Une buse d’injection imprimée en 3D pour réduire la consommation de carburant

Les navires de charge fonctionnent aujourd’hui grâce à des moteurs complexes et imposants qui représentent un enjeu stratégique pour l’industrie maritime, elle qui cherche à devenir plus durable depuis plusieurs années. Les acteurs du secteur souhaitent ainsi optimiser les pièces de ces moteurs, par exemple en réduisant leur poids pour diminuer la consommation de carburant. C’est en tout cas ce qu’a exploré un jeune chercheur de l’université technique du Danemark (DTU) : il a voulu réimaginé la forme de la buse d’injection d’un moteur de navire de charge et savoir si le recours à la fabrication additive pouvait être avantageux. 

La buse d’injection est un composant essentiel d’un moteur : c’est un embout qui va permettre d’injecter le carburant dans le moteur. Celui-ci va ensuite être mélangé à l’air pour assurer une bonne combustion. Conçue via des méthodes de fabrication traditionnelles, cette buse peut donc avoir un impact significatif sur la consommation de carburant et donc sur la durabilité d’un moteur. Et si cette buse était imprimée en 3D ? On connaît les avantages de la fabrication additive et les possibilités qu’elle offre en matière de conception alors pourquoi ne pas créer une forme de buse encore plus optimisée ? 

La durabilité des moteurs est un enjeu stratégique pour l’industrie maritime (crédits photo : DTU)

Thomas Dahmen est post-doctorant du département d’ingénierie mécanique de DTU. Il a conduit ces travaux de recherche en collaboration avec MAN Energy Solutions, un groupe allemand qui fabrique des moteurs diesel, notamment pour l’industrie maritime. Peter Hagen, ingénieur en mécanique du groupe, explique : “Chez MAN Energy Solutions, nous savons depuis longtemps que le métal imprimé en 3D peut nous offrir certaines possibilités de concevoir des pièces importantes de nos moteurs de navires, ce qui n’était pas possible auparavant. Une collaboration avec la DTU pour explorer ce potentiel était donc un choix évident.”

Le chercheur s’est appuyé sur une matrice QFD (Quality Function Deployment, Déploiement des Fonctions Qualités), adaptée à la fabrication additive. C’est une technique d’analyse pour évaluer, à première vue, la valeur ajoutée potentielle de l’impression 3D dans son ensemble. Il a donc appliqué cette matrice pour la buse d’injection et en a sorti un kit modulaire sur la façon dont les buses imprimées en 3D peuvent être conçues. 

Le groupe MAN Energy Solutions fabrique notamment des turbines à gaz (crédits photos : Christoph Ruckstuhl / NZZ)

C’est en effet dans le design de la pièce que la fabrication additive aurait une valeur ajoutée. En courbant la buse, Thomas s’est rendu compte que le carburant pouvait mieux s’écouler et ainsi permettre une meilleure combustion. Il explique également que ce nouveau design permettrait la réduction des émissions de NOx du moteur (oxydes d’azote), mais des tests plus approfondis sont nécessaires pour le prouver. La pièce a d’ailleurs été testée sur l’un des moteurs de MAN Energy Solutions à Copenhague et les résultats sont très concluants.

Le jeune chercheur ne s’est pas seulement intéressé au design même de la buse, mais a étudié les différents procédés d’impression 3D pour voir lequel était le plus adapté à ses contraintes. Il a donc comparé la fusion laser sur lit de poudre et le liage de poudre métallique. Il conclut : « Cette partie des analyses a mis en évidence la pertinence du Binder Jetting pour les caractéristiques complexes des buses liées à l’écoulement et les matériaux spéciaux à haute température, impossibles à réaliser avec d’autres procédés de fabrication. » A l’avenir, on pourrait espérer voir davantage de buses d’injection imprimées en 3D, via le procédé de liage de poudre. Retrouvez davantage d’informations ICI.

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*Crédits photo de couverture : MAN Energy Solutions