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Dévoilement de l'une des plus grandes pièces aérospatiales métalliques jamais imprimées en 3D

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Un consortium européen dirigé par GE Aerospace Advanced Technology Munich a dévoilé l'une des plus grandes pièces aérospatiales métalliques jamais imprimées en 3D et a démontré qu'elle permettait de réaliser d'importants gains de coûts, de poids et de temps.

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Le "Deal vert européen" de l'UE définit la nécessité de réduire les émissions du secteur des transports de 90 % d'ici 2050, par rapport aux niveaux de 1990, le secteur de l'aviation jouant son rôle. Les actions politiques et les efforts du secteur depuis 2005 ont permis d'améliorer le rendement énergétique par passager. Les priorités pour l'avenir comprennent des mesures financières et réglementaires visant à favoriser une aviation à faibles émissions, ainsi que le développement urgent de cadres de tôles propres, de nouveaux moteurs d'avion et systèmes de propulsion, et de carburants d'aviation durables.

Le programme Clean Sky 2, financé par la Commission européenne et l'industrie aérospatiale européenne, qui entre maintenant dans sa phase finale, est une importante initiative de recherche en cours pour développer ces types de technologies de transport aérien plus économes en carburant en vue d'un déploiement le plus tôt possible. Son successeur, Clean Aviation, a été lancé en décembre 2021.

Le programme Clean Sky 2 est composé d'acteurs clés de l'industrie et d'experts en la matière ainsi que d'organismes de recherche universitaires de toute l'Europe. Le programme intègre, démontre et valide des technologies capables de réduire les émissions de CO2 ainsi que les émissions d'oxyde nitreux (NOx) et de bruit jusqu'à 30 % par rapport aux avions "de pointe" de 2014. Un autre objectif est de développer une industrie aéronautique et une chaîne d'approvisionnement fortes et compétitives au niveau mondial en Europe.

Basée à Munich, en Allemagne, l'équipe GE Aerospace Advanced Technology (GE AAT) Munich dirige trois partenariats principaux dans le cadre du programme Clean Sky 2 pour identifier le matériel moteur, les avantages, la conception, le processus de fabrication et, en lien avec les objectifs du programme, collaborer étroitement avec les sites de GE Aerospace en Italie, en République tchèque, en Pologne et en Turquie, ainsi qu'avec des partenaires externes.

Changer la donne pour les grandes pièces métalliques additives

L'un des partenariats dirigés par GE AAT Munich est le projet TURN (Turbine Technology Project), qui a été mis en place pour accélérer la maturation technologique des futurs moteurs d'avion.

Et en réponse à un appel à propositions de Clean Sky 2, en 2018, un consortium composé de l'Université de technologie de Hambourg (TUHH), de l'Université technique de Dresde (TUD) et de la société technologique Autodesk, a été sélectionné pour soutenir GE AAT Munich pour la conception et la fabrication d'un composant de fabrication additive métallique à grande échelle - le boîtier du cadre central de turbine (TCF) intégré par additif avancé - le projet MONACO. Ce projet comprenait également la conception et la production de coupons et de pièces critiques, la validation et la qualification, ainsi que la livraison finale du carter métallique imprimé en 3D à taille réelle.

Après près de six ans de recherche et développement et d'ingénierie, le consortium a récemment dévoilé la conception du boîtier TCF grand format utilisant la technologie de fusion directe par laser métallique (DMLM) de GE Additive en alliage de nickel 718. Le boîtier du TCF est l'une des plus grandes pièces fabriquées de manière additive pour l'industrie aérospatiale.

Le carter TCF est conçu pour les moteurs à fuselage étroit, dont le diamètre est d'environ un mètre ou plus. Le fait de disposer de cette solution de conception monobloc pour produire ce type de matériel de moteur de grand format avec un coût, un poids et un délai de fabrication réduits constitue un avantage commercial concurrentiel.

"Nous voulions réduire le poids de la pièce de 25 % mais aussi améliorer les pertes de pression du flux d'air secondaire ainsi qu'une forte réduction du nombre de pièces pour améliorer la maintenance", a déclaré le Dr Günter Wilfert, responsable de la technologie et des opérations de GE AAT Munich.

"L'équipe peut être fière des résultats. Avec l'impression finale du boîtier complet, ils ont pu prouver les valeurs. Ces objectifs ont été atteints et dépassés. Au final, nous avons pu réduire le poids d'environ 30 %. L'équipe a également réduit le délai de fabrication de neuf mois à deux mois et demi, soit d'environ 75 %. Plus de 150 pièces distinctes qui composent le carter central d'une turbine conventionnelle ont été consolidées en une seule pièce", a-t-il ajouté.

