Façonner l'avenir du vol de drone militaire et civile
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 développement utilise de plus en plus la technologie d’impression 3D de Stratasys® pour la fabrication de pièces et d’outils de production afin d’apporter de nouvelles innovations au vol sans pilote. Récemment, les ingénieurs d’Aurora et de Stratasys se sont lancés dans un projet ambitieux : construire un avion à fuselage en aile intégrée, à propulsion à réaction et à vecteur de poussée, télépiloté.
« Notre objectif avec ce projet était de montrer à l’industrie aérospatiale à quelle vitesse on peut passer de la conception et de la construction à un avion à propulsion à réaction imprimé en 3D. »
Dan Campbell
Aurora Flight Sciences
« Personne n’a jamais fait quelque chose comme ça », a déclaré James Berlin, un ingénieur en recherche en fabrication additive chez Stratasys. « Pour nous, c’était entrer dans l’inconnu. Nous voulions repousser les limites de ces matériaux et des processus de fabrication additive pour découvrir de nouvelles possibilités. »
L’utilisation d’un moteur à réaction de 22 livres de poussée (98 N) et d’un mécanisme de vecteur de poussée aiderait à repousser les limites en raison de la haute vitesse et de la maniabilité inhérente qu’il permettrait à l’aéronef.
« Il existe toujours la stigmatisation selon laquelle l’impression 3D est une technologie de prototypage », déclare Berlin. « Mais ce n’est pas un modèle de bureau qui se cassera si vous le touchez, c’est un jet de 150 mph. »
« Liberté de conception pour l’innovation aéronautique »
Un avantage intrinsèque de l’impression 3D de Stratasys est la capacité à concevoir au-delà de la géométrie de surface. Alors que la conception de structures internes bénéficie désormais d’un niveau beaucoup plus élevé de liberté de conception, elle peut être plus complexe lors de la création de 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 des structures complexes trouvées dans la nature et montre où le matériau interne est inutile et optimise la structure pour une application donnée.
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 également le développement économique d’un avion personnalisé spécifique à la mission.
De plus, la capacité de regrouper des ensembles en un seul composant permet aux conceptions complexes de devenir des solutions élégantes et simples. Un exemple sur cet avion est le réservoir de carburant qui regroupe plusieurs composants en ayant des tubes imprimés à l’intérieur et à l’extérieur, des supports attachés au filtre à carburant et à la pompe à carburant, ainsi que de petits colliers pour fixer les conduites de carburant. Cette liberté de conception a permis aux ingénieurs de positionner très précisément le centre de gravité, un paramètre clé pour les aéronefs à fuselage intégré.
Avion à réaction final imprimé en 3D
Conception interne d’aile, optimisation de structures internes complexes pour alléger les aéronefs.
Dan Campbell, ingénieur de recherche chez Aurora Flight Sciences, a déclaré : « Toute modification de la conception entraîne des problèmes pour le centre de gravité. Cependant, étant donné que le processus de fabrication additive peut facilement contrôler où le matériau est placé et où il ne l’est pas, l’itération des conceptions a un impact minimal sur le reste de l’aéronef. »
Le temps de construction de cet avion a été réduit de moitié en utilisant des technologies de fabrication additive. L’élimination de la nécessité d’outillage a contribué à réduire considérablement les délais.
L’équipe centrale de six ingénieurs a utilisé GrabCAD, une solution de collaboration de Stratasys qui aide les équipes d’ingénierie à gérer, visualiser et partager des fichiers CAO, pour coordonner le projet. Cela a permis aux deux entreprises, situées dans deux endroits différents, de concevoir et de produire l’aéronef dans un délai très court. Le logiciel agit presque comme un site de médias sociaux, suivant les révisions, permettant la messagerie et servant de référentiel pour les documents d’ingénierie en cours tels que la nomenclature.
Impression 3D de pièces prêtes pour le vol
Les principales pièces de l’aéronef comprennent :
• Deux winglets
• Fuselage
• Module de charge utile
• Réservoir de carburant
• Mécanisme de vecteur de poussée
Il a une envergure de 9,5 pieds (2,9 mètres) et un poids de structure de seulement 14 livres (6,4 kg). Il se compose de 34 composants au total, dont 26 ont été imprimés en 3D et représentent environ 80 % de la structure de l’aéronef en poids.
En utilisant les imprimantes 3D Stratasys Fortus®, les ailes et le fuselage ont été produits en thermoplastique ASA, pour leur donner la résistance et la rigidité nécessaires, tout en ayant une faible densité.
Prêt pour le décollage
L’équipe était confiante lorsqu’elle se dirigeait vers les salines pour tester l’aéronef, mais elle n’était pas préparée à l’émotionnellement tumultueux qui les attendait. Lorsqu’ils ont commencé à travailler sur l’assemblage final des composants sur place, les nerfs ont commencé à se faire sentir. Mais une fois que l’avion à réaction imprimé en 3D a décollé, une nouvelle réaction s’est produite.
« La raison pour laquelle nous savons que voler est toujours magique, c’est parce qu’à chaque fois qu’un avion décolle pour la première fois, quelqu’un dit : ‘Je n’arrive pas à croire qu’il vole' », a déclaré Dan. « C’était un moment magique. J’adore vraiment les moteurs à réaction et voir un avion à réaction imprimé en 3D voler était incroyable. »
À mesure que 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 à la fois des aéronefs habités et non habités 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 à quelle vitesse vous pouvez passer de la conception et de la construction à un avion à réaction imprimé en 3D en vol », a déclaré Dan. « Il y avait beaucoup de satisfaction à le voir voler. »
