Une nouvelle génération de modèles imprimés en 3D

Quand l’impression 3D fait voler en éclats les idées reçues

Texte et photos : Laurent Schmitz

Les avions imprimés en 3D s’améliorent sans cesse, mais ils ne sont pas à l’abri d’une panne ou d’une erreur de pilotage. Or, ces modèles ont la réputation d’être très fragiles, pas durables et impossibles à réparer. Des affirmations qui étaient peut-être vraies il y a cinq ans mais qui aujourd’hui ne tiennent plus la route.

Les participants à la récente rencontre Inter-Ex peuvent témoigner que les avions imprimés en 3D sont solides et adaptés à un usage courant. Tous les modèles que j’ai présentés sont 100 % en filament ultraléger LW-PLA, sans renforts en tubes de carbone ou d’alu, même pas dans les ailes. Et pourtant, le Su-7, le Su-9, ou le Ohka sont des jets rapides, soumis à d’importantes contraintes en vol. Et ce constat ne concerne pas seulement les ailes à faible allongement. Mon Arado 234 et le Grumman Widgeon, deux bimoteurs, n’ont pas non plus d’autre clé d’ailes que celle incorporée dans la structure en LW-PLA. Seule exception, le B-52 a des clés en carbone car ses ailes longues et fines sont démontables.

On sait désormais créer des modèles imprimés en 3D, comme ce Ar234b, qui se passent de renforts en carbone, coûteux et parfois difficiles à trouver dans le commerce.

Par ailleurs, après le crash spectaculaire du Ohka de Laurent Berlivet (resté accroché à l’élastique de la catapulte et "poireauté" plein pot dans le sol), on s’attendait à retrouver un tas de petits bouts de plastique, mais finalement l’avion est tout à fait réparable. Même constat pour mon B-52, qui s’est pris un arbre quand son accu a rendu l’âme. Le craquement sinistre faisait craindre le pire, mais à la grande surprise de tous, les dégâts étaient très limités. L’avion aurait pu revoler sur place. Comment arrive-t-on aujourd’hui à de tels résultats ?

Un B- 52 de 1,16 m d'envergure : ce type de modèle n’est rendu possible que grâce à l’impression 3D en filament LW-PLA.

C’est de la physique de base, mais on a tendance à l’oublier: l’énergie d’un impact est proportionnelle à la masse multipliée par le carré de la vitesse. Donc pour qu’un avion résiste bien, il faut qu’il soit léger et le plus lent possible lors du choc. C’est le cas par exemple pour les petits modèles en mousse, qui résistent à peu près à n’importe quel accident. En plus, le matériau dont ils sont faits absorbe très bien les chocs, en dissipant l’énergie d’impact localement au lieu de la transmettre dans une cellule rigide.
Le corolaire de cette histoire est simple : renforcer un modèle est souvent contre-productif !
Hélas, en matière d’impression 3D, je constate souvent le phénomène inverse : au lieu de suivre le mode d’emploi, le constructeur opte pour un matériau qu’il pense "plus résistant", typiquement, du PLA au lieu de LW-PLA. Cela vient aussi de l’appréhension d’employer un filament qu’ils ne connaissent pas. Le résultat est un modèle qui semble solide, mais qui est en réalité bien plus vulnérable que l’original ! Il est plus lourd et doit voler plus vite, ce qui augmente fortement l’énergie d’impact. Un exemple avec l’excellent Zéro de 3DLabPrint :

Zéro en LW-PLA : 600 grammes, vitesse de décrochage 36 km/h (10 m/sec).
Zéro en PLA : 800 grammes, vitesse de décrochage 45 km/h (12,5 m/sec).

En cas de crash à la vitesse de décrochage, la Physique dit que l’énergie d’impact (en Joules) égale ½ mv², avec m pour la masse en kilos et v pour la vitesse en mètres par seconde.

Zéro en LW-PLA : ½ x 0,6 x 100 = 30 Joules
Zéro en PLA : ½ x 0,8 x 156 = 63 Joules

Le Zéro "renforcé" n’est que 1/3 plus lourd, mais l’énergie destructrice est 2x supérieure !

Ce Zero imprimé en LW-PLA pèse 600 g au décollage (pour 1 m d’envergure). Cela explique son excellent comportement en vol, sa solidité et sa longévité (plus de 3 ans et des centaines de vols). Le même en PLA, pèserait 200 g de plus et ne survivrait pas au moindre crash, à cause d’une énergie à l’impact 2 fois supérieure et du matériau trop raide, qui n’absorbe pas les chocs localement.

Le Zéro en PLA risque d’autant plus de finir en petits morceaux que le matériau dont il est fait est fort rigide. Il transmet l’énergie du choc à la structure, tandis que le LW-PLA se déforme et casse en dissipant l’énergie localement.
L’avion plus lourd a aussi moins de réserve de puissance et d’autonomie, à moins de changer de moteur et d’adopter un LiPo plus gros, ce qui augmente davantage la masse et la vitesse de décrochage... On entre dans un cercle vicieux.
Enfin, comme l’avion plus lourd vole plus vite et décroche plus facilement, il est plus difficile à piloter, ce qui accroît le risque de crash. A ce petit jeu, c’est l’avion plus léger qui gagne, en impression 3D comme en modélisme traditionnel, d’ailleurs.

