L'industrie de la construction navale se tourne vers l'impression 3D pour accélérer le rythme

ARLINGTON, Virginie - L'équipe de construction de porte-avions de Newport News Shipbuilding de HII a dû faire face à une échéance clé en mars 2022.

L'équipe était chargée de déplacer un bloc de la quille du futur Enterprise pesant des centaines de tonnes dans la cale sèche.

Les constructeurs de navires équipent ces pièces, appelées superlifts, dans la plate-forme d'assemblage final sur la jetée, installant la tuyauterie et le câblage dans ces blocs Lego massifs, puis les soulevant par grue en place dans la cale sèche.

Mais, un seul élément menaçait de mettre fin à cette activité complexe, a récemment déclaré aux journalistes Brian Fields, vice-président d'Enterprise et navire jumeau Doris Miller.

En novembre 2021, l'équipe a appris qu'une pièce en métal coulé - un composant critique mais sensible que Fields a refusé de nommer - ne serait pas disponible avant fin juin ou début juillet.

"J'avais besoin de mettre cet énorme superlift dans la cale sèche", a-t-il déclaré. "C'était une pièce, et je devais la faire installer dans la plate-forme d'assemblage final."

Attendre et l'installer plus tard "aurait été très risqué et aurait eu un impact financier important", a ajouté Fields.

Au lieu de choisir entre un retard de calendrier ou des dépenses supplémentaires, le constructeur naval et la marine ont travaillé ensemble pour concevoir, qualifier et imprimer en 3D la pièce en seulement quatre mois, respectant la date limite du superlift de mars.

Bien que la circonstance soit inhabituelle, la Marine et ses fournisseurs espèrent que ce sera un jour la valeur par défaut, au lieu de la procédure de coulée datée.

Les hauts responsables de la marine ont souligné à plusieurs reprises les défis de la base industrielle sous-marine en particulier, ainsi que de sa base industrielle de porte-avions et de navires de surface. Le nombre de fournisseurs diminue alors même que le service souhaiterait augmenter sa cadence de production.

Dans le cas des sous-marins d'attaque de classe Virginia, par exemple, les problèmes de base industrielle sont la seule raison pour laquelle le gouvernement n'augmente pas son taux d'approvisionnement de deux par an à trois.

Matt Sermon, directeur exécutif du Bureau exécutif du programme pour les sous-marins stratégiques qui supervise les problèmes de la base industrielle des sous-marins, a déclaré que la Marine ne considère pas la fabrication additive comme une nouveauté, mais plutôt "nous le faisons parce que nous le devons".

C'est "la voie" pour parvenir à la construction et aux réparations de sous-marins à temps, a-t-il ajouté.

Sermon a déclaré le 30 janvier lors d'une conférence de l'American Society of Naval Engineers que la base industrielle avait le plus de mal à suivre la capacité requise de pièces et de composants en métaux lourds. Ceux-ci comprennent les pièces moulées, les pièces forgées, les vannes, les raccords et les attaches.

En fait, a-t-il dit, la Marine a examiné 5 500 pièces qui ont présenté des défis de calendrier pour les nouvelles disponibilités de construction et de maintenance pour les sous-marins et les navires ; six matériaux représentent 70% des retards de livraison, a-t-il déclaré. La fabrication additive pourrait acheminer plus de ces pièces vers les chantiers de construction et de réparation plus rapidement et de manière plus fiable.

Ces pièces ont toujours été un défi pour la base industrielle, car la métallurgie fondamentale est complexe et peut conduire à des défauts. Mais il y a moins d'entreprises qui fabriquent ces composants aujourd'hui qu'au cours des décennies précédentes, et cette base plus petite a du mal à répondre à la demande croissante.

La marine a élaboré un plan pour faire mûrir les métaux, les machines d'impression et les processus associés à ces six matériaux cette année, de sorte que d'ici mars 2024, ils puissent être imprimés en volume et embarqués sur des sous-marins, a déclaré Sermon.

Le vice-amiral Bill Galinis, commandant du Naval Sea Systems Command, a déclaré à Defense News le 12 janvier que NAVSEA travaille avec ses centres de guerre et avec le programme de propulsion nucléaire navale pour faire progresser la compréhension et le confort du service maritime avec la technologie et les processus de fabrication additive.

"Nous n'avons pas ce processus complètement mûri au point où nous sommes en mesure d'étendre la fabrication additive comme je pense que nous en avons besoin", a-t-il déclaré. "Nous pouvons faire les pièces uniques, et franchement, même pour un composant de réacteur, nous avons construit des pièces assez complexes en utilisant la fabrication additive, mais nous n'avons pas atteint le point où cela est évolutif."

La construction de sous-marins lance-missiles balistiques de classe Columbia a déjà commencé mais continuera de croître dans les années à venir, même si la base industrielle est déjà aux prises avec la charge de travail actuelle. Galinis a déclaré que la fabrication additive en tant qu'alternative aux pièces moulées et forgées aidera l'industrie à maintenir le programme Columbia dans les délais et à remettre le programme de la classe Virginia sur les rails.

"Ce que vous aimeriez pouvoir faire, c'est identifier les pièces à grand volume et à forte utilisation, et vous disposez d'une capacité d'impression qui vous permet de les imprimer assez régulièrement. Il y a des éléments de l'industrie privée qui ont fait une partie de cela », a-t-il dit. "Notre défi en ce moment est, premièrement, de franchir rapidement le processus de certification, de codifier à quoi cela va ressembler, puis de pouvoir faire évoluer la fabrication additive."

C'est exactement ce que Fields essaie de faire à Newport News.

Il a déclaré que les pièces moulées sont particulièrement difficiles pour le chantier et qu'il existe une longue liste de pièces en métal coulé qu'il a du mal à se procurer à temps et de bonne qualité.

