Dans le domaine de la technologie aérospatiale, la course au développement de systèmes de propulsion capables de propulser des véhicules à des vitesses hypersoniques n’a jamais été aussi intense. Le vol hypersonique, défini comme des vitesses supérieures à Mach 5, est désormais à notre portée, en grande partie grâce à la fusion de l’impression 3D et des matériaux de pointe.
Dans ce blog, nous nous penchons sur une étude de cas captivante dans laquelle Velo3D, Lockheed Martin et Vibrant se sont associés à l'Institut LIFT du ministère de la Défense pour lancer une approche basée sur les données pour certifier les matériaux et les méthodes cruciaux pour les systèmes aérospatiaux fabriqués de manière additive.
Depuis le début du projet jusqu'aux détails complexes de la science des matériaux, ce partenariat remarquable ouvre la voie à une nouvelle ère de l'ingénierie aérospatiale.
L’urgence du vol hypersonique
La demande de progrès dans les applications aérospatiales, en particulier dans l’industrie de la défense, a atteint un niveau record. Les concurrents mondiaux s’efforcent de développer des systèmes de propulsion capables de propulser des aérosystèmes à des vitesses supersoniques et hypersoniques, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère de technologie aérospatiale. Cet effort a ouvert la porte à des méthodes de fabrication innovantes.
À la pointe de cette révolution technologique se trouve l’impression 3D.
Impression 3D : transformer la fabrication aérospatiale
L’impression 3D est devenue une technologie transformatrice dans la fabrication aérospatiale. Il offre la possibilité de créer des conceptions de moteurs complexes en une seule pièce qui sont non seulement plus légères mais également plus rapides à produire par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles.
De plus, le développement de matériaux évolue parallèlement à l’impression 3D, en mettant l’accent sur la certification d’alliages métalliques hautes performances spécifiquement adaptés aux systèmes de fabrication additive (FA).
Le rôle du département américain de la Défense
Alors que le prototypage reste essentiel pour atteindre les objectifs aérospatiaux, le Département américain de la Défense (DoD) s'est lancé dans une approche globale de la fabrication additive, en commençant par une plongée approfondie dans la science des matériaux et la fabrication.
Dans cette quête, le DoD s'est associé à LIFT, une collaboration public-privé à but non lucratif située à Détroit, dans le Michigan. LIFT opère en tant qu'acteur clé au sein de l'American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute et est à l'avant-garde de l'avancement de la technologie, de la recherche à la commercialisation.
LIFT : un phare d’innovation
LIFT constitue un modèle exemplaire de partenariat public-privé, reliant les intérêts du DoD, de l’industrie et du monde universitaire. Opérant dans une vaste installation de 100,000 XNUMX pieds carrés, LIFT se consacre à la mise à l’échelle des technologies émergentes en applications commerciales. Parmi la myriade de projets, le « Hypersonics Challenge », financé par le Manufacturing Technology Program du DoD, occupe une place de choix. L'objectif du défi est d'identifier les matériaux et les processus de fabrication qui peuvent conduire efficacement à des véhicules et des missiles hypersoniques capables de voler.
Le directeur de l'ingénierie de LIFT, le Dr John Keogh, joue un rôle central dans cette entreprise, aux côtés du Dr Amberlee Haselhuhn, directrice des matériaux et de l'ICME.
John Keogh, responsable technique, et le chef de projet Brad Friend tiennent une section coupée du statoréacteur LIFT Hypersonic Challenge imprimé en 3D. Le projet était centré sur les installations de 100,000 XNUMX pieds carrés de l'American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute à Detroit, dans le Michigan. Image fournie par LIFT.
L’impression 3D prend son envol : le projet Ramjet
Dans un effort révolutionnaire, LIFT, Lockheed Martin et Vibrant ont uni leurs forces pour se lancer dans un voyage visant à créer un Moteur statoréacteur imprimé en 3D. L'objectif principal du projet était de déterminer quelles données pouvaient être collectées lors du processus d'impression par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et comment ces données pouvaient être utilisées pour certifier les composants pour le vol hypersonique. Cette approche a marqué une rupture avec les méthodes statistiques traditionnelles de validation des pièces, se concentrant plutôt sur des flux de données en temps réel pour la certification.
Le système LPBF choisi pour le projet statoréacteur était le Velo3D Sapphire 1 MZ, réputée pour sa capacité à imprimer des objets jusqu'à un mètre de hauteur.
Cette vidéo montre 15,247 XNUMX couches d'Inconel® 718, imprimé sur un Velo3D Sapphire Imprimante 1MZ en seulement 26 secondes sous forme de pièce solide sans support, et conçue pour les petits avions volant à des vitesses supersoniques.
Chaque Sapphire Le système est équipé de centaines de capteurs, fournissant des données complètes en temps réel pendant le processus d'impression. La technologie de Velo3D collecte non seulement de grandes quantités de données, mais dispose également d'une enveloppe de construction impressionnante, parfaitement adaptée à la fabrication en volume.