Les habitudes ont la vie dure et moi aussi je concevais mes modèles avec des tubes et renforts en carbone. Or, j’ai découvert que c’est souvent inutile. L’impression 3D permet de réaliser des ailes et des fuselages solides, sans nécessiter de coûteux tubes ou plats de carbone. Pas (encore) pour les ailes à fort allongement d’un planeur, mais ça marche très bien pour une aile de warbird. Mon petit Ohka, par exemple, est impossible à détruire en vol, quelle que soit la violence de la manœuvre. Pourtant, sa structure ne contient pas de carbone, ni d’autre renfort. Rien que du LW-PLA, même dans la version "Kimono" aux ailes allongées.
Pour y arriver, il faut concevoir une structure incorporant un ou plusieurs longerons imprimés. Ceux-ci peuvent être de simples trous rectangulaires ou cylindriques percés dans le profil de l’aile. C’est contre-intuitif, mais en impression 3D, quand on retire un volume d’une aile massive, en réalité on ajoute de la matière, sous la forme des parois du "tuyau". Celles-ci renforcent alors considérablement la cellule.

Ce Grumman Widgeon est un bon exemple de la nouvelle génération de modèles imprimés en 3D ; des semi-maquettes solides et adaptées à un usage quotidien.

Il est aussi préférable d’imprimer les pièces de façon à ce que les lignes d’impression se trouvent le long de l’envergure et non en travers de celle-ci. En effet, quand une pièce imprimée casse, c’est généralement suite à une délamination des couches d’impression. Ensuite, il faut accepter que l’aile plie un peu, comme celle d’un avion de ligne, ou comme un roseau. Si on y ajoute un gros renfort en carbone, l’aile ne peut plus plier et accepter l’effort. Toute sa résistance revient à celle du carbone, la structure imprimée ne contribue presque plus. Le renfort doit alors être sur-dimensionné pour supporter seul toutes les contraintes.

Le Hurricane de 3DLabPrint est quasi indestructible en vol. Pourtant, sa structure à une seule paroi est molle comme un pot de yaourt, c’est franchement inquiétant quand on prend l’avion en mains. Hélas, avec son train rentrant, ce superbe avion est trop chargé pour bien voler.

Un modèle peut parfois sembler affreusement fragile sans l’être réellement. C’est particulièrement vrai d’un kit en impression 3D avec une seule paroi mince en LW-PLA. Le célèbre Zéro de 3DLabPrint en est un bon exemple. Quand on le prend en mains, ça fait peur ! C’est un pot de yaourt, on ne sait comment le tenir. Et pourtant, l’avion est indestructible en vol. Depuis 4 ans, le mien a fait de très nombreux vols, et il est toujours fidèle au poste. Alors bien sûr, même si c’est assez solide pour voler, la sensation n’est pas très agréable et il faut être prudent lors des manipulations. C’est la raison pour laquelle je conçois tous mes modèles en LW-PLA avec deux parois et un remplissage entre les deux. Une solution à mon avis simple à dessiner et qui offre à la fois une excellente solidité en vol et un ressenti proche du balsa pour l’utilisateur.

La conception avec deux parois et un remplissage donne des pièces qui ressemblent visuellement et au toucher à une construction traditionnelle en balsa.

D’autres concepteurs préfèrent une paroi unique de PLA ou PLA+, comme Troy Mc. Millan l’a fait pour son magnifique DC-6. Au passage, notez que ce gros avion vole sans renforts de carbone, et sa masse de 3,7 kg est raisonnable pour un quadrimoteur de 180 cm d’envergure avec volets et train rentrant.

Imprimer un modèle comme ce gros DC-6 revient à moins de 70 € ! C’est compter sans l’amortissement de l’imprimante 3D, mais on trouve désormais des machines très performantes à moins de 300 €.

Comme on le voit, la technique a bien évolué. Le nombre de modèles disponibles aussi et l’offre est désormais impressionnante. On trouve des semi-maquettes de tous les avions célèbres, et beaucoup d’appareils moins connus ou de créations originales. Plusieurs sociétés proposent un catalogue de kits fort aboutis. Troy Mc. Millan est renommé pour ses reproductions d’avions de ligne, PlanePrint pour ses oiseaux et 3DLabPrint pour sa collection de Warbirds. A côté de ces firmes bien établies, de nombreux amateurs proposent leurs créations sur des sites de partage comme Cults3D.com. C’est mon cas, avec désormais une douzaine de modèles.

La page Cults3D du signataire (OrionRider), avec de nombreux designs originaux que vous avez pu découvrir en détails sur jivaro-models.

Le prix de ces kits est souvent comparable à un plan de construction papier. Il varie selon la complexité du modèle et le travail qu’il a nécessité. On trouve aussi pas mal d’avions en téléchargement gratuit. Les imprimantes se sont démocratisées et on peut maintenant s’équiper d’une machine de qualité pour moins de 300€. Un kilo de filament LW-PLA coûte une quarantaine d’euros et permet d’imprimer un avion complet, comme mon Su-7 par exemple.

Qui a dit que les modèles imprimés en 3D sont trop petits ? Cet Airbus A380 de 3 m d’envergure en LW-PLA prouve que tout est possible. 49€ sur Cults3D, si le challenge vous tente.

Sur bien des plans, on vit un vrai âge d’or du modélisme RC. Cependant, je constate que les amateurs de modèles imprimés sont rarement les mêmes que les constructeurs de modèles plus traditionnels. L’idée de devoir poncer un modèle les rebute aussi sûrement que les modélistes "balsa" rechignent à configurer un profil d’impression sur l’ordinateur. On peut espérer que les deux mondes se rencontreront sur les terrains et que chacun abandonnera ses préjugés.

Il n’y a pas que de grosses firmes qui produisent des kit pour impression 3D. De nombreux amateurs proposent leurs créations sur Cults3D pour le prix d’un plan ‘papier’ vendu par une revue, et parfois même gratuitement, comme cet adorable Folland Gnat pour turbine de 30 mm, ou le gros Hawker Hunter présenté sur Jivaro-models.