Magazine Jeudi 20 juin 2019 - 08:50

Projet Aeroswift : CAO et fabrication additive métallique

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La conception assistée par ordinateur (CAO) est primordiale à l’efficience de la fabrication additive, notamment lorsque le coût des matériaux est onéreux, comme pour les métaux. Dans le projet Aeroswift, la CAO a été indispensable pour répondre aux contraintes de conception et de l’utilisation de l’impression 3D.

En 2011, le fournisseur sud-africain de solutions de fabrication aéronautique Aerosud et le Conseil sud-africain pour la recherche scientifique et industrielle (CSIR) se sont associés pour lancer un ambitieux projet d’impression 3D, Aeroswift. L’objectif d’Aerosud, qui s’est doté d’un système de fabrication additive métallique de nouvelle génération avec un volume de fabrication plus important que jamais, est de libérer le potentiel offert par l’industrie croissante de l’impression 3D, d’améliorer la compétitivité du marché et de fournir à l’Afrique du Sud un avantage concurrentiel unique en fabrication additive métallique.

Le système Aeroswift a été développé pour la fabrication additive de pièces métalliques grands formats. Un cadre de véhicule aérien sans pilote (UAV) a été conçu à titre de démonstration puis imprimé sur la machine Aeroswift. La société Aerosud a collaboré avec le fournisseur de logiciels Altair pour améliorer la production tout en répondant aux exigences des composants. Les ingénieurs de projet ont utilisé le logiciel Altair Inspire et ses fonctionnalités d’optimisation topologique dans le processus de conception.

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Voir grand nécessite d’imprimer grand

L’imprimante Aeroswift est capable d’imprimer en 3D des pièces à grande échelle et dans de nombreux métaux, dont des alliages de titane, un matériau largement utilisé dans l’industrie aéronautique en raison de sa haute performance et de son faible poids. Le cadre du drone a donc été fabriqué en alliage de titane par fusion sur lit de poudre (SLM : Sintering Laser Melting) avec l’imprimante Aeroswift.

Dans un premier temps, l’équipe en charge du projet a spécifié les contraintes relatives à la conception du drone et plus spécifiquement au cadre de l’UAV. Les ingénieurs d’Aeroswift n’ont pas seulement voulu imprimer le plus grand cadre métallique jamais réalisé, mais aussi réduire le temps de fabrication ainsi que le nombre de pièces par assemblage. En limitant le gaspillage de matière, ils ont également visé à obtenir un meilleur « buy-tofly ratio ». Le processus de conception comprenait par ailleurs les spécifications de vol du drone, la sélection des composants électroniques et de la chaîne cinématique, la conception mécanique utilisant des techniques d’optimisation topologique, des améliorations d’ordre esthétique et en matière de fabrication.

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En plus des spécifications de conception du cadre telles que le volume de construction de l’imprimante et l’emplacement obligatoire du moteur symétrique de l’UAV, l’équipe a dû prendre en compte dans le processus de conception un nombre important de contraintes : notamment la nécessité d’atteindre des temps de vol d’au moins 15 minutes avec un rapport poussée / poids d’au moins 2:5:1 – tout en maximisant la rigidité du cadre – ou encore le fait de pouvoir imprimer le dessin final à l’aide d’un procédé de fusion sur lit de poudre avec un alliage de titane Ti6Al4V.

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Un meilleur design pour une pièce plus performante

Les ingénieurs du projet Aeroswift avaient besoin de savoir comment le matériau pouvait être utilisé de manière optimale dans un espace de conception prédéfini. En raison des exigences spécifiques de structure et de poids, et du fait que les conceptions de forme libre ne peuvent pas être fabriquées selon les méthodes traditionnelles, ils ont décidé d’appliquer l’optimisation topologique en utilisant le logiciel Altair Inspire pour que le cadre puisse être fabriqué par impression 3D. Elle a collaboré à l’élaboration d’un processus en plusieurs étapes pour générer une conception optimale dans un délai raisonnable.

Un concept de base a tout d’abord été créé en utilisant des volumes primitifs aussi peu détaillés que possible, qui ont ensuite été importés dans le logiciel pour exécuter une analyse de base par éléments finis. Par la suite, des optimisations et des contrôles de performance ont permis de s’assurer que la topologie générée facilitait toutes les connexions nécessaires entre les composants de l’assemblage. Les ingénieurs ont échelonné leur approche d’optimisation de la topologie en choisissant d’exécuter une première étape d’optimisation avec des tailles de branches augmentées, afin de réduire la complexité de calcul dans la recherche de chemins de charge primaires. Ce processus a permis d’obtenir les limites d’épaisseur qui correspondaient à la conception optimale. L’équipe d’Aeroswift a ensuite pu recréer la géométrie résultante et exécuter une deuxième étape d’optimisation topologique avec des branches plus fines.

Le processus a permis la transformation d’un concept très basique en un concept optimisé sur le plan topologique et adapté à la fabrication additive métallique. Une réussite pour les ingénieurs du projet, toutes les exigences du cadre de l’UAV ayant été satisfaites, y compris celles relatives au poids du cadre, au rapport poussée / poids, au temps de vol et à la rigidité du cadre. La conception finale a donné des résultats plus que positifs : « Nous sommes très satisfaits des résultats. En utilisant Altair Inspire, nous avons pu mettre en place un processus qui nous a permis d’obtenir un cadre de drone optimisé sur le plan topologique avec des résultats encore meilleurs que ceux prévus initialement », a déclaré Jacobus Prinsloo, directeur des opérations chez Aeroswift.

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