La fabrication additive et l'IA pourraient révolutionner la production de sous-marins personnalisés, composants d'avions

Imaginez une flotte de sous-marins assis inactive sur une base militaire dans le Pacifique car elles contiennent des pièces défectueuses ou vieillissantes.

Chaque sous-marin a besoin d'un remplacement unique, disponible uniquement auprès d'un seul machiniste à plus de 5 000 miles. Après des mois d'attente, les pièces arrivent enfin – seulement pour que les mécanismes découvrent un défaut, et le processus doit recommencer.

Cela a été la réalité depuis des décennies. Les chercheurs de Virginia Tech voient une voie à suivre plus efficace.

Une nouvelle étude dirigée par Prahalada Rao, professeur agrégé au College of Engineering, pourrait remodeler la façon dont les sous-marins et les avions sont construits. Il a récemment publié des recherches dans la revue Matériaux et design Cela montre comment l'utilisation de l'intelligence artificielle (AI) pour surveiller la fabrication additive par arc filaire – soudage essentiellement en 3D – peut détecter les défauts à mesure que les pièces sont construites, les corriger en temps réel et s'assurer qu'ils sont prêts à utiliser une fois l'impression terminée.

La percée arrive à un moment où la Marine a besoin d'une production plus rapide et plus fiable pour maintenir sa flotte.

« Nous nous sommes toujours appuyés sur l'usinage conventionnel, mais il faut des mois pour produire une seule partie », a déclaré Rao. « La fabrication additive nous donne la possibilité de rendre ces pièces beaucoup plus rapides et avec moins de déchets, ce qui ouvre une nouvelle façon de penser à la façon dont nous construisons. »

Bonne fusion, mauvaise fonte

Les chaînes d'approvisionnement de la défense et de l'aérospatiale s'appuyaient auparavant sur des ateliers d'usinage mom-and-pop. Ces petites opérations avaient l'expertise pour machine, couler ou forger des composants critiques pour les sous-marins et les avions à partir de blocs solides de métal. Mais leurs méthodes étaient lentes, inutiles, intensives en ressources et excessives sur une main-d'œuvre en rétrécissement. Les défauts n'étaient souvent pas découverts jusqu'à ce qu'une partie soit terminée, gaspillant des semaines de travail et obligeant les fabricants à éliminer les pièces.

Après la guerre froide, beaucoup de ces magasins ont fermé et les compétences se sont retirées avec eux. La fabrication additive a aidé à combler cette lacune, offrant un moyen plus rapide de produire des composants complexes et de raccourcir considérablement le temps nécessaire pour mettre en service les pièces.

Toute la fabrication additive ne fonctionne pas de la même manière. Certaines méthodes sont lentes et adaptées aux petites pièces complexes, comme la fusion de lit de poudre laser. Rao travaille actuellement sur des approches plus rapides connues sous le nom d'impression de fil d'arc et d'impression laser-fil.

« La fabrication additive par arc filaire est essentiellement le soudage en 3D », a déclaré Rao. « Si la fabrication d'additive de fusion de lit de poudre laser produit une pinte de matériau par jour, le fil de fil est de la taille d'un baril. Vous pouvez déposer 40 ou 50 kilogrammes de matériau en une seule journée. Le défi est de vous assurer que beaucoup de métal diminue sans un seul défaut. »

C'est là que l'IA entre en jeu.

Au lieu de découvrir des fissures ou des pores une fois une pièce terminée, l'équipe de Rao entraîne des algorithmes pour repérer les panneaux d'avertissement alors que le métal est en cours de réglage. En étudiant la «piscine de fonte» du métal chaud et en comparant à quoi ressemblent les impressions «bonnes» et «mauvaises», l'IA apprend à reconnaître les défauts en temps réel et les ajustements du signal avant de se propager.

« Lorsque la piscine à fusion avait l'air bien, la partie s'est avérée comment nous le voulions. Quand elle avait l'air mauvaise, nous savions ce qui se passerait », a déclaré Rao. « Nous avons donc construit un algorithme d'apprentissage automatique qui a pu prédire avec environ 90% de certitude lorsque les choses allaient mal. »

Maman et pop devenue l'industrie 4.0

Rao fait partie d'une plus grande équipe de chercheurs de Virginia Tech Made: Center for Advanced Manufacturing. Virginia Tech Made cultive des collaborations inter-campus, élargit les partenariats avec l'industrie et le gouvernement, et forme des étudiants et des professionnels de la fabrication en fonction de l'expertise de l'université en matière de matériaux avancés, de technologies de fabrication, de conception informatique, d'analyse de données et d'infrastructure numérique.

Dans le cadre du département Grado of Industrial and Systems Engineering, Rao applique ses antécédents dans la réflexion des systèmes pour rendre la fabrication non seulement plus rapide, mais plus intelligente.

« Plus vite, mieux, moins cher », a déclaré Rao. « Je veux améliorer le contrôle de la qualité, plus rapidement en ne perdant pas de temps à refaire des pièces et moins cher en réduisant les défauts. C'est quelque chose que nous faisons très bien dans le contrôle des processus. »

Rao et son équipe réalisent une grande partie de leur travail dans son laboratoire Kelly Hall, mais ils utilisent également l'usine d'apprentissage, le centre pratique de Virginia Tech pour l'éducation manufacturière. Une machine à fusion en poudre laser plus petite et une machine à imprimer en fil laser hybride ont récemment été ajoutées à l'installation – un crédits RAO de ressources à la prévoyance du chef de département Eileen Van Aken. Il a dit que sa poussée pour sécuriser l'équipement était essentielle, à la fois pour faire avancer la recherche et pour donner aux étudiants la possibilité de s'entraîner sur la même technologie utilisée dans l'industrie.

« Donner aux étudiants l'accès aux mêmes machines qu'ils verront dans l'industrie est essentiel », a déclaré Rao. « C'est pourquoi le système de fusion de lit en poudre laser et de fil laser dans l'usine d'apprentissage est si précieux. L'additif est quelque chose que vous pouvez vous entraîner rapidement, et il prépare nos élèves à entrer directement dans l'avenir de la fabrication. »