Le premier avion à réaction imprimé en 3D au monde [VIDEO]

Stratasys contribue à façonner l'avenir du vol avec un avion à réaction imprimé en 3D ! Aurora Flight Sciences à Manassas, en Virginie, développe des véhicules aériens sans pilote (UAV) pour les marchés civils et militaires depuis près de trois décennies. Cependant, avec l'évolution des besoins et des exigences des clients, son centre de recherche et de développement utilise plus fréquemment la technologie d'impression 3D Stratasys® pour les pièces de production et l'outillage afin d'apporter de nouvelles innovations aux vols sans pilote.

Récemment, des ingénieurs d'Aurora et de Stratasys se sont lancés dans un projet ambitieux : construire un avion télécommandé à moteur à réaction, à vecteur de poussée et à voilure mixte.

"Notre objectif avec ce projet était de montrer à l'industrie aérospatiale à quel point il est possible de passer rapidement de la conception et de la construction au vol d'un avion à réaction imprimé en 3D.

- Dan Campbell / Aurora Flight Sciences

"Personne n'avait jamais rien fait de tel", a déclaré James Berlin, ingénieur de recherche en fabrication additive chez Stratasys. "Pour nous, il s'agissait d'aller vers l'inconnu. Nous voulions repousser les limites de ces matériaux et des processus de fabrication additive". C'est l'utilisation d'un moteur à réaction de 22 lbf (98 N) et d'un mécanisme de vectorisation de poussée qui a permis de repousser les limites en raison de la vitesse élevée et de la manœuvrabilité inhérente à l'aéronef. "L'impression 3D est encore considérée comme une technologie de prototypage", explique M. Berlin. "Mais il ne s'agit pas d'un modèle de bureau qui se cassera si vous le touchez, il s'agit d'un jet de 150 mph.

Conception innovante d'un avion à réaction imprimé en 3D

L'un des avantages inhérents à l'impression 3D de Stratasys est la capacité de concevoir au-delà de la géométrie de surface. Bien que la conception des structures internes bénéficie désormais d'un niveau de liberté beaucoup plus élevé, elle peut s'avérer plus complexe lorsqu'il s'agit d'initier des structures d'ingénierie pour l'aérospatiale. La collaboration avec Stratasys sur la conception a permis à Aurora d'utiliser l'optimisation topologique, une approche basée sur la physique qui reproduit les structures complexes trouvées dans la nature, et de montrer où les matériaux internes sont inutiles et d'optimiser la structure pour une application donnée.

Conception d'ailes internes, optimisation de structures internes complexes, pour des avions légers.

Pour Aurora, la technologie de fabrication additive de Stratasys a permis à l'équipe d'optimiser la conception pour produire une structure rigide et légère, tout en permettant le développement rentable d'un avion personnalisé et spécifique à une mission. En outre, la capacité à consolider les assemblages en composants uniques permet de transformer des conceptions complexes en solutions simples et élégantes. Un exemple sur cet avion est le réservoir de carburant qui combine plusieurs composants en ayant des tubes imprimés à l'intérieur et à l'extérieur, des supports qui se fixent au filtre à carburant et à la pompe à carburant, ainsi que de petites pinces pour fixer les conduites de carburant.

Stratasys et Aurora ont conçu une structure complexe qui pourrait être utilisée pour des avions à mission unique.

Cette liberté de conception a permis aux ingénieurs de positionner très précisément le centre de gravité, un paramètre clé pour les avions à ailes mixtes. Dan Campbell, ingénieur de recherche chez Aurora Flight Sciences, a déclaré : "Toute modification de la conception entraîne des problèmes au niveau du centre de gravité. Cependant, comme le processus additif permet de contrôler facilement où le matériau est placé et où il ne l'est pas, l'itération des conceptions a un impact minimal ailleurs sur l'avion imprimé en 3D".

Le temps de construction de cet avion a été réduit de moitié grâce à l'utilisation des technologies de fabrication additive. L'élimination du besoin d'outillage a permis de réduire considérablement les délais d'exécution. L'équipe principale de six ingénieurs a utilisé GrabCAD, une solution de collaboration de Stratasys qui aide les équipes d'ingénieurs à gérer, visualiser et partager des fichiers CAO, pour coordonner le projet. Cela a aidé les deux entreprises, situées sur deux sites différents, à concevoir et à produire l'avion dans un délai très court. Le logiciel agit presque comme un site de médias sociaux, en assurant le suivi des révisions, en permettant l'envoi de messages et en servant de référentiel pour les documents d'ingénierie de travail, tels que la nomenclature.

GrabCAD permet une collaboration et des itérations rapides dans la conception de composants complexes et hautement fonctionnels.

Impression 3D de pièces prêtes à l'emploi

Les principales pièces de l'avion imprimé en 3D sont les suivantes :

• Deux winglets
• Deux sections d'ailes
• Fuselage
• Module de charge utile
• Réservoir de carburant
• Mécanisme de vectorisation de la poussée

Il a une envergure de 2,9 m et sa cellule ne pèse que 6,4 kg. Il se compose de 34 éléments au total, dont 26 ont été imprimés en 3D et représentent environ 80 % du poids de la cellule de l'avion. Grâce aux imprimantes 3D Stratasys Fortus®, les ailes et le fuselage ont été fabriqués en thermoplastique ASA, afin d'obtenir la résistance et la rigidité nécessaires, tout en conservant une faible densité.

L'équipe a également profité de Stratasys Direct Manufacturing, un centre de fabrication personnalisée à service complet, qui propose plusieurs technologies de fabrication additive et presque tous les matériaux actuellement disponibles. Le réservoir de carburant a été produit par frittage laser (LS) de nylon, le couvercle du conduit d'échappement a été imprimé en 3D avec du thermoplastique ULTEM™ 1010 et le conduit de vectorisation de poussée par frittage laser direct de métaux (DMLS) d'INCONEL® 718, nécessaire en raison des températures d'échappement élevées pouvant atteindre 1300°F (700°C).

Prêt pour le décollage

L'équipe était confiante lorsqu'elle s'est rendue sur les salines pour tester l'avion, mais elle n'était pas préparée aux montagnes russes émotionnelles qui l'attendaient. Alors qu'ils commençaient à travailler à l'assemblage final des composants sur le site, les nerfs ont commencé à se manifester. Mais une fois que l'avion à réaction imprimé en 3D a réussi à décoller, une nouvelle réaction s'est produite.

Assemblage final d'un avion à réaction imprimé en 3D.

La raison pour laquelle nous savons que le vol est toujours magique est qu'à chaque fois qu'un avion décolle pour la première fois, quelqu'un dit : "Je ne peux pas croire qu'il vole", a déclaré Dan. "C'était un moment magique. J'adore les moteurs à réaction et voir voler un avion à réaction imprimé en 3D était incroyable.

Vol inaugural d'un avion à réaction imprimé en 3D

Comme de plus en plus d'entreprises aérospatiales adoptent la technologie pour la production de pièces et d'outils, les solutions d'impression 3D de Stratasys aideront de plus en plus les clients à façonner des aéronefs avec ou sans pilote pour des applications civiles et militaires, des structures tertiaires aux structures secondaires et éventuellement même aux structures primaires. "Notre objectif avec ce projet était de montrer à l'industrie aérospatiale la rapidité avec laquelle il est possible de passer de la conception et de la construction au vol d'un avion à réaction imprimé en 3D", a déclaré Dan. "Nous avons éprouvé beaucoup de satisfaction à le voir voler.