Branche essentielle de la fabrication additive, l’impression 3D métallique utilise des modèles numériques pour diriger la fusion et l’empilement de poudres métalliques couche par couche afin de créer des composants solides. Parmi ses opérations de base figurent la fusion par faisceau d'électrons (EBM) et la fusion sélective par laser (SLM). En SLM, des faisceaux laser à haute-énergie sont utilisés pour faire fondre des poudres métalliques, permettant la construction-couche par-de structures complexes grâce à un contrôle précis des chemins de balayage laser. Basé sur l'approche de Siemens Energy, son brûleur à turbine à gaz construit SLM- combine 13 composants soudés en une seule unité, prolongeant considérablement la durée de vie et la fiabilité des composants.
Cette technologie présente trois avantages clés : premièrement, elle utilise plus de 95 % du matériau, ce qui est bien mieux que les 60 à 70 % utilisés dans les méthodes de coulée classiques ; deuxièmement, il peut créer des formes complexes difficiles à réaliser avec les méthodes traditionnelles, comme des motifs en nid d'abeilles pour le refroidissement des culasses des moteurs ; et troisièmement, en optimisant la conception, les pièces peuvent être rendues 30 à 70 % plus légères tout en restant solides. Grâce à l'impression 3D métallique, les recherches de Siemens Energy ont démontré que le poids des culasses est passé de 5 095 grammes à 1 755 grammes, produisant ainsi une réduction de 65 % du volume et une augmentation de 40 % de l'efficacité de la dissipation thermique.
Grâce à Materials Solutions, Siemens Energy a développé un système de fabrication couvrant quatre-vingt-dix imprimantes 3D métalliques industrielles. Grâce à la technologie SLM, les aubes de turbine à gaz fabriquées sont conçues pour améliorer la circulation de l'air à l'intérieur en imitant la nature, ce qui permet de brûler le carburant plus efficacement et de réduire le besoin d'air de refroidissement. La nouveauté technologique réside dans l'innovation matérielle : la création de poudres d'alliages à base de nickel-adaptées aux conditions de haute-température, qui peuvent conserver une durée de vie de 100 000 heures à 650 degrés.
La fabrication sur mesure de clignotants de pales a été réalisée grâce à la technologie d'impression métallique 3D pour relever les défis de la production de pales conventionnelle, qui repose sur des moules et entraîne des coûts élevés. La conception d'optimisation topologique a réduit le poids du parafoudre de quarante pour cent et triplé l'efficacité de l'installation. Cette technologie peut réduire les coûts de maintenance de 20 % et améliorer considérablement l'économie globale sur la durée de vie des équipements de production d'électricité-dans le contexte de l'énergie éolienne offshore.
L’impression 3D métal a résolu le problème difficile de l’usinage des microcanaux, difficile à atteindre avec les méthodes conventionnelles dans l’évolution des moteurs à microturbine. UPour une turbine refroidie par microair-de 50 mm, par exemple, l'épaisseur de paroi du canal de refroidissement produit par impression 3D n'est que de 0,3 mm, améliorant ainsi l'efficacité du refroidissement de 50 % et obtenant une densité de puissance trois fois supérieure à celle des conceptions conventionnelles.
Trois dimensions reflètent la triple valeur d'application de l'impression 3D métallique dans le secteur de l'énergie :
Selon les pratiques de Siemens Energy, l'utilisation des équipements a augmenté de 200 %, tandis que le cycle de production des composants de brûleurs fabriqués par impression 3D a été réduit de 12 semaines avec les méthodes conventionnelles à 4 semaines. La production personnalisée de clignotants à pales a réduit le cycle de livraison de 60 jours à seulement 7 jours dans le secteur de la production d'énergie éolienne, répondant ainsi à la demande de réponses rapides du marché.
Une réduction directe des coûts de fabrication résulte d’une meilleure utilisation des matériaux. En prenant comme exemple les aubes de turbine à gaz, les techniques de moulage conventionnelles gaspillent jusqu'à 30 % de matériaux, tandis que l'impression 3D n'entraîne qu'une perte de 5 % de matériaux de support. Dans le secteur de l'exploitation et de la maintenance des équipements énergétiques, la technologie d'impression 3D a réduit les temps de réponse de maintenance à moins de 24 heures et a réduit les coûts d'inventaire des pièces de rechange de 40 %.
La conception d'optimisation de la topologie augmente la zone de dissipation thermique de la culasse du moteur de 80 %, ce qui entraîne une réduction de poids de 66 %. Dans le domaine des équipements de microénergie, la technologie d'impression 3D a permis de fabriquer avec précision des microcanaux à un niveau de 0,1 mm, offrant ainsi des opportunités pour une conception innovante de composants essentiels, tels que les plaques bipolaires des piles à combustible.
Malgré les grands avantages technologiques, l’utilisation de l’impression 3D métal dans le secteur de l’énergie présente encore trois difficultés principales.
L'utilisation limitée des poudres métalliques actuelles dans les composants à haute-pression est due à leur résistance à la fatigue qui est de 15 à 20 % inférieure à celle des matériaux manufacturés. La clé du progrès réside dans le développement de nouveaux types d’alliages, comme les alliages spéciaux de titane fabriqués par fabrication additive laser, capables d’atteindre une limite d’élasticité de 900 MPa ou plus.
L'optimisation des processus doit encore surmonter l'écart dimensionnel provoqué par la déformation thermique. UEn utilisant une technologie de simulation multi-physique, Siemens Energy gère la précision dimensionnelle des culasses à ± 0,05 mm près, ce qui est 50 % plus précis que ce que permettent les méthodes conventionnelles.
Aucune certification industrielle n'existe pour les composants imprimés en 3D des équipements énergétiques. L'établissement d'un système complet de normes de processus incluant les matériaux, les procédures et les tests fait partie de la voie révolutionnaire actuelle. Pour les composants métalliques imprimés en 3D-, par exemple, la norme allemande VDI 3405 a standardisé les procédures de test de performance en fatigue.