La fabrication additive métal améliore par 40 fois l’efficacité de micro-turbines

Publié le 3 septembre 2020 par Mélanie R. source : 3D natives

Une micro-turbine est une version simplifiée d’une turbine à gaz, adaptée à diverses applications : elle est utilisée dans les drones pour charger les batteries qui entraînent les moteurs ; comme prolongateur d’autonomie, ou dans les drones hybrides qui alternent entre batteries et moteurs. Aux États-Unis, Sierra Turbines a contourné les règles de fabrication conventionnelles pour améliorer les performances des micro-turbines. Roger Smith, son directeur général, explique que l’entreprise prévoit de fabriquer de manière additive au moins 95% des composants de ses micro-turbines, même lorsqu’elle atteindra une production à grande échelle. Pour ce faire, la société a décidé de collaborer avec VELO3D, en s’appuyant sur sa technologie exclusive de fabrication additive métalliques sans support. Leur objectif est de rendre leurs turbines 40 fois plus efficaces en offrant une densité de puissance 10 fois supérieure et en réduisant le poids de 50 % par rapport aux micro-turbines traditionnelles.

Les technologies de fabrication additive ne remplaceront pas les méthodes de fabrication traditionnelles, mais elles peuvent certainement améliorer les performances pour des applications dont la conception n’a pas encore été optimisée. C’est le cas des micro-turbines, pour lesquelles les restrictions de coût ont toujours interdit la fabrication de caractéristiques complexes susceptibles d’améliorer les performances. Le temps entre deux révisions (TBO en anglais) pour la plupart des petits moteurs à turbine est en moyenne de 40 à 50 heures, mais Roger Smith a l’intention de pousser ce nombre à plus de 1 000 heures, à égalité avec les avions commerciaux. Il prévoit également de réduire de moitié le poids des moteurs, de diminuer le bruit et d’améliorer le rendement énergétique, tout en facilitant la fabrication des turbines. Ce sont des objectifs pour le moins ambitieux !

Crédits photo : VELO3D

Roger Smith est convaincu que son équipe réussira là où d’autres ont échoué grâce à de nombreuses améliorations de conception rendues possibles uniquement grâce à la fabrication additive métallique avancée. C’est là qu’interviennent les capacités sans support de VELO3D et son logiciel AM Flow dédié. Aujourd’hui, certaines conceptions sont impossibles à fabriquer avec les technologies d’impression 3D à base de poudre métallique sans support, ce qui ajoute des étapes de post-traitement supplémentaires pour les retirer, augmentant ainsi les coûts et limitant la liberté de conception. En fin de compte, la technologie sans support permet de fabriquer des composants plus complexes.

Chez Sierra Microturbines, la chambre de combustion – le cœur de leurs micro-turbines Aurelius – a été spécialement conçue pour la fabrication d’additive. Le composant contient des centaines de petits trous, une fine toile maillée, des douzaines de canaux de refroidissement internes et une série de parois minces et extrêmement hautes. La conception initiale comportait 61 pièces distinctes qui ont été regroupées en une seule grâce aux techniques de DfAM. C’est cette conception très sophistiquée que Smith a présentée à divers fabricants de machines 3D avant de choisir VELO3D. Il les a mis au défi de construire la pièce en Hastelloy® X, un métal à haute résistance et à faible fluidité qui permettrait au moteur d’atteindre des températures normalement inaccessibles dans les micro-turbines.

Crédits photo : VELO3D

En parlant de sa collaboration avec VELO3D, Roger Smith déclare : « L’équipe de VELO3D a travaillé avec nous sur la conception, en modifiant certains aspects pour les rendre plus réalisables, mais c’est leur logiciel Flow qui a peut-être été le plus grand catalyseur. Il contient un certain nombre d’outils qui fournissent un retour d’information précieux tout au long du processus de préparation de l’impression. » Au final, l’impression 3D de deux micro-turbines de combustion a pris environ 50 heures – les méthodes de fabrication traditionnelles auraient pris des mois.

De plus, en éliminant les supports sur les porte-à-faux peu profonds, l’équipe de Sierra Turbines a également pu réduire la nécessité d’un usinage secondaire et d’autres processus de finition, qui peuvent être assez coûteux. Enfin, le logiciel de contrôle qualité du système, Assure, documente toutes les données critiques des capteurs qui affectent la qualité des pièces et produit un rapport de construction complet pour la traçabilité. Grâce à ses points de données concernant les saillies, le niveau d’oxygène, la durée de vie des filtres et l’alignement laser, Sierra Turbines a la certitude que la pièce construite est conforme aux normes.

Roger Smith indique qu’une fois que la chambre de combustion aura été testée et évaluée de manière approfondie, il a l’intention de poursuivre l’amélioration des performances. Il ajoute : « VELO3D pense que l’on peut utiliser la fabrication additive pour la production à grande échelle, et moi aussi. Pour le développement futur des turbines à gaz, nous visons à exploiter la puissance de la fabrication additive pour intégrer des caractéristiques telles qu’un récupérateur améliorant le rendement, des capteurs imprimés et des géométries d’isolation et de refroidissement plus innovantes. »

La technologie de fabrication additive métallique avancée aura donc permis de réduire les coûts et les délais de production en permettant de regrouper des dizaines et des dizaines de composants en une seule pièce imprimée en 3D, dont la masse et l’intégrité mécanique sont inférieures à celles de l’alternative soudée et assemblée. Roger Smith espère également atteindre tous les autres objectifs qu’il s’est fixés dans un avenir proche ! Vous pouvez trouver plus d’informations sur le site officiel de VELO3D.

Que pensez-vous de l’utilisation de la fabrication additive métal par Sierra Turbines ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou Twitter !