Stream Lion Design renouvelle la conception d’un marteau modal avec Multi Jet Fusion

Paul Sickles a travaillé tout au long de sa carrière à la pointe des technologies industrielles de haute performance. Son expérience s’accumule depuis l’époque du programme Lockheed SR-71, le F-22 Raptor, et comprend même une collaboration avec différentes agences spatiales pour développer un matériau pour les véhicules hypersoniques.

Aujourd’hui Paul Sickles exploite sa propre société de conseil, Stream Lion Design LLC, spécialisée dans l’application des dernières technologies pour aider les sociétés à résoudre des problèmes techniques critiques. Ces derniers temps, Stream Lion s’est appuyée sur l’impression 3D pour résoudre un défi pour une société active dans l’industrie de production énergétique.

Le client de Paul Sickles était intéressé par la résolution d’un problème de turbine à combustion, bien connu dans l’industrie. Il s’agissait de trouver une approche pour surveiller les turbines et identifier celles qui présentaient les risques maximaux de défaillance. Ainsi, Paul Sickel a été appelé pour contribuer à résoudre ce problème.

Une partie de la solution consiste à collecter des données de réponses aux vibrations au sein des moteurs assemblés, un processus appelé généralement test modal. Une fois rassemblées, ces données peuvent être utilisées pour déterminer quels moteurs sont les plus susceptibles de subir des vibrations, de manière à les traiter en conséquence.

Les données de réponses aux vibrations sont collectées en frappant une pièce avec un instrument de précision, appelé marteau modal. La pièce concernée est souvent instrumentée avec un accéléromètre qui envoie les mesures de vibrations à un autre dispositif, appelé analyseur de signal. On peut apprendre beaucoup de choses sur les réponses d’une pièce aux vibrations en mesurant sa réaction à l’impact.

Le nouveau marteau modal de Stream Lion est plus compact que celui disponible dans le commerce, ce qui rend son utilisation plus aisée dans un environnement industriel exigu.

Recherche d’une solution pour une production en petite série

Cette approche présentait un problème - ce type de test est mieux adapté dans un environnement de laboratoire qu’aux entrailles d’une turbine à combustion. Ces tests ont demandé à Paul Sickles d’escalader lui-même le moteur pour effectuer des centaines d’essais de vibrations. Il ne lui a pas fallu longtemps pour réaliser que le marteau modal utilisé normalement en laboratoire n’était pas adapté à cette application.

Très vite, il a trouvé extrêmement pénible d’utiliser le marteau à l’intérieur du moteur. Il a noté que « lorsqu’on pénètre dans un moteur à turbine, un environnement assez exigu, il est pratiquement impossible de voir les pièces pendant le processus de test ». Cela ne facilite pas la frappe avec le marteau, et produit des données de piètre qualité.

Il n’a pas eu non plus la possibilité d’intervenir rapidement, car le marteau était trop encombrant. « Lorsque vous intervenez dans une centrale énergétique, tout doit être réalisé dans un laps de temps planifié et très strict », ajoute Paul Sickles. « Je devais entrer et sortir très rapidement ».

Après avoir subi les limitations du marteau disponible sur le marché, Paul Sickles a commencé à songer à un nouveau marteau modal plus adapté à un environnement industriel. C’est pourquoi, comme le ferait tout ingénieur digne de ce nom, il a décidé de prendre les choses en main et de créer un nouveau modèle. Son objectif était d’améliorer l’ergonomie du marteau, de réduire sa taille, et d’intégrer d’autres améliorations pour rendre la collecte de données plus rapide et plus fiable.

Grâce à l’impression 3D, Paul Sickles a effectué plusieurs itérations avant de boucler sa conception. Pour la pièce finale, il a opté pour la Multi Jet fusion, un processus d’impression 3D industrielle mis au point par HP.

« J’ai examiné l’outil pour voir comment je pouvais l’améliorer. J’ai commencé à penser aux changements que je pourrais apporter, et j’ai utilisé l’impression 3D pour prototyper le dispositif. » précise Paul Sickles. « J’ai testé différents prototypes pour valider cette nouvelle conception. »

Tandis qu’il avançait par itérations et que la pièce finale commençait à se préciser, il a commencé à se pencher sur la façon de fabriquer le dispositif. « Ce nouveau concept représentait un tel bond en avant que des acheteurs ont commencé à se manifester. Je devais désormais me poser la question de la mise sur le marché de ce marteau », explique-t-il.

Paul Sickles a déterminé les propriétés essentielles de la pièce à produire afin d’identifier un processus de fabrication adapté. La pièce finale devait résister longtemps à des impacts répétés, avoir des tolérances étroites pour garantir une interface parfaite avec les capteurs de force, et comme il n’aurait probablement besoin que de quelques pièces à la fois, il fallait une production économique en petite série.

L’impression 3D - pas seulement pour les prototypes

Les premiers prototypes ont été fabriqués sur l’imprimante 3D de bureau de Stream Lion, mais Paul Sickles savait que la durabilité et la qualité générale devaient être améliorées pour une pièce finale robuste. C’est alors qu’il s’est adressé à Protolabs.

Après avoir discuté des exigences pour la pièce avec un ingénieur Protolabs, il a évalué les bénéfices de fabrication par frittage laser sélectif (SLS) ou Multi Jet fusion (MJF), deux processus d’impression 3D industrielle.

Paul Sickles s’est finalement orienté vers la MJF en raison des coûts inférieurs, de la précision des détails et de la meilleure finition de surface par rapport au SLS. Cette technologie d’impression 3D allait lui permettre de construire une pièce nylon durable avec des détails précis s’adaptant parfaitement aux autres pièces de l’assemblage.

Le nouveau dispositif répond aux exigences

Le nouveau marteau a réussi à résoudre les problèmes que Paul Sickles avait rencontrés avec l’outil existant sur le marché. Non seulement il est plus ergonomique et facile d’utilisation, mais la pièce imprimée en 3D présente la résistance nécessaire pour durer longtemps sur le terrain. Paul Sickles constate que le nouveau marteau lui permet de doubler la rapidité de collecte de données.

“ En plus de sa fonctionnalité, il était important que la pièce ait la bonne finition de surface et une longue durée de vie, car elle doit être utilisée sur site, ce n’est pas juste un prototype », souligne-t-il. « Dès sa sortie du carton, cette pièce a répondu à mes attentes. Les tolérances étaient exactement celles dont j’avais besoin, elle s’adapte parfaitement à l’assemblage, et le grenaillage avec finition teinte noire contribue à l’esthétique tout en apportant une texture parfaite pour le marteau.”

En s’appuyant sur les services d’impression 3D de Protolabs, Paul Sickles peut refabriquer des marteaux à chaque fois qu’il a des commandes. En outre, avec un modèle de production sur demande, il a la possibilité de renouveler la conception sans avoir de stock obsolète.

“Cette application était le cas idéal pour une production par impression 3D" note Paul Sickles. "En général, on s’oriente vers la fabrication additive pour le prototypage et on passe au moulage ou à l’usinage pour la production. Mais pour moi, des pièces imprimées en 3D avec la quantité exacte dont j’ai besoin constituent un modèle commercial efficace.”