Grandes pièces, grands objectifs énergétiques

La fabrication additive (FA) offre de nouvelles approches qui pourraient mettre du vent dans les voiles du secteur américain des énergies propres, qui doit stimuler la production de très gros composants pour les équipements éoliens, nucléaires et hydroélectriques.

Les objectifs ambitieux en matière d’énergie renouvelable élargissent les marchés de l’énergie propre, mais la demande dépasse actuellement les capacités de fabrication nationales.

Combler ces lacunes devient une nouvelle urgence alors que les États-Unis cherchent à répondre à 35% de leurs besoins en électricité grâce à l’énergie éolienne d’ici 2050, soit plus de trois fois et demie ce que le vent contribue aujourd’hui.

Relever ce défi de taille de la chaîne d’approvisionnement nécessite des capacités qui n’existent pas actuellement, et les techniques de FA, le plus souvent envisagées pour les petites pièces complexes, peuvent être la clé pour libérer le potentiel de fabrication américain de ces composants métalliques massifs. Afin d’en faire une réalité pour les éoliennes, des progrès supplémentaires sont nécessaires pour augmenter les taux de dépôt de métal AM et réduire le coût des matériaux imprimés.

Les pièces moulées à l’échelle industrielle, telles que les pièces moulées en acier de plus de 10 tonnes, constituent un point d’étranglement dans l’augmentation de la production de pièces d’éoliennes, notamment les moyeux de rotor, les plaques de lit et les cadres de support. L’échelle est vaste et croissante à la fois en taille et en poids à mesure que l’industrie continue de se développer dans les éoliennes offshore.

Les coûts de main-d’œuvre liés à la coulée au sable de gros composants métalliques ont conduit les fabricants américains à commencer à les acheter auprès de sources étrangères il y a des années.

Une seule fonderie américaine reste capable de traiter les plus grandes pièces nécessaires à l’éolien offshore, avec une capacité limitée des États-Unis pour les usiner dans leur forme finale. Actuellement, le délai est de six mois à plus d’un an pour l’achat de gros composants métalliques critiques. Les expédier de l’étranger crée une empreinte carbone importante, en plus d’être coûteux et lent. La dépendance à l’égard de composants étrangers crée également la possibilité d’un point de défaillance unique dans la chaîne d’approvisionnement en énergie éolienne américaine.

Une alternative consiste à fabriquer de manière additive ces grandes pièces, puis à les finir à l’aide de machines-outils automatisées guidées par un logiciel de fabrication informatisé. Les avantages sont évidents : la FA offre plus de flexibilité et de complexité de conception que la coulée traditionnelle, et les stratégies d’optimisation topologique rendues possibles par l’impression 3D peuvent offrir une réduction significative du poids.

Les imprimantes multiaxes peuvent faire pivoter une pièce pour imprimer différentes parties et atteindre différents angles, évitant ainsi les problèmes de distorsion par gravité qui ont limité les conceptions dans le passé. En combinant l’impression hors plan multiaxes avec plusieurs têtes de dépôt robotisées, la gamme de géométries pouvant être produites est considérablement élargie.

Contrairement à la coulée conventionnelle, ce type d’impression 3D permet la création de caractéristiques internes complexes telles que des structures en treillis, des lignes hydrauliques intégrées et des chemins de fils électriques. Il réduit également le temps d’impression en divisant la fabrication entre plusieurs systèmes travaillant simultanément sur le même objet.

Un système de FA appelé MedUSA à l’installation de démonstration de fabrication (MDF) du ministère de l’Énergie au laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) utilise trois robots, chacun avec six degrés de liberté de mouvement.

MedUSA peut imprimer plus de 54 livres de métal par heure ou imprimer avec différents matériaux simultanément. Les pièces qu’elle produit nécessitent un minimum d’outillage personnalisé par rapport aux pièces fabriquées traditionnellement, bien que la finition soit généralement encore nécessaire.

Une grande machine-outil sera bientôt installée pour travailler en tandem avec MedUSA, finissant les pièces imprimées pour s’adapter aux tolérances de conception exactes. Très peu d’installations dans le monde peuvent offrir cette combinaison de capacités pour les grands composants. Parce qu’une grande partie du processus est automatisée, les coûts de main-d’œuvre sont bien inférieurs à ceux du moulage traditionnel.

« Notre recherche examine comment vous combinez la fabrication additive avec l’étape de finition du métal, afin qu’ils travaillent ensemble de manière efficace », a déclaré Joshua Vaughan, chercheur à l’ORNL. « Comment imprimer des pièces pour qu’elles soient facilement finies pour une application finale, et quels avantages cela offre-t-il ? »

Plusieurs équipes travaillent pour répondre à ces questions, et elles conçoivent des systèmes de contrôle flexibles qui permettent au processus de fonctionner à plusieurs échelles et dans différents contextes. Ils examinent également comment la mise à l’échelle affecte les propriétés du matériel imprimé. Et des expériences sont en cours pour démontrer que la combinaison de la FA à une forme quasi finale avec l’usinage peut produire un composant de la même qualité qu’une pièce coulée et finie traditionnellement.

