Couche par couche

Les pièces des moteurs à réaction doivent résister à des forces et des températures stupéfiantes, et elles doivent être aussi légères que possible pour économiser du carburant. Cela signifie que leur fabrication est complexe et coûteuse : les techniciens de General Electric soudent ensemble jusqu'à 20 pièces de métal distinctes pour obtenir une forme qui mélange efficacement le carburant et l'air dans un injecteur de carburant. Mais pour un nouveau moteur qui sortira l'année prochaine, GE pense avoir une meilleure façon de fabriquer des injecteurs de carburant : en les imprimant.

Pour ce faire, un laser trace la forme de la section transversale de l'injecteur sur un lit de poudre de cobalt-chrome, fusionnant la poudre sous forme solide pour construire l'injecteur une couche ultrafine à la fois. Cela promet d’être moins coûteux que les méthodes de fabrication traditionnelles, et devrait conduire à une pièce plus légère, c’est-à-dire de meilleure qualité. Les premières pièces seront destinées aux moteurs à réaction, explique Prabhjot Singh, qui dirige un laboratoire chez GE qui se concentre sur l'amélioration et l'application de ce processus d'impression 3D et d'autres similaires. Mais, ajoute-t-il, « il n'y a pas un jour où nous n'entendons pas parler d'une des autres divisions de GE intéressée par l'utilisation de cette technologie ».

Ces innovations sont à l’avant-garde d’un changement radical dans la technologie de fabrication, particulièrement intéressante dans les applications avancées telles que l’aérospatiale et l’automobile. Les techniques d’impression 3D ne rendront pas seulement plus efficace la production de pièces existantes. Ils permettront également de produire des choses qui n'étaient même pas concevables auparavant, comme des pièces aux formes complexes et évidées qui minimisent le poids sans sacrifier la résistance. Contrairement aux processus d’usinage, qui peuvent laisser jusqu’à 90 % du matériau sur le sol, l’impression 3D ne laisse pratiquement aucun déchet – un problème considérable avec des métaux coûteux comme le titane. Cette technologie pourrait également réduire le besoin de stocker des pièces en stock, car il est tout aussi simple d'imprimer une autre pièce, ou une version améliorée de celle-ci, 10 ans après la fabrication de la première. Un constructeur automobile recevant des rapports faisant état d'une défaillance d'un mécanisme de ceinture de sécurité pourrait avoir une version reconfigurée en route vers les concessionnaires d'ici quelques jours.

La fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, est apparue au milieu des années 1980 après que Charles Hull a inventé ce qu'il a appelé la stéréolithographie, dans laquelle la couche supérieure d'un pool de résine est durcie par un laser ultraviolet. Diverses méthodes d'impression 3D sont devenues populaires auprès des ingénieurs qui souhaitent créer des prototypes de nouvelles conceptions ou fabriquer quelques pièces hautement personnalisées : ils peuvent créer un plan 3D d'une pièce dans un programme de conception assistée par ordinateur, puis obtenir un l'imprimante pour le recracher des heures plus tard. Ce processus évite les coûts initiaux, les longs délais de livraison et les contraintes de conception des techniques de fabrication conventionnelles à grand volume comme le moulage par injection, le moulage et l'estampage. Mais la technologie n’a été adaptée qu’à un ensemble limité de matériaux, et des questions ont été soulevées quant au contrôle qualité. La fabrication de pièces de cette manière a également été lente : cela peut prendre une journée ou plus pour réaliser ce que la fabrication traditionnelle peut accomplir en quelques minutes ou heures. Pour ces raisons, l’impression 3D n’a pas été utilisée pour de très grandes séries de pièces de production.

Mais aujourd’hui, la technologie progresse suffisamment pour permettre la production sur des marchés de niche tels que les dispositifs médicaux. Et il est sur le point de se développer dans plusieurs applications plus importantes au cours des prochaines années. "Nous sommes arrivés au point où suffisamment de progrès critiques sont réalisés pour rendre la technologie vraiment utile dans la fabrication de pièces finales", déclare Tim Gornet, qui dirige le centre de prototypage rapide de l'Université de Louisville.

FAIRE DES PERCÉES

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour « imprimer » un objet solide couche par couche. Lors du frittage, une fine couche de poudre métallique ou de thermoplastique est exposée à un laser ou à un faisceau d'électrons qui fusionne le matériau en un solide dans des zones désignées ; puis une nouvelle couche de poudre est appliquée dessus et le processus est répété. Les pièces peuvent également être construites avec du plastique ou du métal chauffé, extrudé ou projeté à travers une buse qui se déplace pour créer la forme d'une couche, après quoi une autre couche est déposée directement sur le dessus, et ainsi de suite. Dans une autre méthode d’impression 3D, la colle est utilisée pour lier les poudres.