Fields a déclaré que l'entreprise peut faire le moulage du métal, mais une fois que les employés commencent à l'usiner dans la bonne forme, tout défaut dans le métal nécessite soit une réparation par soudage, soit un redémarrage de toute la pièce. Ces défauts ne sont pas toujours visibles dès le début, donc la refonte d'une pièce peut être une mauvaise surprise pour le calendrier de construction du navire.

"Tous nos fournisseurs ont du mal à obtenir des pièces moulées à temps pour soutenir le calendrier des navires", a-t-il déclaré. "La qualité du premier coup est bien meilleure avec une pièce imprimée en 3D, et le coût est nettement inférieur."

Il a utilisé un collecteur JP-5 comme exemple. Cette pièce aide à déplacer le carburéacteur autour du porte-avions et comprend une pièce en métal coulé avec des brides fabriquées aux extrémités.

"Ils sont vraiment difficiles à fabriquer correctement. J'en ai 28 en ce moment que j'attends qui ont été coulés, et chaque fois que vous les arrosez, ils se transforment en arroseurs parce que le moulage est difficile à faire correctement. . Et maintenant, nous les réparons par soudure », a déclaré Fields. "Cet exemple de tout le temps et de l'argent dépensés pour essayer de me faire parvenir ces pièces afin que je puisse les installer sur le navire à temps est celui où je vois que l'impression 3D est capable de vraiment déplacer l'aiguille."

Sermon a déclaré que la fabrication additive pourrait raccourcir le délai de production de certaines pièces métalliques de 80 % en moyenne, en fonction de l'efficacité de l'imprimante.

Le pompier Dalton Garret, affecté au département d'ingénierie du navire d'assaut amphibie de classe Wasp USS Bataan (LHD 5), produit une ébauche assistée par ordinateur pour un projet d'impression en trois dimensions, le 16 novembre 2022. (MC2 Matthew Brown/US Navy)

HII a signé un accord en 2017 avec le spécialiste de la fabrication additive 3D Systems pour aider à explorer les opportunités d'impression potentielles à Newport News pour la construction et la réparation de porte-avions et de sous-marins.

Mike Shepard, vice-président de l'aérospatiale et de la défense chez 3D Systems, a déclaré à Defense News que bien que l'entreprise dispose de ses propres centres d'impression, l'objectif n'est pas d'imprimer des pièces pour Newport News Shipbuilding, mais plutôt d'aider l'entreprise à intégrer une technologie d'impression de pointe. dans ses processus.

L'alliage cuivre-nickel particulier de 3D Systems est aujourd'hui l'un des domaines de collaboration entre les deux sociétés. Les méthodes traditionnelles telles que la coulée et le forgeage peuvent créer des défauts dans les pièces en cuivre-nickel qui ralentissent la production.

Avec le processus d'impression directe sur métal de 3D Systems, "nous obtenons de meilleures propriétés que les pièces forgées ou coulées conventionnelles. Nous n'avons aucun des problèmes de porosité avec l'approche [d'impression]. Cela signifie que nous sommes compétitifs avec les coûts de coulée et ont un délai d'exécution beaucoup plus court », a déclaré Shepard.

Shepard a ajouté que le volume de pièces que 3D Systems aide à imprimer à Newport News est en croissance, "mais nous ne faisons qu'effleurer la surface de l'opportunité globale".

Pour le directeur de l'ingénierie maritime de Sermon et du Naval Sea Systems Command, Doug Arnold, ces types de collaborations industrielles aident à faire correspondre les nouvelles technologies aux lacunes de la capacité industrielle - mais la Marine doit s'assurer que ses normes d'ingénierie rigoureuses sont appliquées.

Sermon a déclaré que la communauté aéronautique et les universités ont déjà investi dans des recherches importantes sur la fabrication additive avec certains métaux, et dans ces cas, la Marine peut avancer assez rapidement. Mais dans les métaux spécifiquement destinés aux applications navales, y compris le cuivre-nickel et certains alliages d'acier, des recherches supplémentaires sont nécessaires sur ce qui se passe lorsque ces matériaux sont utilisés pour l'impression, en particulier comment cela affecte les propriétés de fatigue et de corrosion des métaux.

Arnold a déclaré que la marine et les fournisseurs pourraient commencer à utiliser ces matériaux pour imprimer des composants où ces propriétés de deuxième et troisième ordre ne sont pas aussi pertinentes - en utilisant du cuivre-nickel pour les composants non exposés à l'eau et où la corrosion n'est pas un gros problème - pour tirez des leçons de l'impression de composants à faible risque et gagnez du temps pour que les chercheurs comprennent mieux les détails de l'utilisation de ces métaux dans la fabrication additive.

Fields a déclaré que HII devait être particulièrement prudent avec les pièces destinées aux sous-marins, en raison des exigences techniques supplémentaires.

Mais, a-t-il dit, la Marine et ses partenaires industriels doivent trouver une voie à suivre s'ils veulent continuer ou augmenter le taux de production actuel de sous-marins.

"L'une des pressions pour la rupture du barrage est le client à la fin qui crie" J'en ai besoin. Je pense donc que cela commence à s'accélérer", compte tenu des pièces imprimées pour les sous-marins, a déclaré Fields.

Megan Eckstein est journaliste de guerre navale à Defense News. Elle couvre l'actualité militaire depuis 2009, en mettant l'accent sur les opérations, les programmes d'acquisition et les budgets de l'US Navy et du Marine Corps. Elle a fait des reportages sur quatre flottes géographiques et est plus heureuse lorsqu'elle enregistre des histoires depuis un navire. Megan est une ancienne élève de l'Université du Maryland.