Non-Planar Multinozzle Additive Manufacturing of Thermoset Composites

Au cours de la dernière décennie, l'industrie aérospatiale a progressivement adopté des technologies de fabrication additive (FA) pour fabriquer des pièces fonctionnelles plus complexes tout en réduisant les déchets de matériaux qui étaient auparavant produits par les techniques traditionnelles de fabrication soustractive. Dans le monde de la recherche académique, la conception de systèmes d'impression avancés et le développement de matériaux ont contribué à faire progresser la FA des polymères et des composites et ont démontré leur potentiel pour la fabrication de pièces multifonctionnelles légères. Dans l'industrie aérospatiale, les revêtements d'étanchéité abradables en polymère thermodurcissable sont principalement utilisés dans la région en amont des moteurs d'avion pour réduire leur consommation spécifique de carburant en générant un faible jeu entre les pièces rotatives et le carter. Cependant, les méthodes d'application actuelles, telles que le pistolet pneumatique ou le procédé de moulage, ne permettent pas un contrôle total de la géométrie du revêtement. L'écriture directe d'encre (DIW) est une technique de FA qui permet l'extrusion de matériaux tels que des encres viscoélastiques, des hydrogels et certains composites thermodurcissables. Il a été démontré que la DIW permet la FA d'échantillons abradables à petite échelle (i.e., de quelques centimètres de large) sous la forme d'un empilement périodique tridimensionnel (3D) de filaments à micro-échelle appelé micro-échafaudages. Ces micro-échafaudages abradables ont montré des capacités d'absorption acoustique qui pourraient être utilisées pour réduire le bruit produit par les avions. Cependant, la vitesse d'impression lente et le long temps d'impression souvent associés à ces structures complexes à haute résolution, combinés aux défis de la DIW des composites thermodurcissables (e.g., la polymérisation, la viscosité, le temps de gélification), rendent difficile la mise à l'échelle des micro-échafaudages à l'échelle du mètre pour la FA d'un revêtement abradable réel de grande taille destiné aux carters courbés des avions. Par conséquent, l'objectif principal de cette recherche est de développer une méthode de FA non planaire pour l'impression 3D rapide d'un matériau thermodurcissable abradable, permettant la production d'un revêtement abradable léger sous la forme d'un grand réseau de micro-échafaudages, inspiré de motifs d'absorption acoustique. La méthode développée implique une tête d'impression multibuses montée sur un bras robotique à 6 axes pour permettre l'extrusion simultanée de 26 filaments sur la surface non planaire d'un carter d'avion. Un modèle de prédiction de la pression ainsi qu'un générateur de trajectoires d'outils non planaires pour les têtes d'impression multibuses ont été programmés pour prédire le processus de FA, générer des trajectoires de robot à 6 axes pour la tête d'impression multibuses sur des substrats non planaires, et contrôler la géométrie du revêtement abradable afin d'obtenir de grands réseaux de micro-échafaudages courbes avec une porosité à plusieurs niveaux. Des réseaux de micro-échafaudages mesurant jusqu'à ~ 9 × 104 mm2 ont été fabriqués à des vitesses d'impression allant jusqu'à 250 mm/s, ce qui est ~ 3 fois plus rapide que des travaux similaires publiés. Un micro-échafaudage épais de 50 couches a été étudié et a montré une erreur moyenne d'alignement de l'empilement des couches de 57 µm. La FA multibuses non planaire a permis la fabrication de réseaux de micro-échafaudages courbes sur une surface de rayon aussi petit que ~ 240 mm, avec une erreur de parcours de 15 µm. L'aboutissement de ces travaux a conduit à la création d'un démonstrateur de composant d'avion utilisant une approche de FA multiprocessus non planaire, qui présente un revêtement de réseau courbé de micro-échafaudages fonctionnels abradables, avec des dimensions de ~ 520 mm × 78 mm × 5,6 mm et un rayon de 962 mm, ce qui n'avait jamais été réalisé auparavant. Le développement d'une méthode de FA multibuses non planaire à grande échelle et les différentes études de cas imprimées en 3D présentées dans cette recherche augmentent le potentiel de conception à grande échelle de pièces multifonctionnelles pour une grande variété d'applications allant de la FA de structures architecturales en béton, l'ingénierie tissulaire, les canaux microfluidiques, et l'avancement de la FA multiprocessus.