant la production.

Enfin, un fichier contre-déformé est obtenu à partir de la simulation initiale. Le but est d’adapter le design original dans la direction opposée aux distorsions simulées. Lors de la production, les distorsions dues aux contraintes internes et au design contre-déformé s’annulent, ce qui permet de maintenir la pièce réelle aussi proche que possible du design original.

Afin d’obtenir la meilleure finition de surface, nécessitant un post-traitement minimal, AddUp et Thales Alenia Space ont utilisé leur recette qualifiée ECSS sur le FormUp 350, en aluminium AS7.

La performance de cette recette, couplée aux 4 lasers plein champ de la machine, permet également une productivité élevée. Les simulations de production en série réalisées par AddUp montrent un taux de production de plus de 2 antennes par jour et par machine.

Résultats

La conception finale a permis d’obtenir une antenne légère, pesant seulement 385 grammes. La structure isogrid a été méticuleusement optimisée pour minimiser le poids en variant les tailles autour du réflecteur, renforçant ainsi uniquement les zones nécessaires. Les bras de connexion entre le réflecteur principal et le sous-réflecteur ont été conçus pour minimiser les effets de couplage en champ proche et optimiser les performances globales de rayonnement de l’antenne en champ lointain. Les distorsions ont été minimisées avec succès, avec un écart de ±0,3 mm sur 90 % de l’antenne, ce qui a été bien accueilli par les deux parties concernées. En outre, l’état de surface global et la rugosité ont atteint l’objectif de Ra 6,3 pour les deux réflecteurs, ce qui a permis d’obtenir un résultat tout à fait satisfaisant.

Pour en savoir plus sur la qualification FormUp 350 ECSS de Thales 3D Maroc, cliquez ici.

AddUp optimise le design d’une tuyère de fusée pour améliorer les performances d’un micro-lanceur.

La fabrication additive métallique peut induire des économies de carburant et de production dans l’aérospatial. Dans cette étude de cas vous verrez comment AddUp a optimisé le design d’une tuyère de fusée pour améliorer les performances d’un micro-lanceur. L’impression 3D est déjà l’avenir de l’industrie spatiale. Lisez l’étude de cas sur une conception optimisée d’une tuyère imprimée en 3D.

Industrie

A&eactue;rospatial

CHALLENGE

Imprimer une tuyère de fusée innovante pour optimiser les performances du moteur dans l’espace

KEY BENEFITS

• Réduction de la masse
• Pièce imprimée avec une géométrie complexe
• Résistance aux hautes températures

Réduction de la masse

Forme complexe

Intégration de fonctions

Performance

Histoire: AddUp et aerospatial

Dans le secteur de l’aérospatial, l’allégement des composants et leur personnalisation peut induire des économies considérables de carburant et de coûts de production, mais aussi des gains de performance, Nombreux sont les industriels à penser que l’impression 3D est l’avenir de la fabrication aérospatiale. Si les satellites ont diminué en taille ces dernières années, la taille et la puissance des fusées n’a fait qu’augmenter. Un micro-lanceur spatial est capable de placer en orbite une charge utile de masse inférieure à cinq cents kilogrammes. Il constitue l’une des facettes les plus prometteuses du New Space : les micro et mini-lanceurs apportent une flexibilité et une réactivité qui en font une solution complémentaire aux lanceurs classiques.

Une tuyère est un élément qui compose les moteurs des fusées ou lanceurs par lequel sont éjectés les gaz de combustion. Correspondant au conduit terminal de la chambre de combustion de la fusée, cette pièce joue un rôle primordial car elle transforme en énergie cinétique l’énergie des gaz de combustion.

Les défis de l’impression de tuyères de fusée innovantes

Ces nouveaux lanceurs font face à de nouveau défis liés à leur architecture nouvelle.

Tout d’abord, le développement d’un moteur de lanceur orbital est un processus long et complexe nécessitant plusieurs itérations de conception, de fabrication, et d’essais en tir statique. Dans le cadre d’un fort contexte très compétitif dans le domaine des micro et mini-lanceurs, la capacité à itérer rapidement est devenue une nécessité technologique et commerciale.

Ensuite, la température élevée à l’intérieur d’une tuyère nécessite un refroidissement des parois au plus proche de la source de chaleur, afin d’éviter que cette dernière ne fonde. Ce refroidissement réalisé via des tubulures rapportées sur la tuyère, se complexifie lorsque cette dernière gagne en compacité pour satisfaire le besoin en propulsion de plus petits lanceurs.

Solution pour une tuyère imprimée en 3D

Les gaz en sortie de la chambre de combustion ont une température très élevée. Dans le cas des tuyères de moteurs-fusées, qui fonctionnent à de très hautes températures (environ 3 000 °C), un processus permettant de refroidir les parois de la tuyère doit être prévu, car aucun alliage n’est capable de résister à une contrainte thermique aussi
élevée. La tuyère intègre ici de façons monolithique toutes les fonctions de refroidissement nécessaires à son fonctionnement à haute température tout en préservant l’intégrité de celle-ci. Ainsi, les ergols stockés à basse température permettent d’obtenir de très bonne performance de refroidissement lors de la circulation dans la double peau de la tuyère, puis sont conservés et réinjectés dans la chambre de combustion afin d’y être brulés.

La pièce est imprimée sur une machine Addup utilisant la technologie de Fusion sur lit de poudre, la FormUp ® 350. Son système de paramètres ouverts et sa capacité à travailler avec plusieurs systèmes de dépose (racleur brosse, racleur silicone, racleur
métallique, rouleau), couplé à l’utilisation de poudre métallique fine ou moyenne, ainsi que le recyclage intégré de la poudre permettent de répondre aux problématiques de développement itératif des tuyères et autres pièces de moteurs de fusées de dernière génération.

