Plus un avion est lourd, plus il a besoin de carburant pour rester en vol. Chaque pièce s'ajoute au poids total de l'avion, des ailes aux moteurs en passant par les boulons qui maintiennent tout ensemble. Les nombreuses pièces qui composent un véhicule sont traditionnellement fabriquées à l'aide de divers procédés d'usinage dans lesquels les matières premières sont découpées dans les formes finales souhaitées. Cependant, les procédés d'usinage traditionnels comme le fraisage ou la rectification sont limités lorsqu'il s'agit d'optimiser les formes pour le poids le plus faible. Ces méthodes d'usinage traditionnelles ont conduit les fabricants à créer de nombreuses pièces distinctes qui s'emboîtent, mais ce n'est pas nécessairement le cas.

Kate Whitefoot, professeur assistant en génie mécanique et en génie et politiques publiques, et Levent Burak Kara, professeur de génie mécanique, développent des méthodes permettant aux fabricants de consolider des pièces discrètes, en prenant plusieurs pièces de tailles différentes et en les redessinant en une seule pièce. Cette partie continue pourrait ensuite être imprimée en 3D en métal.

La fabrication additive, également connu sous le nom d'impression 3D, permet la production de nouvelles formes qui ne pouvaient pas être produites auparavant. En tant que membres du NextManufacturing Center de Carnegie Mellon, Whitefoot et Kara utilisent la fabrication additive pour réinventer ce qui est possible lors de la création de composants.

"Ce que la consolidation de pièces nous permet de faire, c'est de fabriquer de manière monolithique des composants qui devraient normalement être assemblés entre eux, " dit Whitefoot. " Cela peut réduire considérablement les coûts associés à la fabrication de ces pièces, et aussi potentiellement nous permettre des gains de poids significatifs. C'est donc quelque chose qui intéresse vraiment les fabricants, en particulier dans des secteurs comme l'aérospatiale et l'automobile."

En consolidant plusieurs pièces de tailles différentes en une seule pièce, Whitefoot peut diminuer le nombre d'attaches, supprimer les surfaces de contact associées aux pièces, et imprimer monolithiquement ces pièces. Sous certaines conditions, cela peut les rendre plus solides que plusieurs pièces qui l'étaient, par exemple, soudés ensemble.

En repensant la géométrie des pièces pour réduire encore le poids, Les recherches de Whitefoot pourraient révolutionner de nombreux secteurs industriels, en particulier l'aérospatiale et l'automobile. Lorsque la consolidation des pièces est mise à profit pour réduire les coûts de production associés au processus, la fabrication additive devient plus compétitive par rapport aux méthodes de fabrication plus traditionnelles. En consolidant des pièces, Whitefoot et Kara réduisent non seulement les coûts de production et les économies de poids, mais aussi de réduire considérablement le temps passé à imprimer la construction.

L'une des raisons pour lesquelles cela est si attrayant dans le secteur aérospatial est que les livres se traduisent directement par la consommation de carburant tout au long de la durée de vie des avions. Chaque once économisée en optimisant la taille et le poids d'une pièce peut aider à compenser cette consommation de carburant, réduisant ainsi les coûts et les impacts environnementaux.

« Si nous pouvons utiliser ces méthodes pour réduire considérablement les coûts de production, alors beaucoup plus d'industries pourraient adopter l'additif et ensuite profiter des avantages de performance qu'il peut apporter, " dit Whitefoot, "ce qui inclut l'ouverture de l'espace de conception et potentiellement des économies de poids significatives, ayant des coûts et des avantages environnementaux énormes lorsqu'il s'agit d'applications où nous traduisons en consommation de carburant."

Pouvoir fusionner des pièces et les produire en une seule pièce monolithique est un pas de géant pour la fabrication de pièces, mais les chercheurs veulent aller plus loin - vers une refonte automatique. Whitefoot travaille avec Kara pour automatiser l'optimisation des formes de pièces métalliques créées par fabrication additive, en minimisant le poids de ces pièces, ainsi que le coût de production.

"Avec l'avancée de la fabrication additive, maintenant nous pouvons fabriquer des géométries plus complexes, " explique Kara. " Une chose qui rend l'optimisation de la topologie additive attrayante est que nous pouvons maintenant fabriquer des pièces qui n'étaient théoriquement possibles auparavant. Dans les pièces, des géométries internes complexes peuvent être réalisées pour minimiser la masse globale de la pièce, tout en s'assurant que la structure peut résister à toutes les forces extérieures qui lui sont appliquées aussi bien qu'une pièce usinée traditionnellement. »

Whitefoot et Kara développent des méthodes permettant l'optimisation automatique des pièces. Avec cette recherche, un fabricant pourrait télécharger un fichier CAO d'un ensemble de pièces, et ces méthodes évalueraient automatiquement la manière optimale dont cet ensemble de pièces devrait être consolidé.

"Prendre plusieurs pièces et pouvoir les synthétiser automatiquement en une seule pièce géométrique n'était peut-être pas possible auparavant, " Kara ajoute, "mais avec la fabrication additive, nous pouvons maintenant non seulement optimiser pour la meilleure combinaison de ces pièces, nous pouvons réellement créer les pièces qui étaient impossibles à créer avec les méthodes d'usinage traditionnelles."

Whitefoot et Kara font actuellement l'objet d'un premier projet d'un an avec Boeing pour démontrer la faisabilité des méthodes qu'ils ont développées. Sur le marché commercial, il faut du temps pour passer d'une méthode viable au stade de la recherche à une capacité de vie commerciale réelle, mais les chercheurs prévoient que cette technologie pourrait être disponible dans le commerce dans un horizon de cinq ans.

« Nous faisons cela pour aider les ingénieurs et les concepteurs de fabrication additive à rationaliser le processus de création d'outils plus automatisés, " dit Whitefoot, « donc la conception additive peut vraiment passer d'un art à une science. »