FormUp 350

Découvrez comment AddUp et PrintSky ont développé une pièce aéronautique avec un bon rapport rigidité/masse ainsi qu’une valeur technique et économique élevée.

Le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) s’est associé à AddUp pour créer la plateforme Famergie afin d’aider les industriels du secteur de l’énergie à développer des projets de réalisation de pièces par fabrication additive métallique. Le premier projet issu de ce partenariat est un démonstrateur d’échangeur-réacteur de méthanisation. Ce dispositif convertit le CO2 en méthane, qui peut être utilisé comme carburant synthétique. La réaction de méthanation se produisant à des températures et des pressions élevées, la conception de l’échangeur est cruciale pour l’efficacité et le contrôle de l’ensemble de la production de méthane. Lisez l’étude de cas sur l’impression 3D additive de la pièce de support aéronautique à l’aide de la machine FormUp 350®.

Contexte

PrintSky est une joint-venture entre le groupe AddUp expert en fabrication additive métallique et Sogeclair, un des leaders internationaux dans l’intégration de solutions à haute valeur ajoutée dans les domaines de l’aéronautique, de l’espace, du transport civil et militaire. Le CEA a chargé Printsky de revoir le design d’une pièce support habituellement usinée en s’appuyant sur les possibilités offertes par la fabrication additive pour réduire sa masse. Ce support doit également assurer avec précision ses fonctionnalités de maintien des équipements qu’il doit supporter et résister aux efforts auxquels il est sollicité.

MOYENS MIS EN CEUVRE

La société ESI a fourni le module de calcul. PrintSky s’est chargée de la partie conception du projet, développant sa propre expérience et méthodologie pour implémenter toutes les caractéristiques de la pièce métallique, en termes de mécanique et de fabricabilité. La production a ensuite été placée entre les mains des experts de AddUp qui ont imprimé en 3D cette pièce dédiée à l’aérospatiale sur leur machine FormUp 350.

AVANTAGES DE L’IMPRESSION 3D MÉTAL

Après optimisation topologique, la fabrication additive permet de développer des formes complexes, d’améliorer les performances et diminuer le volume d’une pièce métallique. Elle permet également de fabriquer des pièces d’une très grande robustesse. En effet, on n’ajoute de la matière qu’aux endroits nécessaires, soit pour reprendre les efforts soit pour assurer une fonctionnalité telle que fixation, surface d’appui ou autre. Un bon compromis rigidité / masse à forte valeur technico-économique pour une pièce aéronautique.

RESULTATS

Le support optimisé remplit les mêmes fonctions que le support d’origine, mais il permet une réduction de masse importante, impossible à atteindre avec les technologies conventionnelles.

L’utilisation de poudre fine a permis d’obtenir un bon état de surface et enfin la pièce a été fabriquée sans support, ce qui permet un gain de temps appréciable en post-process.

Un support de caméra imprimé en 3D, conçu pour résister aux accélérations et aux vibrations pendant le lancement dans l’espace et pour maintenir une caméra et son objectif en position pendant les phases de production d’une imprimante 3D métallique.

L’objectif du projet « Metal3D » est de caractériser les propriétés mécaniques d’un matériau produit en microgravité. Pour mener à bien cette expérience, deux lots d’éprouvettes sont produits par deux imprimantes identiques. Alors que le premier lot sera produit à Toulouse en gravité terrestre, le second sera construit dans l’espace, plus précisément dans le module Columbus de la station spatiale ISS (International Space Station), en microgravité.

Mission

« Metal3D » est une mission commandée par l’ESA (Agence spatiale européenne) en tant que démonstrateur technologique. Son objectif est de caractériser les propriétés mécaniques d’un matériau utilisé en microgravité réelle. Pour mener à bien cette expérience, deux lots d’éprouvettes sont produits par la même conception d’imprimante. Alors que le premier lot sera produit à Toulouse en gravité terrestre, le second sera réalisé dans l’espace, plus précisément dans le module Columbus de l’ISS en microgravité. Pour réaliser ces deux travaux d’impressions, nous avons conçu et fabriqué deux exemplaires identiques d’une machine de fabrication additive métallique capable de fonctionner dans les deux environnements. L’imprimante que nous avons conçue pour cette mission sera donc la première à imprimer des pièces métalliques dans l’espace.

