Comment l'avion eVTOL de la startup LIFT a obtenu son certificat de navigabilité en moins de 13 mois grâce à la FA

Dès le départ, un avion physiquement rapide n'a jamais été la priorité de LIFT. La conception et le développement d'un aéronef eVTOL sûr pour la mobilité urbaine dans un court laps de temps étaient nécessaires. Mais le défi auquel cette entreprise dynamique était confrontée était de taille. Comment pourraient-ils réussir à combiner sécurité, certitude et rapidité afin d'atteindre leurs objectifs ?

"Un grand nombre de technologies différentes ont mûri et se sont alignées pour faire de ce moment le moment idéal pour ce type d'activité", explique Matt Chasen, directeur général de l'entreprise. "L'impression 3D est l'une d'entre elles

Cette confiance dans les nouvelles technologies était plus qu'une simple réflexion après coup. Il a eu sa place dans le projet dès le début.

"La première chose à laquelle j'ai pensé, c'est à la manière dont nous pouvons utiliser les nouvelles technologies habilitantes, les nouvelles technologies de fabrication, pour faire évoluer les conceptions très rapidement", a déclaré Balazs Kerulo, ingénieur en chef chez LIFT. "C'est pour cette raison que nous avons impliqué très tôt l'équipe de Materialise.

"Parallèlement, j'ai commencé à étudier des logiciels de conception générative permettant de proposer de nombreuses options de conception dans le respect de certaines contraintes, que nous pourrions ensuite affiner. La conception générative s'associe très bien à l'impression 3D car - comme la 3DP - elle ne se préoccupe pas vraiment des anciennes contraintes des processus de fabrication traditionnels"

La puissante combinaison du 3DP et de la conception générative a permis à M. Balazs et à son équipe d'imprimer, de tester et d'affiner les pièces à un rythme soutenu, permettant une évolution rapide entre les prototypes d'aéronefs.

Dès le début du processus, l'équipe a identifié une catégorie d'"aéronefs ultralégers" aux États-Unis comme étant sa stratégie idéale de mise sur le marché. Les eVTOL classés comme ultralégers ne nécessitent pas de certification FAA/EASA ni de licence de pilotage. Il correspond parfaitement à l'ambition de LIFT de démocratiser le vol.

Le choix de cette voie présente toutefois d'autres défis importants. Il s'agit notamment de minimiser le poids pour répondre aux exigences de la classification sans compromettre la sécurité.

"Nous avons un groupe motopropulseur distribué. Cela signifie que nous avons 18 moteurs et 18 batteries", a expliqué M. Balazs. "C'est une bonne chose pour la sécurité, mais cela signifie aussi que le poids de toute pièce liée au groupe motopropulseur doit être multiplié par 18

À cela s'ajoute l'ajout d'ENDY. Cette pièce est unique en ce sens qu'elle a pour seul but de renforcer les articulations les plus critiques du rotor aérien d'HEXA dans le pire des scénarios, contribuant ainsi à l'intégrité structurelle lors de l'ouverture d'un parachute si le pilote doit effectuer un atterrissage d'urgence. Lorsqu'elles sont activées, les bombonnes explosives du parachute peuvent exposer la cellule à une charge momentanée pouvant atteindre 11,5 g, comparable à celle d'un lancement dans l'espace. À cet instant, la couronne et ses batteries de propulsion pèseront près de deux tonnes. Comme on peut s'y attendre, il faut six ENDY pour maintenir l'ensemble en place, en empêchant les hélices de se déchirer et de s'approcher trop près du pilote tout en continuant à tourner.

"Il est facile de reconnaître l'importance de cette tâche", nous dit Balazs. "Ironiquement, il ne devient si important que lorsque tout le reste échoue, et même dans ce cas, seulement pendant un dixième de seconde. Par conséquent, sur un HEXA qui se comporte bien, les ENDY sont un poids mort. Nous avions besoin d'une solution offrant le meilleur rapport poids/résistance"

L'équipe de développement a décidé dès le départ que les pièces END-Y seraient fabriquées de manière additive - comme plus d'une centaine d'autres composants de l'aéronef - et a choisi cette fois d'imprimer du titane en raison des exigences de charge de la pièce.

Les résultats des efforts précédents, notamment la conception d'un modèle pouvant être produit par usinage, n'avaient pas satisfait l'équipe. Ils souhaitaient réduire encore davantage la masse de chaque pièce sans nuire à sa résistance, tout en constatant que le composant se détachait régulièrement de la plate-forme pendant l'impression, ce qui entraînait des erreurs et des pertes. Le fait de devoir recommencer à chaque fois entraînait des retards considérables et augmentait le coût moyen de chaque pièce. Quelle que soit la solution trouvée, elle devra réduire considérablement le taux de rebut.

La réponse de LIFT à ce dilemme a été de faire appel à l'expertise de Materialise en matière de conception pour l'AM. Ensemble, ils ont prévu de tirer pleinement parti des libertés offertes par la conception générative et l'impression 3D, tout en fixant le facteur de sécurité pour des pièces spécifiques à des niveaux beaucoup plus élevés que nécessaire.

Sur la base des données CAO fournies, l'équipe de Materialise a d'abord réalisé une simulation statique à l'aide du logiciel SOLIDWORKS. Ce faisant, ils ont obtenu les valeurs comparatives dont ils avaient besoin pour redessiner l'ENDY à l'aide de Siemens NX.

