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Tête d’injecteur de fusée liquide imprimée en 3D 3D Systems

Lorsque les ingénieurs de l’Institut des structures et de la conception du Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, ou DLR) ont été chargés de concevoir la tête d’injecteur de moteur de fusée liquide pour le projet de l’Union européenne Horizon 2020 appelé SMall Innovative Launcher for Europe (SMILE) Project), ils se sont tournés vers l’impression 3D sachant qu’elle pouvait facilement gérer la conception complexe.

La tête d'injecteur de fusée liquide imprimée en 3D réduit

Dans les fusées, le combustible solide est un propulseur courant car il brûle de manière plus prévisible que les combustibles liquides et il peut être stocké pendant de longues périodes sans grande dégradation. Les fusées modernes ont adopté la réutilisabilité, et comme les combustibles solides causent des dommages importants à la fusée, les combustibles liquides sont l’option préférée pour les fusées réutilisables d’aujourd’hui. La remise à neuf et la réutilisation des fusées permettent au DLR d’offrir des options plus rentables pour les petits lanceurs de satellites. Mais la réutilisabilité se fait au prix d’une complexité accrue, c’est pourquoi l’équipe s’est tournée vers la FA.

Les responsables de l’équipe DLR Markus Kuhn et Ilja Müller se sont associés au Centre d’innovation client (CIC) de 3D Systems à Louvain, en Belgique, pour concevoir la tête d’injecteur. «Sur la base du succès des initiatives liées à l’espace impliquant DMP (Direct Metal Printing), nous avons pensé que 3D Systems était parfaitement adapté pour fournir les aspects de conception pour la fabrication de la tête d’injecteur, avec un œil sur de nouvelles possibilités d’intégration de capteurs et de carburant et la distribution du liquide de refroidissement », a déclaré Kuhn. En imprimant en 3D la tête d’injection, ils ont pu réduire les pièces de l’assemblage de 30 à 1, obtenant une réduction de poids de 10%. Le composant monolithique est non seulement plus rigide et plus léger, mais comprend également des canaux de refroidissement qui améliorent l’efficacité et la propulsion. Comme il est imprimé en LaserForm Ni718 (A), un alliage Inconel, il résiste à l’oxydation et à la corrosion. C’est particulièrement important car la tête d’injecteur est l’endroit où le carburant et le comburant pénètrent dans la chambre de combustion. Le matériau fonctionne bien à des températures cryogéniques allant jusqu’à 700 ° C, ce qui est tout aussi important car il ira dans l’espace.

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Koen Huybrechts, ingénieur de projet pour 3D Systems, savait que leur conception avait des fonctionnalités améliorant les performances qui ne pouvaient être produites qu’avec une imprimante 3D métal très précise.Il a donc aidé l’équipe DLR à choisir la technologie idéale – l’impression directe en métal.

Au-delà de l’amélioration des performances mécaniques et thermiques, la consolidation de la tête d’injecteur en une seule pièce a considérablement raccourci le délai de production en contournant l’approvisionnement et l’assemblage de toutes ces différentes pièces. Les avantages ne s’arrêtent pas là. Sans les restrictions de conception imposées par les méthodes de fabrication traditionnelles, les ingénieurs pourraient mettre en œuvre des techniques d’injection coaxiale qui optimisent le mélange comburant-carburant via une forme à double tourbillon. Une telle forme serait pratiquement impossible à fabriquer sans impression 3D.

Des simulations informatiques ont indiqué que la conception produisait des efficacités de mélange et de combustion favorables, et les tests au feu à chaud de la pièce imprimée ont montré les mêmes résultats, validant à la fois la précision de la simulation de conceptions imprimables en 3D et la fonctionnalité de la tête d’injection imprimée en 3D elle-même. Müller ne mâche pas ses mots sur les avantages de l’utilisation de la FA pour ce projet, déclarant: «Nous pensons que nous pouvons affirmer en toute sécurité que les fonctionnalités intégrées de la tête d’injection imprimée en 3D sont supérieures et que les temps et les coûts de production sont inférieurs par rapport à l’état de – des pièces équivalentes à la pointe de la technologie fabriquées selon des méthodes conventionnelles. »

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Images gracieuseté de 3D Systems

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