Résultats et avantages de la fabrication additive

La fabrication additive métallique a permis de créer des canaux de refroidissement complexes et intégrés ; chose impossible avec les techniques classiques sur des moteurs de dimensions réduites. Une telle pièce, qui nécessite en temps normal des mois de travail avec des méthodes de soudage traditionnelles, n’aura pris que 49h à être produite. Les experts d’AddUp ont choisi d’utiliser l’Inconel® 718 pour imprimer cette nouvelle tuyère. Ce matériau est doté d’excellentes propriétés mécaniques et résiste à des températures très élevées.

Les concepteurs des moteurs de fusée peuvent à présent itérer plus rapidement dans le but d’améliorer la forme de la tuyère et profiter des nouvelles libertés de forme amenées par la fabrication additive, permettant une optimisation efficiente des performances des moteurs.

Industrie

Impression 3D métal

CHALLENGE

Réduire les coûts de production, les délais d’exécution et optimiser la dissipation thermique d’un échangeur thermique.

à

KEY BENEFITS

• Réduction de la taille de 64%
• Poids de la pièce divisé par 6
• Installation simplifiée
• Réduction des coûts et du temps de production
• Fiabilité accrue grâce à la conception monobloc

Réduction de la masse

Formes complexes

Canaux internes

Performance

HISTORIQUE

Le projet de réalisation d’un échangeur thermique pour la machine FormUp® 350 est né de la volonté de profiter du savoir-faire développé par PrintSky, une société commune créée par AddUp, fabricant de machines d’impression 3D métallique, et Sogéclair, fournisseur de solutions innovantes pour une mobilité plus sobre et plus sûre. Il s’agissait d’évaluer l’intérêt d’une solution optimisée en fabrication additive en la comparant avec le système actuel, produit par des méthodes conventionnelles.

La pièce choisie pour ce cas d’application est le refroidisseur du flux d’évacuation des fumées de fusion. Dans une machine de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), comme la FormUp 350 d’AddUp, la chambre de fabrication est traversée par un flux de gaz d’inertage chargé d’évacuer les fumées générées lors de la fusion. Ce flux de gaz, qui circule en circuit fermé et à haute vitesse (plusieurs mètres par seconde) nécessite un système de refroidissement efficace.

DEFI TECHNIQUE

Une des principales contraintes du projet était de maintenir un coût de production de l’échangeur inférieur ou équivalent à la solution conventionnelle, tout en optimisant ses performances afin d’améliorer la dissipation thermique, et en adaptant ses dimensions pour simplifier son installation dans les machines.

Pour réaliser ce projet, les ingénieurs d’AddUp sont partis d’une page blanche. Ils ont défini le niveau de performances à atteindre pour concevoir un échangeur thermique qui réponde parfaitement exactement aux besoins de l’application, sans se conformer aux standards du marché. Les canaux internes, les ailettes, ainsi que les interfaces ont été personnalisés pour optimiser la compacité de la pièce tout en assurant une amélioration des performances. Les concepteurs se sont appuyés sur les compétences clés développées par PrintSky afin d’optimiser la géométrie, l’encombrement, mais aussi les temps de fabrication (en utilisant des recettes à haute productivité). Les canaux internes, les ailettes, ainsi que les interfaces ont été personnalisés pour optimiser la compacité de la pièce tout en assurant une amélioration des performances. Tout cela en intégrant le retour d’expérience d’AddUp dans le domaine de la fabrication d’échangeurs.

SOLUTIONS

Les experts d’AddUp et de Printsky ont choisi d’optimiser la géométrie de l’échangeur, son encombrement, mais également les temps de fabrication. Pour cela, ils ont employé des recettes à haute productivité, et ont également intégré dans chacun des choix de conception le retour d’expérience d’AddUp dans le domaine des échangeurs. C’est ainsi que les formes des ailettes de refroidissement ont été conçues pour faciliter le retrait de la poudre non fusionnée, par exemple.
Cet échangeur innovant ainsi que ses connecteurs ont été dessinés sous CATIA, et le refroidissement a été simulé avec des logiciels édités par Altair. L’ensemble a été pensé pour être imprimé en une seule pièce, réduisant ainsi les temps d’assemblage par rapport aux échangeurs traditionnels réalisés par mécano-soudage.

L’objectif est de démontrer l’intérêt de la technologie PBF pour créer des échangeurs de chaleur plus compacts, ayant de bonnes performances thermiques et imprimés en 3D en une seule fois.

Répondre aux problématiques thermiques de l’industrie aérospatiale par la technologie de fusion sur lit de poudre (procédé PBF), c’est ce que proposent Temisth et PrintSky – la Joint-Venture AddUp SOGECLAIRE – dans le cadre d’un partenariat avec l’Agence spatiale européenne. Dans cette étude, l’objectif était de répondre aux besoins de l’industrie spatiale. La pièce a été produite en aluminium sur une machine FormUp 350® fournie par AddUp.

AVANTAGES DE L’IMPRESSION 3D MÉTAL:

La fabrication additive est pertinente pour les équipements thermiques. Elle permet de créer des canaux aux formes complexes, et donc d’améliorer les performances thermiques tout en diminuant le volume.

Cet échangeur thermique présente des parois fines (250 µm) et des canaux à double courbure impossibles à réaliser par des techniques conventionnelles.

Les tests réalisés sur banc d’essai ont permis de valider l’étanchéité de la pièce, ainsi que ses performances, très élevées au vu de la compacité de l’échangeur.

PrintSky a obtenu un accord de partenariat avec l’ESA (Agence Spatiale Européenne) pour le développement de cette pièce en aluminium.