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Fabrication additive et aéronautique, de nombreuses applications

Fabrication additive et aéronautique, de nombreuses applications

par Gaëtan Lefèvre19 décembre 2016
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De la conception à la production, la fabrication additive (FA) offre de nombreuses possibilités pour fabriquer des outils personnalisés. Le secteur de l’aéronautique a intégré cette technologie à l’ensemble de ses processus. Exploration au sein des applications aéronautiques.

Par Joe Hiemenz, Stratasys, Inc.

 

L’aéronautique est le secteur que les autres industries observent pour savoir de quoi l’avenir sera fait. Au cours de l’histoire, ce secteur a joué le rôle de précurseur en matière de recherche et d’innovation. Ce qui s’y faisait il y a des dizaines d’années est devenu aujourd’hui courant, presque banal. Par exemple, le secteur de l’aéronautique a été le premier à adopter la fibre de carbone, puis le premier à intégrer la CAO / CFAO à ses processus de conception. De nombreux autres exemples montrent que les tendances dans l’aéronautique marquent les évolutions ultérieures de la fabrication, quel que soit le secteur.

Aéronautique et fabrication additive

Le secteur de l’aéronautique a intégré la fabrication additive (FA) à l’ensemble de ses processus et de ses fonctions, de la création jusqu’aux réparations précédant la fin de vie. Chaque succès a entraîné une intégration plus poussée de la fabrication additive jusqu’à en faire une technologie extrêmement polyvalente. L’aéronautique continue à explorer de nouvelles applications et à investir dans la recherche pour les rendre possibles. En définitive, les résultats de cette recherche profitent aux utilisateurs de la fabrication additive dans de nombreux domaines et pour une large gamme d’applications.

L’aéronautique a ouvert la voie à l’utilisation de la fabrication additive et de tous les autres secteurs ont suivi. Il ne s’agit donc pas ici de prédire, mais de rappeler le rôle de cette industrie en tant que marqueur de tendances et l’importance de la fabrication additive. Tout comme la CAO/CFAO, la fabrication additive n’est plus un outil soumis à des justifications financières. Sa valeur est établie. Il s’agit d’un « catalyseur ». La façon dont l’aéronautique utilise aujourd’hui la fabrication additive permet-elle de prédire une utilisation similaire dans le secteur de la fabrication à court terme ?

La FA pour le prototypage aéronautique

SelectTech GeoSpatial, une entreprise de fabrication de pointe pour des applications commerciales et de défense, a produit le premier système aérien sans pilote (UAS : Unmanned Aircraft System) imprimé en 3D, capable de décoller et d’atterrir avec son équipement. Les pièces du fuselage ont été totalement réalisées par fabrication additive. Cette technologie a permis les itérations à volonté. Cette société l’utilise dans le cadre d’une approche par essais et erreurs, visant à éviter les longs délais liés à l’analyse et la simulation. Son processus est simple, direct et efficace : conception, impression, assemblage, vol, apprentissage et répétition. Selon Frank Beafore, directeur technique chez SelectTech, « [Il n’y a eu] aucune erreur, chaque essai nous a permis de progresser ».

La FA teste les véhicules de la NASA

Pour la production d’un ensemble de véhicules, hautement personnalisés, et afin de les soumettre à des tests très durs, la NASA a décidé d’utiliser la fabrication additive. Les pièces imprimées en 3D pour le « Mars rover » comprenaient des éléments tels que des ventilations et des boîtiers ignifuges, des fixations pour caméras et de grandes portes de capsules.

La fabrication additive offre la souplesse de conception et la rapidité d’exécution nécessaires à la fabrication des boîtiers personnalisés. Par exemple, un boîtier extérieur, en forme d’oreille, est profond et sinueux, ce qui le rend impossible ou tout au moins très difficile à usiner. Au total, la NASA a produit 70 pièces par fabrication additive pour ses véhicules d’essais. La résolution des problèmes préalablement à l’achat d’outillage très onéreux permet de garantir des pièces parfaitement conçues pour le rover. « Tout le monde doit s’adapter à un budget, c’est aussi valable pour nous », déclare Chris Chapman, ingénieur chargé des essais à la NASA.

La FA au service de l’outillage

Advanced Composite Structures (ACS) répare des avions, des hélicoptères et produit des composants en faible volume, au moyen de pièces composites. Ce travail demande des outils d’empilage, des mandrins, des noyaux et des guides forets. Dans le cas d’outils usinés CNC, ACS doit prévoir plusieurs mois et investir des milliers de dollars. Et lorsqu’une modification survient, les coûts grimpent et les délais se prolongent. La solution réside dans la fabrication additive pour la quasi totalité des besoins en matière d’outillages composites. En général, les outils d’empilage ne coûtent que 400 dollars et sont prêts à l’utilisation sous 24 heures, ce qui signifie que les modifications ne constituent plus un problème.