Pour s'assurer que toutes les exigences techniques étaient respectées, y compris un avantage de 0,2 % de la consommation spécifique de carburant, la conception a été examinée par des experts de toute l'équipe pour le niveau de préparation de la technologie (TRL) et le niveau de préparation de la fabrication (MRL) 4, et de multiples essais de fabrication ont été effectués pour respecter la qualité du matériel et intégrer la fabricabilité du MRL4.

Réduction de la dépendance à l'égard des pièces moulées et applications futures

En dehors des avantages de cette nouvelle pièce sur le plan de l'environnement, des performances, du poids, des coûts et de la réduction des déchets, l'impact le plus important sera peut-être la perturbation de la chaîne d'approvisionnement dans toutes les industries confrontées à des difficultés avec leurs pièces moulées dans la fabrication conventionnelle.

Le cadre central de la turbine, un composant inhérent aux moteurs d'avion modernes à turbosoufflante, sert de conduit pour le gaz chaud qui passe de la turbine haute pression à la turbine basse pression. Conventionnellement, ils sont fabriqués par moulage et/ou forgeage, suivis d'étapes d'usinage supplémentaires.

En raison des exigences strictes en matière de matériel en état de navigabilité dans l'industrie aérospatiale hautement réglementée, le nombre de fournisseurs agréés pour les pièces moulées et forgées est très limité. Il en résulte des délais d'exécution longs et des coûts élevés. Ces défis, et le fait que le cadre central d'une turbine n'est pas une pièce rotative, en font un candidat idéal pour la fabrication additive.

Cette nouvelle solution de conception par fabrication additive pour les cadres de moteur ne se limite pas aux cadres centraux de turbine des futurs moteurs ; elle peut être appliquée aux cadres centraux de moteur existants et hérités. Les caractéristiques de conception proposées peuvent également être transférées et/ou adaptées aux bâtis arrière de turbine (TRF), aux carters de turbine basse pression et aux bâtis intermédiaires de turbine (TMF).

"Les gens veulent déjà savoir comment cette pièce a été fabriquée et comment la conception et la technologie pourraient s'appliquer à leurs industries. Notre stratégie a toujours été de faire en sorte que la conception du composant réponde aux exigences de l'ingénierie aérospatiale et aux objectifs de Clean Sky 2, mais qu'elle puisse être facilement transposée à d'autres moteurs de segment similaire, ainsi qu'à des entreprises et secteurs adjacents", a déclaré Ashish Sharma, ingénieur principal avancé au sein de l'équipe GE AAT.

"La fabrication additive offre un énorme potentiel pour réduire le poids, améliorer les fonctionnalités des composants et réduire considérablement le nombre de pièces dans les assemblages complexes, augmentant ainsi directement l'efficacité énergétique des avions et réduisant les coûts et le temps d'assemblage", a déclaré Christina-Maria Margariti, responsable de projet pour les avions à hydrogène pour Clean Aviation.

"Le programme Aviation propre, conformément à l'objectif du Green Deal de l'UE de neutralité carbone d'ici 2050, soutient le lancement de nouveaux produits disruptifs d'ici 2035, dans le but de remplacer 75 % de la flotte en exploitation d'ici 2050. Une mise sur le marché plus rapide et une augmentation des taux de production seront donc cruciales pour atteindre ces objectifs environnementaux ambitieux", a-t-elle ajouté.

Collaboration entre l'industrie et le monde universitaire

L'équipe du consortium considère que son travail, et la pièce elle-même, peuvent changer la donne dans l'utilisation de la fabrication additive métallique pour la production future de grandes pièces pour les moteurs d'avions commerciaux.

M. Sharma dirige le projet et le consortium depuis sa création. "Au début, l'ingénierie semblait presque impossible, mais en tirant parti des technologies additives avancées et en repoussant les limites qui étaient les nôtres, nous avons réalisé une conception qui n'était que dans notre imagination et bien loin d'une réalité jamais envisagée auparavant", a déclaré M. Sharma.

