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PRIMA ADDITIVE | L’optimisation des turbines passe par la fusion sur lit de poudre

10/02/23

PRIMA ADDITIVE - Turbine optimization goes through Powder Bed Fusion

L’optimisation des turbines passe par la fusion sur lit de poudre

Parmi les grands avantages de la fabrication additive métallique, il y a sans aucun doute la possibilité de prototyper rapidement des pièces complexes. En effet, grâce à la fabrication additive, un composant peut être conçu, imprimé et testé beaucoup plus rapidement et précisément qu’avec les technologies traditionnelles.

De cette manière, plusieurs phases du processus de développement du produit sont éliminées, avec une réduction drastique des erreurs, grâce à des systèmes de contrôle de plus en plus avancés qui, couche par couche, surveillent l’ensemble du processus de production pour garantir la qualité finale du composant.

Ainsi, le temps qui s’écoule entre l’idée et sa réalisation est raccourci, les temps de prototypage sont réduits, ce qui permet de tester de nouvelles variantes et personnalisations en peu de temps et avec moins d’efforts.

Le projet développé par l’Université de Vaasa s’inscrit dans cette lignée. L’université de Vaasa est une université multidisciplinaire et orientée vers les affaires qui fait partie du réseau Prima Open Additive et collabore avec Prima Additive au développement de la fabrication additive en Finlande.

Avec son laboratoire de recherche, l’université de Vaasa fournit aux entreprises locales tous les conseils dont elles peuvent avoir besoin pour aborder la fabrication additive, leur permettant de développer leurs propres applications sur place, grâce à la disponibilité de différents équipements, dont le Print Sharp 250 de Prima Additive.

PRIMA ADDITIVE - Turbine optimization goes through Powder Bed Fusion

Parmi les entreprises qui ont fait appel au centre d’application de l’université figure Finno Energy, une start-up d’Helsinki qui a mis au point une conception innovante pour la chambre de combustion d’une turbine à gaz, qui améliore l’efficacité globale en réduisant la consommation de carburant et, par conséquent, les émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

La turbine conçue par Finno Energy convient non seulement aux moteurs automobiles, mais aussi à ceux du secteur aéronautique, aux turbines industrielles et à la production d’énergie. En outre, la conception de cette turbine a été testée pour fonctionner avec des carburants alternatifs, tels que l’hydrogène et les biocarburants.

Le projet mené par Finno Energy en collaboration avec l’université de Vaasa porte sur la reconception d’un turbocompresseur. Parmi les exigences, il y avait principalement la nécessité de conserver la chaleur à l’intérieur de la volute et de résister à une pression de 20 bars. En outre, le choix du matériau le plus approprié devait être fonctionnel, étant donné que la pièce fonctionne à des températures d’environ 1055° C, et qu’elle doit donc présenter des caractéristiques de résistance thermique fonctionnelles pour supporter ces températures.

PRIMA ADDITIVE - Turbine optimization goes through Powder Bed Fusion

Sur la base de ces critères, l’étude d’application a commencé par l’exploration de différentes stratégies de conception, en essayant de comprendre si une conception modulaire était plus fonctionnelle ou s’il fallait produire l’ensemble du composant en une seule pièce. C’est précisément en raison de la possibilité de créer une pièce unique sans devoir procéder à un assemblage ultérieur, ainsi que de la possibilité de créer une forme plus fonctionnelle, qu’il a été décidé de recourir à la fabrication additive métallique.

Une fois la technologie identifiée, d’autres détails liés à l’impression ont été analysés, tels que la hauteur de la couche, l’orientation de la pièce sur la plaque d’impression et la conception des supports nécessaires.
La fabrication additive métallique s’est avérée être la technologie la plus pratique car elle a permis d’appliquer une structure réticulaire à l’intérieur du composant, communément appelée structure en treillis, ce qui permet de réduire le poids du composant et, en même temps, de favoriser l’isolation thermique. En outre, grâce à cette technologie, il a été possible de réduire considérablement le temps total de prototypage et le coût de production de la pièce, par rapport à l’utilisation des technologies traditionnelles.

En effet, avec un processus de moulage traditionnel, il aurait été possible de créer un composant similaire, mais sans une structure intérieure aussi complexe et avec des coûts et des temps de construction beaucoup plus élevés, puisqu’il aurait fallu créer des moules ad hoc, avec une dépense économique importante et une perte de temps, sans compter les longues phases de post-traitement.

Avant d’arriver au produit final, plusieurs tests ont été effectués, aussi bien par le biais de systèmes de simulation numérique que par des essais d’impression. C’est précisément dans la phase d’essai de la conception que l’avantage de la technologie additive apparaît encore plus clairement, puisque chaque modification du fichier peut être effectuée en peu de temps et, contrairement aux technologies traditionnelles, ne nécessite pas de nouveaux moules ou d’outils différents.

Grâce à l’utilisation de l’Inconel 725 dans le processus additif, les propriétés mécaniques et les caractéristiques superficielles du composant se sont avérées conformes aux demandes ; par conséquent, la pièce réalisée est prête à l’emploi dès sa sortie de la machine, sans nécessiter de traitements ultérieurs.

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En utilisant le Print Sharp 250 de Prima Additive, dont le volume de travail est de 258 x 258 x 330 mm, il a été possible de créer l’un de ces composants en 84 heures environ.

Finno Energy, grâce au soutien de l’Université de Vaasa, poursuivra ses recherches sur ce type de composants dans un avenir proche, en essayant d’analyser comment améliorer encore les fonctions du composant grâce à l’optimisation topologique de la conception, en essayant d’augmenter l’isolation thermique et de réduire encore le poids et le temps de fabrication du composant.

Ce cas démontre que, grâce à la fabrication additive, il est possible de créer et de tester des prototypes avec une conception optimisée beaucoup plus rapidement qu’avec les technologies traditionnelles. Comme cette technologie est fortement influencée par les cas d’application, Prima Additive est toujours disponible, directement ou à travers son réseau de Prima Open Additive Labs, pour soutenir ceux qui veulent aborder la fabrication additive en aidant les entreprises à valider leurs applications et à exploiter tout le potentiel de cette technologie.

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