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[Avis d'expert] Quand l'impression 3D permet d'optimiser la dynamique des fluides

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[Avis d'expert] Quand l'impression 3D permet d'optimiser la dynamique des fluides

Rik Jacobs, Vice-Président Application Innovation & Business/Market development, 3D Systems

© 3D Systems

Limitée par les technologies de fabrication traditionnelles, l’optimisation de la dynamique des fluides trouve une nouvelle alliée avec l’impression 3D. Rik Jacobs, Vice-Président application et innovation chez 3D Systems, nous présente des cas concrets dans lesquels la fabrication additive a permis de libérer l’innovation.

Jusqu'à présent, la capacité d'optimiser la dynamique des fluides était limitée par les technologies de production disponibles. Même si des logiciels permettaient de créer et de simuler les conceptions idéales, leur fabricabilité était limitée par les techniques de production traditionnelles. Les ingénieurs ont atteint une limite dans leur capacité à fabriquer des conceptions complexes de manière rentable et, dans de nombreux cas, les technologies traditionnelles freinaient l'innovation. Grâce à la puissance de la fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, nous assistons à des améliorations sans précédent dans les applications de dynamique des fluides, qui ont un impact positif sur les performances, la fiabilité et l'économie de ces pièces et systèmes.

Pour comprendre les gains et les améliorations rendus possibles par la fabrication additive, il est utile d'examiner les applications à présent envisageables en étudiant des cas d'utilisation réels.

Refroidissement intégré

Le CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) a fait appel à la fabrication additive pour faire progresser la détection des particules dans le cadre des expériences du Grand collisionneur de hadrons. Afin de préserver les réactions des particules à étudier, l'équipe de recherche devait refroidir la zone de détection à -40 C°, ce qui était compliqué par plusieurs facteurs, notamment l'espace limité dans lequel les barres de refroidissement devaient s'insérer, la quantité de chaleur à dissiper dans un espace confiné, la nécessité d'obtenir une température uniforme sur la longueur de la bande de photodétection et les exigences de planéité nécessaires pour préserver l'efficacité et la résolution du détecteur.

Pour commencer, il a fallu concevoir la pièce idéale, mais l'épaisseur de paroi requise a posé problème car elle ne pouvait pas être usinée sur la longueur de la pièce (263 mm).  La fabrication additive a permis de concevoir et produire 600 barres de refroidissement en titane imprimées en 3D (plus de 150 mètres de canaux de refroidissement) présentant l'épaisseur de paroi requise de 0,25 mm avec une étanchéité fiable et une planéité présentant une tolérance de 50 microns.

Systèmes de propulsion et injecteurs de carburant

Le projet SMILE, un consortium comprenant 14 partenaires européens, a bénéficié d'un financement par le biais de l'initiative Horizon2020 de la Commission européenne pour développer un petit lanceur innovant. Dans le cadre de ce projet, le Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, ou DLR) s'est concentré sur la propulsion liquide afin de proposer un moteur réallumable fiable et performant, doté de capacités de réglage du débit. Le moteur utilise un injecteur très complexe pour optimiser le refroidissement de la chambre de combustion, d'où la nécessité évidente d'intégrer des caractéristiques de conception par fabrication additive.

Grâce à la fabrication additive en métal, le DLR a radicalement changé la méthodologie de conception de ses injecteurs coaxiaux en intégrant deux fonctionnalités de refroidissement uniques et en évitant le recours à de multiples sous-composants, ce qui a contribué à réduire considérablement le temps et le coût de production. Le passage de 30 pièces à une seule a contribué à alléger de 10 % le poids final de la pièce et a supprimé les points de défaillance connus aux emplacements de fixation, réduisant ainsi les mesures de contrôle de qualité associées tout en améliorant les performances du système. Globalement, le consortium a atteint le niveau TRL6 visé, en partie parce que le cycle de fabrication raccourci a autorisé une itération supplémentaire.

Collecteurs de fluides

Des collecteurs de fluides sont utilisés dans de nombreux secteurs, depuis les équipements industriels de grande valeur jusqu'aux sports motorisés à grande vitesse et hautes performances. Les collecteurs de fluides fabriqués de manière traditionnelle ne peuvent généralement pas éviter les angles vifs qui perturbent l'écoulement des fluides et favorisent les zones stagnantes dans la pièce, entraînant ainsi une perte de pression. Ils sont aussi généralement volumineux, ce qui a pour effet d'augmenter leur poids.

L'utilisation de la fabrication additive plutôt que des méthodes d'outillage classiques permet aux ingénieurs de commencer le processus de conception par la forme théorique optimale et de poser une fine coquille de matériau autour des cavités. En adoptant cette approche, il est possible de réduire l'encombrement de la pièce, l'utilisation de matériau et le poids en faisant davantage appel à des formes organiques qui améliorent les performances tout en éliminant les angles vifs et les zones stagnantes.

Dispositifs microfluidiques

Les systèmes microfluidiques traitent ou manipulent de petites quantités de fluides en utilisant des canaux dont la taille varie de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. Étant donné ces petites dimensions et la délicatesse des fluides impliqués, les méthodes de fabrication traditionnelles sont lentes, coûteuses et nécessitent des processus de salle blanche qui exigent une importante main-d'œuvre. L'utilisation de la fabrication additive et de matériaux biocompatibles autorise une vitesse et une complexité de conception bien plus élevées dans les dispositifs microfluidiques, avec pour conséquence des performances et des capacités de production bien supérieures.

Par exemple, le projet Lacewing de l'Imperial College London, dédié à la détection des agents pathogènes, a utilisé une imprimante 3D autonome ultra rapide et des matériaux de niveau production biocompatibles pour prototyper et produire des composants fonctionnels et microfluidiques pour sa plate-forme de laboratoire sur puce.Chaque cartouche microfluidique Lacewing mesure environ 30 mm x 6 mm x 5 mm et est imprimée en couches de 10 microns. L'équipe de l'Imperial College utilise matériau rigide et transparent  et fait état d'une biocompatibilité impressionnante pour ses réactions en chaîne par polymérase.

Adopter la fabrication additive pour optimiser la dynamique des fluides

Lorsque l'on décide de passer à l'impression 3D, il est impératif d'évoluer vers une conception adaptée à la fabrication additive. Elle permet d'isoler et de résoudre des aspects délicats associés aux performances d'une pièce sans avoir à composer avec les limites de la fabrication traditionnelle - les ingénieurs peuvent donc perfectionner les pièces et systèmes en les dotant de nouvelles fonctionnalités.

Lors de l'intégration du procédé dans un flux de production, il est important de se rappeler que les solutions de fabrication additive comprennent non seulement des matériaux, du matériel et des logiciels, mais aussi le savoir-faire pointu en matière d'ingénierie pour augmenter les capacités de fabrication et de performance.

Les services d'ingénierie peuvent apporter une valeur considérable aux équipes qui cherchent à développer, valider et dimensionner les flux de travail de la fabrication additive. Demander l'avis d'un expert dès la phase de conception aura un impact positif sur les délais et les résultats. Les principaux fabricants ont de plus en plus recours à la fabrication additive pour améliorer les performances, les coûts et la fiabilité des pièces. Les ingénieurs sont désormais en mesure de créer des pièces de grande valeur en s'affranchissant des limites inhérentes aux technologies traditionnelles, avec pour conséquences une innovation stimulée et des secteurs en mutation

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