De l’affectation en classe à la percée aérospatiale
L’origine de la conception du statoréacteur témoigne de l’esprit d’innovation qui anime l’ingénierie aérospatiale. Conçu comme un devoir en classe par un étudiant de premier cycle en génie aérospatial de l'Université Purdue, la conception du statoréacteur visait à consolider des composants complexes du moteur en une seule structure imprimée en 3D.
La conception de Jay Blake envisageait d'incorporer la pointe d'entrée d'un statoréacteur dans un turboréacteur, agissant comme un échangeur de chaleur pour améliorer l'efficacité de la combustion du carburant. Son projet de devoirs a été inspiré par le turboréacteur J-58 utilisé sur le SR-71 Blackbird (qui, en septembre 2023, détient toujours un record de 1976 comme l'avion supersonique à respiration aérienne le plus rapide – Mach 3.2). Des années plus tard, cette conception a refait surface lorsque Blake a commencé à travailler pour Velo3D, ce qui lui a permis de réaliser que sa vision pouvait devenir réalité.
Le créateur rencontre la création : l'ancien étudiant en ingénierie Jay Blake, désormais membre de l'équipe des applications aérospatiales de Velo3D, nettoie le statoréacteur après l'impression 3D. Il a imaginé sa conception originale dans le cadre d'un devoir de cours de premier cycle. Image fournie par Velo3D
L'intérêt et l'adaptation de Lockheed Martin
Lockheed Martin, un important constructeur aérospatial et client de Velo3D, s'est vivement intéressé au projet de statoréacteur imprimé en 3D.
La technologie innovante de North Star Imaging permet de valider les géométries internes d'une pièce sans la détruire. Leurs services d'inspection par rayons X par tomodensitométrie (CT) 3D utilisent la technologie d'inspection par rayons X la plus avancée pour fournir l'image la plus claire d'une pièce, à l'intérieur comme à l'extérieur, éliminant pratiquement toute erreur d'évaluation. Les scans présentés ici sont des surfaces solides, des tranches et des surfaces internes.
Lockheed Martin a travaillé en partenariat avec Velo3D et LIFT pour aider l'équipe dans ses recherches sur l'étape de développement de la fabrication additive métallique pour des utilisations spécifiques, ainsi que sur la précision des matériaux utilisés à cette fin. La conception de Blake, exempte de géométrie contrôlée par l'ITAR, a servi d'exemple idéal pour la fabrication additive. Cela a permis une évaluation complète de la métallurgie, de la structure et du processus d'impression 3D sans les contraintes de l'ITAR et du contrôle des exportations.
Alors que la conception initiale était destinée aux moteurs supersoniques, Lockheed Martin a reconnu le potentiel d'adaptation en un moteur scramjet, capable d'atteindre des vitesses hypersoniques. Cette collaboration a ouvert la voie à l’évaluation de la maturité de la fabrication additive métallique pour les applications critiques et à l’examen minutieux de la fidélité des matériaux.
Assurance qualité grâce aux tests de résonance
Pour évaluer la qualité et l’intégrité des composants du statoréacteur imprimés en 3D, l’équipe a eu recours aux tests de résonance à compensation de processus (PCRT) de Vibrant. Le PCRT utilise des fréquences ultrasonores pour exciter les modes de vibration d'une pièce, en enregistrant des fréquences de résonance uniques basées sur la géométrie et les propriétés des matériaux. Cette approche non destructive s'est avérée efficace pour identifier les fissures internes, la porosité et les défauts de surface, offrant ainsi des informations précieuses sur la qualité des composants.
Certification basée sur les données et perspectives d'avenir
Le succès du projet statoréacteur annonce une nouvelle ère dans la certification de la fabrication additive. Les données collectées pendant le processus d'impression servent de représentation objective de la qualité des pièces, ouvrant la voie à des modèles prédictifs qui relient les données post-construction aux flux de données.
Les techniques d’apprentissage automatique et de fusion de données devraient jouer un rôle central dans la détection des indicateurs de qualité, permettant ainsi des processus de certification plus efficaces. Alors que le projet entre dans sa prochaine phase, le comportement à la fatigue sera un objectif clé, avec pour objectif ultime de produire des composants hypersoniques « certifiés nés ».
Une voie vers des composants hypersoniques « certifiés Born »
La collaboration entre Velo3D, Lockheed Martin et Vibrant au LIFT Institute constitue un phare de l'innovation dans le domaine de l'ingénierie aérospatiale. En exploitant la puissance de l'impression 3D, la certification basée sur les données et les matériaux de pointe, ce partenariat repousse les limites de ce qui est possible en vol hypersonique.
À l’avenir, la perspective de composants « né-certifiés » et la participation continue de talents de premier cycle annoncent un avenir brillant pour la technologie aérospatiale.
Avec le ciel comme limite, nous pouvons nous attendre à des avancées encore plus importantes à l’horizon.
