En témoigne l’utilisation grandissante de l’impression 3D dans le domaine aérospatial, cette technologie jouera à coup sûr un rôle crucial dans l’exploration et la conquête spatial. De Blue Origin à Arianegroup, tous les acteurs majeurs de cette industrie exploitent déjà ses bénéfices pour produire à moindre coût des pièces plus légères et plus complexes. La célèbre NASA expérimente régulièrement de nouvelles méthodes et développe même sa propre technologie d’impression 3D métal.
En 2014, la co-entreprise de la Nasa Jet Propulsion Laboratory, avait octroyé un financement à la jeune pousse Fabrisonic pour développer un nouveau procédé d’impression 3D métallique par ultrasons. Après des années de recherches et de tests poussés, l’entreprise américaine annonce aujourd’hui avoir imprimé avec succès des échangeurs de chaleur en aluminium.
Un procédé d’impression 3D inspiré du soudage par ultrasons
La méthode d’impression 3D imaginée par Fabrisonic s’inspire en fait du soudage par ultrasons bien connu des industriels. Cette technique née dans les années 50 permettait à l’origine un assemblage plus rapide et économique des matériaux plastiques et métalliques. Son fonctionnement repose sur l’utilisation d’un outil vibrant appelé sonotrode. Les vibrations hautes fréquences qu’il émet provoquent une excitation des molécules qui produisent la chaleur nécessaire pour souder les deux pièces entre elles.
Fabrisonic a adapté cette ancienne technique de soudure en superposant des feuilles métalliques. En répétant l’opération plusieurs fois on obtient ainsi un objet solide. La société a développé deux imprimantes 3D hybrides baptisées SonicLayer 4000 et SonicLayer 7200. En plus de leurs généreux volumes de construction (101 x 35 x 35 cm et 182 cm x 182 cm x 91 cm), les machines embarquent une fraiseuses 3 axes permettant de parachever la pièce pour lui donner sa forme définitive.
« l’UAM permet d’intégrer plusieurs métaux dans une seule construction »
La technologie « Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) » développée par Fabrisonic est un procédé d’impression 3D dit semi-conducteur. C’est à dire que la température du matériau ne dépasse pas les 121° C. Dès lors les propriétés chimiques et structurelles du matériau sont conservées. L’autre avantage de cette technique réside dans sa capacité à pouvoir combiner des matériaux très différents en superposant par exemple des feuilles d’aluminium 6061 et de cuivre.
Là où pour les joints de transition, les techniques classiques produisent des couches intermétalliques fragiles, l’UAM permet d’imprimer en 3D des joints personnalisés à partir de nombreuses combinaisons de métaux différents. (acier inoxydable 304 + l’aluminium 5052 par exemple).
« Les méthodes développées dans le cadre du financement JPL de la NASA ont été rapidement étendues à de nombreuses applications de production commerciale », peut-on lire dans dans le livre blanc de Fabrisonic. « Pour aider à l’adoption de la technologie, l’équipe travaille à explorer d’autres domaines clés. Par exemple, la nature à l’état solide de l’UAM permet d’intégrer plusieurs métaux dans une seule construction. Ainsi, le cuivre peut être intégré en tant que diffuseur de chaleur dans des endroits critiques améliorant la performance thermique avec une petite pénalité de poids. »
Des conducteurs de chaleur imprimés d’un seul tenant en seulement 2 semaines
Grâce à son procédé, Fabrisonic a été en mesure de fabriquer une grande variété d’échangeurs de chaleur. Les trois pièces imprimées en 3D par l’entreprise ont passé avec succès les tests de qualifications mécaniques au sol. Une étude comparative montre les avantages des pièces imprimées en 3D par apport aux échangeurs traditionnels. Non seulement les échangeurs de chaleur UAM ont été fabriqués d’un seul tenant en seulement deux semaines (contre 40 pièces et 2 mois avec les techniques classiques), mais ils affichent une légère réduction de poids de 1,82 kg à 1,26 kg. Leur conductance thermique est également améliorée de 25 à 35%.
L’impression 3D par ultrasons a déjà été expérimentée sous une autre forme par des physiciens russes. Une équipe de chercheurs de l’Université d’Etat de Tomsk, avait utilisé des ondes sonores pour imprimer des particules en lévitation.