Tout d'abord, ils ont utilisé le module d'optimisation topologique de NX pour définir l'espace de conception et les conditions limites, telles que la position des points de fixation, les points d'attaque des forces, ainsi que la direction et l'intensité des forces auxquelles le composant serait confronté dans la pratique. À partir de ces informations, le logiciel a créé un modèle de composant avec des flux de force visualisés, à partir desquels les experts en impression 3D ont progressivement développé le nouveau composant en utilisant la modélisation de forme libre dans l'outil NX Realise Shape Tool. Quelques itérations plus tard, le design parfait a été trouvé.

"L'ordinateur a tout de suite proposé une très bonne solution qui nous a plu et qui a fonctionné", a déclaré M. Balazs. "Et cette structure ne pouvait être réalisée qu'en utilisant l'impression 3D

L'étape suivante a consisté à simuler le processus d'impression à l'aide du module de simulation Materialise Magics. Pour des projets de ce type, la simulation est cruciale car le composant et la structure du matériau sont créés simultanément. Cela ajoute un nombre énorme de variables qui peuvent influencer la microstructure et donc les propriétés et la qualité d'une pièce fabriquée de manière additive. Après avoir vu les résultats, les ingénieurs ont optimisé l'orientation du composant dans l'espace d'installation et ont apporté quelques améliorations finales à la pièce et à ses supports.

Bien que le processus de conception et d'impression ait été testé, l'équipe de Materialise devait encore s'assurer que les pièces ENDY redessinées avaient la résistance requise pour le travail. Pour le vérifier, l'équipe de Materialise a effectué une simulation statique, qui a prouvé qu'ils résisteraient à toutes les charges, tandis que les premières impressions ont montré que toutes les tolérances de longueur étaient conformes au DCTG 8 (Dimensional Casting Tolerance Grade). En outre, la déformation du composant pendant l'impression était inférieure à celle de la conception originale, de même que les contraintes résiduelles pendant l'impression.

"En travaillant avec l'équipe de Materialise, nous avons confirmé la faisabilité et affiné la conception sur la base de leurs recommandations, rendant ainsi la pièce plus facile à imprimer et plus économique en termes d'utilisation de matériaux", explique M. Balazs.

"C'est ainsi que nous avons travaillé avec l'équipe depuis lors. Nous envoyons nos pièces et le retour d'information est très constructif et nous a vraiment aidés à affiner nos conceptions. Ensemble, nous avons réussi à concevoir et à produire cette pièce avec un facteur de sécurité de 10. Incroyablement élevé"

Dans l'ensemble, les deux objectifs initiaux de LIFT Aircraft - réduire à la fois la masse et les erreurs lors de l'impression - ont été atteints, avec des résultats qui ont presque dépassé les attentes. Le ENDY final pèse environ 40 % de moins que l'original, soit 152 grammes au lieu de 250 grammes. Avec six pièces ENDY dans chaque avion, cela représente une réduction de près de 600 grammes pour cette seule pièce. D'autre part, en réduisant considérablement les contraintes sur les structures de support, l'équipe s'est assurée que la pièce ENDY ne se détache plus des structures de support et de la plaque de construction pendant l'impression, ce qui a permis de réduire considérablement les déchets dus aux impressions rejetées.

L'ensemble de ces améliorations a permis à LIFT de démarrer en un temps record. En moins de 13 mois, Matt et son équipe sont passés d'une idée novatrice à un premier vol piloté réussi, en s'appuyant sur des commandes de vol semi-autonomes, une propulsion électrique, ainsi que sur de nombreuses compétences en matière de conception et un enthousiasme entrepreneurial. Tout en maintenant une approche stricte de la sécurité à tous les niveaux du développement et de la production des pièces.

L'HEXA de LIFT, l'un des tout premiers avions eVTOL de série au monde, ouvre déjà de nouvelles perspectives. Matt, le PDG, estime qu'il s'agit d'une position de pionnier que l'entreprise est bien équipée pour conserver grâce aux leçons précieuses que l'équipe a apprises et aux technologies en jeu.

"Comme nous ne devons pas obtenir de certifications, nous pouvons viser des cycles de produits beaucoup plus proches de ce que l'on observe dans le secteur technologique. Nous visons un cycle de 2 à 3 ans, au lieu des 20 à 30 ans habituels dans l'industrie aéronautique. L'impression 3D en est un des moyens

"Avec la fabrication additive", poursuit Matt, "il n'est pas nécessaire d'investir dans des commandes de quantités énormes qui nécessitent des moules et toutes ces choses coûteuses qui n'ont de sens que si vous avez besoin de dizaines de milliers d'exemplaires. Si vous ne produisez qu'un millier d'exemplaires d'un produit, il est beaucoup plus économique de l'imprimer en 3D. C'est aussi plus rapide, ce qui nous permet d'itérer plus vite et de sortir la prochaine version beaucoup plus tôt.

"Mieux encore", conclut Matt, "vous pouvez réaliser tout cela tout en donnant la priorité à la sécurité. Et c'est bien de cela qu'il s'agit. Nous avons une grande responsabilité. Nous serons les premiers à lancer un service permettant de piloter des avions électriques ultralégers à décollage et atterrissage verticaux. Nous prenons cette responsabilité très au sérieux. Cela signifie que nous prenons également très au sérieux les technologies de conception et de fabrication que nous utilisons"