D’autres chercheurs ont imprimé des pièces métalliques plus petites telles qu’un nœud squelette, qui sert de joint porteur entre les poutres structurelles à l’intérieur de la nacelle d’une éolienne. Une nouvelle structure de ferme interne promet de réduire la masse et le temps d’impression du nœud tout en conservant la même résistance matérielle.

Pour que les méthodes de FA concurrencent la coulée étrangère, la qualité et le prix des composants doivent être comparables. Les coûts de la FA sont quelque peu compensés par les économies de main-d’œuvre et de transport. Bien que les États-Unis disposent de sources nationales d’équipements de FA, de poudres métalliques et de fils d’impression, les métaux utilisés dans l’impression 3D sont chers par rapport à ceux utilisés dans l’industrie éolienne.

Pour cette raison, la recherche doit cibler des matériaux moins coûteux. Une nouvelle technique prometteuse explorée par l’ORNL est l’utilisation d’un système de laitier électrolytique avec une matière première commerciale en bande métallique abordable pour imprimer de grandes pièces moulées d’énergie renouvelable. Ce système peut atteindre un taux de construction approchant les 110 lb par heure par tête d’impression.

Pour les gros composants éoliens autres que les pièces moulées en métal, le transport reste un défi qui peut être compensé par l’impression automatisée sur place. ORNL, en partenariat avec General Electric, a démontré la faisabilité de l’impression 3D de grandes tours en béton sur le terrain. L’ajout de hauteur à ces structures offre un meilleur accès au vent, mais nécessite une base encore plus grande. Ces pièces sont non seulement lourdes, mais logistiquement difficiles à déplacer sous les ponts ou à travers les tunnels. La FA offre des possibilités mobiles sur site, même dans des endroits éloignés.

Alors que l’impression AM de grandes pièces moulées en métal lourd et de tours en béton en est à un stade de développement plus précoce, d’autres progrès ont été réalisés dans la création de pièces composites plus légères pour le secteur éolien. De grands moules d’infusion sous vide ont été imprimés au MDF il y a cinq ans pour la production d’aubes de turbine.

Une innovation plus récente utilise la FA pour améliorer les moules en coextrudant le fil avec la matrice polymère. Le courant électrique traversant le fil génère de la chaleur résistive, permettant à la résine de durcir à l’intérieur du moule de la lame. Cette approche pourrait remplacer une étape à forte intensité de main-d’œuvre dans le processus de production d’aujourd’hui: une équipe de techniciens emballant et attachant manuellement le fil tissé dans un motif sur la surface arrière d’un moule de plus de 160 pieds de long.

La FA peut être utilisée pour améliorer à la fois la production et la conception des pales. De nouvelles approches offrent le potentiel d’améliorer les performances structurelles et de réduire le poids de certains composants. Par exemple, ORNL a démontré l’impression additive d’une structure intérieure en forme de nid d’abeille de 10 pieds pour une petite pale de vent.

La prochaine génération de ces efforts, en cours grâce à un partenariat entre ORNL et GE, crée un processus hautement automatisé utilisant des composites thermoplastiques entièrement recyclables. Il peut imprimer un renfort structurel couplé à une peau composite thermoplastique pour produire des extrémités de pales d’éoliennes de 40 pieds de long. Les matériaux, la vitesse et la taille sont constamment améliorés en laboratoire.

« Nous voulons que les choses soient précises, rapides et fiables », a déclaré Dan Coughlin, responsable des collaborations industrielles au sein de la division des sciences de la fabrication de l’ORNL.

« Nous sortons la FA de sa boîte habituelle et la transformons en quelque chose qui peut imprimer des pièces plus grandes que l’imprimante. » Les chercheurs de l’ORNL continueront de travailler sur ces défis avec des partenaires industriels du MDF, une installation de 100 000 pieds carrés (9 290 mètres carrés) pour le développement de capacités intégrées dans les matériaux, les logiciels et les systèmes. L’installation utilisateur du ministère de l’Énergie est un tremplin pour faire passer les innovations manufacturières du développement au déploiement.

De nombreuses nouvelles technologies de FA développées pour l’éolien, en particulier liées à la FA/coulée et à la finition hybrides, pourraient également être appliquées à de grandes pièces métalliques pour les réacteurs nucléaires ou les centrales hydroélectriques. Les progrès de la recherche sont essentiels pour que la FA saisisse cette occasion historique de ramener davantage de fabrication aux États-Unis tout en contribuant à ralentir le changement climatique.

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