Procédé

En l’absence de gravité, la majorité des procédés actuels de fabrication additive ne sont plus utilisables. Pour rendre possible la fabrication en microgravité, nous choisissons d’exploiter les forces induites par la tension superficielle. Nous utilisons un laser comme source d’énergie et un fil d’acier comme matière première. Le laser chauffe le substrat pour créer un bain liquide. Dans ce bain liquide, nous immergeons le fil d’acier. En poussant le fil dans le bain liquide, ce dernier se liquéfie également et augmente le volume du bain de fusion. Nous déplaçons ensuite le laser et donc le bain liquide vers la surface du substrat tout en déroulant le fil dans ce bain afin de créer une perle une fois le bain liquide solidifié. Une couche est constituée d’une ou plusieurs billes en fonction de la géométrie de la pièce à réaliser. Une fois la couche terminée, le processus recommence en utilisant la couche précédente comme substrat. De cette façon, couche par couche, une pièce volumétrique est créée.

Nous utilisons un fil 316L. Le laser et le fil sont fixés dans le bâti de la machine. C’est le plateau qui est rendu mobile grâce à 3 axes linéaires et 1 axe rotatif. La machine fonctionne sous azote afin de limiter l’oxydation du matériau et prévenir les risques de combustion. L’accès à l’azote étant limité dans l’ISS, cette atmosphère est recyclée tout au long du processus de fabrication par filtration et refroidissement.

Partenaires

La mission est pilotée par les équipes d’Airbus Defense & Space. L’Université de Cranfield fournit le laser, la chaîne optique et le système d’alimentation en fils du système. Hightech fournit l’enceinte de la machine, qui offre un système étanche et de refroidissement, ainsi que les interfaces entre la machine et le rack auquel elle est connectée. Airbus, en plus de piloter le projet, gère les aspects électroniques et sécurité de la machine.

Sur le plan mécanique, AddUp a la charge de la structure interne et de la partie mobile de la machine. AddUp gère également la carte de contrôle et les capteurs qui surveillent le processus. Du côté logiciel, AddUp a développé l’automate de la machine. Ce logiciel a plusieurs fonctions, il permet de communiquer avec le sol en envoyant différents types de données (mesures, photos, rapports, etc.) depuis la machine et en exécutant les commandes qu’il reçoit.

La liberté de conception liée à la fabrication additive métallique permet la réalisation de poignées sur mesure, de différentes dimensions, sans outillage, limitant ainsi les coûts et les délais de fabrication des pièces.

La liberté de conception liée à la fabrication additive métallique permet la réalisation de poignées sur mesure, de différentes dimensions, pour droitiers ou gauchers, sans outillage, limitant ainsi les coûts et les délais de fabrication des pièces. Lisez l’étude de cas sur le partenariat AddUp et PrintSky pour l’impression 3D d’un contrôleur ergonomique complexe.

La liberté de design liée à la fabrication additive métallique permet de réaliser des poignées person-nalisées, de différentes dimensions, pour droitier ou gaucher, sans outillage, limitant ainsi les coûts et le temps de fabrication des pièces.

Contexte

La poignée multiaxes est spécialement conçue pour le pilotage de véhicules exigeants (tourelles, drones, engins de levage, etc) alliant une excellente ergonomie et prévue pour une multitudes d’applications.

La société PrintSky s’est chargée de la partie concep-tion du projet pour implémenter les caractéristiques de la pièce métallique, en termes de mécanique et de fabricabilité. La poignée telle que dessinée permet une mise à jour de ses dimensions pour adapter forme et grip à chaque pilote, ainsi que la position et le type de bouton pour chaque application.