M. Sharma a déclaré qu'il s'agissait d'une énorme réussite qui reflète, dès le départ, le talent et le dynamisme des membres du consortium. "L'équipe est intelligente. En rassemblant tout le monde et en mettant en place des structures de soutien pour la construction qui n'étaient pas conventionnelles, nous avons optimisé non seulement le matériel, mais aussi nos processus. C'était merveilleux de voir la collaboration, chacun ayant des antécédents différents travaillant ensemble. Cet aspect était unique."

La participation des universités a été essentielle à la réussite globale du projet, leur permettant de faire partie d'un vaste programme technologique européen en collaborant étroitement avec l'industrie, en utilisant leur infrastructure et en faisant mûrir différentes technologies.

Tout le monde, a déclaré M. Sharma, a eu son rôle à jouer. "L'université technologique de Hambourg dispose d'une machine GE Additive M2 installée sur le campus, et son expertise en matière de prototypage a été précieuse, tandis que l'équipe de TU Dresden était chargée de la validation et de la construction d'un banc d'essai dédié. Autodesk a optimisé le processus de conception pour la fabrication additive et, enfin, GE Additive nous a aidés en imprimant la pièce à l'aide de sa machine A.T.L.A.S.".

"Le fait de disposer d'une équipe aussi talentueuse et expérimentée dans le domaine de l'additif a apporté beaucoup de nouvelles idées et de nouveaux concepts fondamentaux auxquels nous n'aurions pas nécessairement pensé si nous avions travaillé dans nos équipes individuelles. Il y a eu beaucoup d'ingéniosité", a-t-il ajouté.

Le projet a fait appel à une boucle d'itération multidisciplinaire pour concevoir le matériel et s'est appuyé sur les concepts, processus et outils de fabrication allégée pour réduire le temps d'itération de la conception. De nombreuses caractéristiques et solutions de conception innovantes et créatives ont été envisagées et introduites pour réduire la pression, le gradient thermique et le stress.

Le Dr Dirk Herzog, professeur intérimaire à l'Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik de la TUHH, a déclaré : "En raison de la taille de la pièce, il était nécessaire d'évaluer les concepts de conception par segments de fabrication dans un premier temps, de valider leurs performances et, à partir de là, d'apprendre comment les transférer à l'échelle réelle. Tous les membres de l'équipe ont déployé des efforts considérables au cours des trois dernières années et demie pour nous amener au point où nous étions pleinement confiants dans le fait que la conception et le processus DMLM étaient prêts pour l'impression finale. Voir enfin la pièce physique se construire avec succès est très gratifiant"

Au début du programme TURN, GE AAT Munich a exploré l'espace de conception et réalisé de multiples études commerciales en s'appuyant sur des technologies avancées telles que la fabrication additive. L'équipe de GE AAT Munich a pu établir un plan de maturation technologique pour faire progresser l'art de la fabrication des boîtiers TCF.

Enfin, lorsque le consortium a commencé à soutenir le plan de maturation technologique, AutoDesk a apporté des outils avancés pour optimiser la conception additive, la TUHH a ajouté une machine additive pour les premiers essais d'impression et les experts de la TUD ont construit un banc aérothermique avec des dispositifs d'instrumentation de pointe pour la validation - qui se mélange pour donner des résultats satisfaisants dès la toute première tentative pour livrer un boîtier TCF 3600 monobloc additif réussi.

"Le plus grand défi de la validation d'un matériel fabriqué de manière additive est que nous ne sommes pas autorisés à augmenter ou à diminuer l'échelle, car cela modifie la finition de la surface, ce qui se reflète dans les données de mesure traduites en produit. Nous avons apporté notre expérience unique en matière de tests d'impression pour la résistance mécanique, l'émissivité thermique et la validation aérothermique", ont déclaré Thomas IIzig, Eike Dohmen et Sarah Korb, l'équipe de scientifiques du TUD.

"L'équipe a ensuite conçu et fabriqué une nouvelle sonde à trois trous pour mesurer la perte de pression sur le boîtier TCF additif, qui a démontré une réduction d'environ 90 % de la perte de pression par rapport à une conception conventionnelle. Le boîtier TCF a été soumis à des tests aérothermiques et mécaniques approfondis afin de répondre aux exigences techniques", ont-ils ajouté.

Le rôle d'Autodesk dans cette recherche était de développer un carter de turbine central léger et performant en optimisant les performances structurelles et fluidiques tout en contribuant à consolider plus de 150 pièces en un seul composant. L'équipe Autodesk a contribué à relever les défis de la conception du composant en utilisant ses outils logiciels pour répondre aux exigences du programme.

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