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La fabrication additive offre une nouvelle tête d’injecteur à Ariane 6

La fabrication additive offre une nouvelle tête d’injecteur à Ariane 6

by Gaëtan Lefèvre30 août 2017
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La production additive d‘une tête d‘injecteur pour moteur-fusée a montré des résultats très impressionnants : une réduction significative des délais de production et des coûts deux fois moins élevés. Explication !

 

Les composants de Classe 1 utilisés dans le secteur de l‘aérospatiale sont critiques dans la réussite de missions coûtant des centaines de millions d‘euros. C‘est pourquoi les ingénieurs cherchent constamment à développer des composants basés sur les meilleurs standards de qualité, de fonctionnalité et de robustesse, tout en simplifiant la chaîne de production et en réduisant le nombre de pièces. La technologie EOS a permis à Airbus Safran Launchers d‘aller encore plus loin. La tête d‘injecteur d‘un moteur-fusée du même type que celui utilisé dans le module de propulsion de l‘étage supérieur VINCI d‘Ariane 6 ne comporte plus qu‘une seule pièce au lieu de 248. Elle a été simplifiée et ramenée à une conception tout-en-un.

Le défi d’une pièce tout-en-un

L‘Agence spatiale européenne (ESA) souhaite occuper une place dominante et indépendante dans le domaine du transport spatial en utilisant une technologie de lanceur efficace. Pour y parvenir l‘ESA a chargé Airbus Safran Launchers – co-entreprise de la société aérospatiale européenne Airbus Group et du groupe français Safran – de construire Ariane 6.

Ariane est une série de lanceurs européens conçus pour placer en orbite terrestre des charges lourdes telles que des satellites de communication. Ariane 6 remplacera l‘actuelle version 5 à partir de 2025. Elle a été conçue pour offrir à l‘Europe un accès compétitif à l‘espace. L‘objectif de ce projet est de réduire les coûts en éliminant le recours au financement public. L‘accent est mis sur le module supérieur de la fusée, qui assure la propulsion une fois que le véhicule a quitté l‘orbite. Dans un module de propulsion, des forces considérables s‘exercent. Ces conditions extrêmes exigent des niveaux maximums de fiabilité et de précision dans un espace restreint. La tête d‘injection est l‘une des pièces maîtresses du module de propulsion. Elle injecte le mélange de carburant dans la chambre de combustion.

Traditionnellement, 248 composants sont fabriqués et assemblés en plusieurs étapes – moulage, brasage, soudure et perçage – pour concevoir la tête d’injection. Ce système de production crée des points faibles qui constituent un facteur de risque. Ce processus est également long et complexe. La production classique des pièces d‘injecteur nécessite le perçage de plus de 8 000 orifices transversaux dans des manchons de cuivre, qui sont ensuite précisément vissés sur les 122 pièces d‘injecteur afin de mélanger l‘hydrogène qui les traverse avec l‘oxygène.

Ces chiffres montrent clairement que, concernant le risque, un seul composant fonctionnellement intégré, regroupant toutes les pièces, constitue un objectif certes ambitieux, mais néanmoins évident. Ce composant unique permettrait également de réaliser de substantielles économies, de réduire le nombre d‘étapes de traitement et les délais de production, surtout pour un composant de Classe 1.

La solution apportée par la fabrication additive

La fabrication additive permet de résoudre ces problèmes. « La production d‘une tête d‘injecteur monobloc est uniquement possible avec la technologie EOS », a déclaré Steffen Beyer, responsable des technologies de production, pôle Matériaux et Processus chez Airbus Safran Launchers (ASL), s‘exprimant sur le choix de l‘impression 3D industrielle. « Seule la fabrication additive peut combiner une fonctionnalité intégrée, une construction légère, une conception simplifiée et des délais réduits dans un seul composant. »

L‘équipe du projet a choisi comme matériau un alliage à base de nickel résistant à la chaleur et à la corrosion (IN718). Très endurant, ce matériau offre une excellente résistance à la traction, au fluage et à la rupture à des températures élevées, et sera également utilisé avec la nouvelle technologie de production.

« Après avoir développé le composant avec succès, nous avons reporté notre attention sur la rentabilité, » indique Fabian Riss, de la division des technologies de production, pôle Matériaux et Processus. La principale exigence d‘ASL était de réduire les délais et les coûts unitaires. La fabrication initialement réalisée selon un processus incrémentiel avec l‘EOS M 290 – est passée à l‘échelle supérieure sur le système EOS M 400-4 après la réussite des tests pilotes. La technologie à quatre lasers a permis de fabriquer le composant du module de propulsion jusqu‘à quatre fois plus rapidement. « Le passage du processus de construction au système EOS M 400-4 haute productivité a été une étape importante qui nous a permis d‘améliorer l‘industrialisation et la compétitivité du projet Ariane 6. La collaboration a été très efficace grâce à l‘expérience et à l‘expertise sectorielle du personnel d‘EOS. Les résultats parlent d‘eux-mêmes et témoignent des excellentes compétences de l‘équipe, » ajoute Steffen Beyer.

Les résultats de la nouvelle tête d’injecteur

Les résultats de la nouvelle tête d‘injecteur produite par fabrication additive sont très impressionnants. Constituée que d‘une seule pièce au lieu de 248, elle a été produite en un délai minimum et possède la même fonctionnalité. La technologie d‘impression 3D industrielle d‘EOS, basée sur un lit de poudre, a permis, par exemple, d‘imprimer les 122 buses d‘injection, les plaques de base et frontales, et le dôme de distribution avec les tuyaux d‘alimentation correspondants pour l‘hydrogène et l‘oxygène sous la forme d’un seul et même composant intégré. Par rapport aux systèmes à simple laser, la productivité nettement supérieure du système multilaser EOS M 400-4 a permis de diviser par trois les délais de construction et de réduire les coûts de 50 % dans le cas de la tête d‘injecteur.

L‘équipe du projet a également engrangé d’autres succès. En simplifiant la conception et en améliorant les propriétés des matériaux par rapport aux pièces moulées, la technologie additive a permis de diminuer considérablement l‘épaisseur des cloisons sans nuire à la robustesse. Et en réduisant le poids de 25 %, elle a également contribué à écourter les délais et à faire baisser les coûts de construction.

Enfin et surtout, les processus de fabrication additive accélèrent considérablement les cycles d‘innovation. En se basant sur les données de CAO, les améliorations structurelles, les modifications de la conception et la fabrication de composants de test peuvent directement passer du développement à la production sans que les ingénieurs aient à consacrer du temps à la préparation des outils, comme c‘est le cas avec le moulage des pièces. L‘impression 3D industrielle fait un pas de géant en termes de délais.

Chaque itération ne prend désormais que quelques jours, au lieu d‘environ un semestre, dans la plupart des cas. Et à présent, toute la chaîne de fabrication se déploie en interne chez ASL. En deux mots : mission accomplie !

La plaque de base fabriquée de manière additive de la tête d‘injecteur du moteur-fusée avec 122 pièces d‘injection est en alliage de nickel EOS IN718. (Source : EOS GmbH)

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Gaëtan Lefèvre

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