En optimisant la conception de la pièce pour le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), Printsky est parvenue à réduire l’épaisseur des parois de la poignée à 1 mm seulement, contre 3 mm pour les pièces fabri-quées par fonderie. La nouvelle poignée est plus légère donc plus facile à manier.La production a ensuite été placée entre les mains des experts de AddUp qui ont imprimé en 3D cette pièce métallique sur leur machine FormUp® 350.

Les advantages de la fabrication additive

La technologie L-PBF (Fusion sur lit de poudre) est par-ticulièrement adaptée aux applications qui demandent personnalisation, intégration de fonction et gain de masse, tout en présentant une résistance mécanique élevée.

Cette poignée fabriquée en 316L est d’une solidité remarquable et est parfaitement adaptée aux véhicules et machines tout-terrain. Son grip spé-cifique facilite la prise en main de la manette par le pilote. Cette pièce est une construction monobloc avec des inserts modulaires pour offrir une flexibilité de conception et une simplicité d’installation.

Cette démonstration de faisabilité réalisée par Add Up met en évidence l’intérêt de la fabrication additive pour l’aéronautique en appliquant l’optimisation topologique à un support de plancher d’avion.

Industrie

Aérospatiale

CHALLENGE

Optimisation d’un support de plancher d’avion en réduisant la masse et le délai de fabrication

KEY BENEFITS

• Réduction de 61% de la masse de la pièce
• Pièce imprimée sans support
• Le meilleur état de surface obtenu en 3D métal (L-PBF)

Réduction du post-traitement

Pas de support

Réduction de la masse

HISTOIRE

AddUp a développé ce démonstrateur pour illustrer à la fois l’intérêt de l’impression 3D pour l’optimisation de pièces structurelles aéronautiques et pour démontrer les avantages de la machine FormUp 350 qui permet de réaliser des pièces sans aucun support.

DÉFI

Afin d’initier les industriels de l’aéronautique aux réductions de poids rendues possibles par l’impression 3D, les ingénieurs d’AddUp ont réalisé une étude d’optimisation topologique sur un support de plancher de cabine d’avion. Cette pièce, qui fixe le plancher de la cabine au fuselage, est présente en grande quantité et dans tous les avions. Traditionnellement, cette pièce de 3 kg est usinée à partir d’un bloc de métal de 12 kg.

SOLUTION

L’optimisation topologique est une méthode mathématique qui permet d’optimiser la répartition de la matière dans un espace de conception donné et pour un ensemble donné de charges, de conditions limites et de contraintes, tout ceci dans le but de maximiser les performances du système. En appliquant cette technique, les ingénieurs d’AddUp ont réduit de 61 % le poids d’un support de plancher d’avion.

L’utilisation de la fabrication additive évite le gaspillage de matières premières, contrairement à l’usinage. Le gain total en matière première pour la pièce optimisée est de 10,83 kg. Grâce à la machine FormUp 350 d’AddUp, équipée d’une poudre fine et d’un système de recouvrement par rouleaux, le support de plancher peut être fabriqué sans aucun support.

Dans la plupart des machines d’impression 3D en métal, des supports doivent être ajoutés à la pièce pour permettre de produire les surfaces dont l’inclinaison est inférieure à 45° par rapport à l’horizontale. Ces supports représentent un coût important. Sur ce support d’avion, les supports représenteraient une perte de 250 g de matière première. De plus, le gain de temps de fabrication est important : la présence de supports aurait ajouté trois heures au temps de production, et 30 minutes supplémentaires auraient été nécessaires pour retirer ces supports par usinage en post-process.

RÉSULTATS

Grâce au dispositif de mise en couche par rouleaux de la FormUp 350, aucun support n’est nécessaire, ce qui réduit le temps de construction de 3 heures et évite les temps de dé-supportage en post-process. Cela permet de réduire les délais d’exécution, un paramètre important dans l’industrie aéronautique.

Temps de construction sur le FormUp 350 (à 50 μm)
11,50 heures

Réduction du poids
De 3 kg à 1,17 kg
Une réduction de poids de 61% !

Économies de matières premières
10,83 kg

Temps gagné
3+ heures