La fabrication additive est vraiment idéale pour des pièces creuses en matériau composite, comme une capsule pour un véhicule piloté à distance. En enveloppant des matériaux composites autour d’un noyau soluble réalisé par fabrication additive, on élimine les outils onéreux et constitués de deux sections. « Pour les réparations et les travaux de production en petit volume dans lesquels nous sommes spécialisés, l’outillage représente souvent la plus grande part du coût total. En passant des méthodes traditionnelles à la production d’outillage composite au moyen de la modélisation par dépôt de fil en fusion (FDM), nous avons pu optimiser notre compétitivité », affirme Bruce Anning, fondateurs d’ACS.

Connecticut Corsair est une organisation à but non lucratif qui se consacre à la restauration de l’avion historique du même nom. Pour chaque projet, le défi consiste à remplacer les pièces d’origine. Celles-ci sont difficiles à trouver et très difficiles à reproduire, car la plupart ne correspondent pas aux dessins techniques conservés. Un autre défi réside dans le faible volume de pièces. Le coût de chaque matrice pouvant s’élever à plusieurs milliers de dollars, cette organisation à but non lucratif s’efforce de trouver des fonds lui permettant de reproduire les pièces nécessaires. Cela peut sembler absurde, mais les outils en plastique, réalisés par fabrication additive, peuvent être utilisés dans des procédés d’hydroformage à haute pression pour réaliser des pièces en tôle. Craig McBurney, le fondateur de l’organisation et directeur du projet, nous explique que « une fois le fichier disponible, nous imprimons les segments et obtenons les pièces en tôles hydroformées. Nous n’avions jamais vu cela dans notre secteur : travailler si vite et avec une telle précision ».

La société Piper Aircraft utilise également l’hydroformage, mais son application est destinée à des centaines de pièces structurelles en aluminium pour un nouvel avion. Par le passé, la société utilisait des outils usinés pour l’emboutissage. Piper Aircraft a constaté que les outils en polycarbonate étaient capables de supporter des pressions d’hydroformage entre 3 000 et 6 000 psi ; ils conviennent donc au formage de toutes les pièces structurelles. Selon Jacob Allenbaugh, ingénieur de fabrication chez Piper Aircraft, « je peux programmer une pièce FDM en 10 minutes, alors que j’aurais passé quatre heures à écrire un programme CNC ordinaire ». « La machine FDM peut être beaucoup plus rapide qu’une CNC et travailler sans surveillance ». Un autre avantage de la fabrication additive : « Les pertes en termes de matériau sont beaucoup plus réduites avec la technologie FDM qu’avec l’usinage CNC, car le matériau de support FDM constitue souvent moins de 20 % du total », nous explique Jacob Allenbaugh. Pour Piper Aircraft, la prochaine phase liée aux outils de formage en plastique par fabrication additive sera axée sur la production d’avions plus efficaces, grâce à la réalisation de pièces plus complexes et de forme organique. Celles-ci sont rendues possibles par la fabrication additive.

La FA réalise des produits finis

La frontière ultime est la production, c’est-à-dire réaliser des produits finis. Selon Jeff DeGrange, vice-président de la fabrication numérique directe chez Stratasys, « actuellement, l’acceptation est de plus en plus précoce dans le secteur de l’aviation commerciale, lequel présente certaines des normes de rendement les plus exigeantes. Cela inclut les bouches d’aération, les volets des panneaux et d’autres pièces intérieures. L’enveloppe externe d’un avion cache des conduites en HVAC, des panneaux de distribution de la puissance et de nombreux matériaux de montage et de fixation, tous fabriqués par fabrication additive ».

Il insiste sur le fait que ces pièces sont destinées tant aux avions neufs qu’à ceux déjà en service. Jeff DeGrange met l’accent sur le secteur des avions d’affaire où « des sociétés construisent 500 avions pour 50 clients, chaque appareil présentant des spécificités propres. La fabrication additive leur permet de réaliser des économies d’échelle et leur offre la souplesse nécessaire pour répondre aux besoins d’une production très diversifiée ». Taylor-Deal Automation est l’une de ces sociétés. Elle utilise la fabrication additive du prototypage à la production pour l’ingénierie et la modification de pièces spéciales pour les fluides et la climatisation. « La fabrication additive nous offre une souplesse au niveau du design, une réduction des coûts, des gains de poids et des délais de livraison optimisés », déclare Brian Taylor, président de la société, « le tout pour une production en petite quantité ». Le matériau choisi par Brian Taylor est l’ULTEM® 9085, conforme aux normes FAA. Nous pouvons ainsi réduire le temps d’ingénierie et fabriquer une pièce moins onéreuse ».

La souplesse en matière de conception et de fabrication permet d’obtenir un appareil plus efficace. Les pièces réalisées par fabrication additive contiennent moins de matériau, ce qui réduit leur poids d’environ un tiers (ou moins) par rapport aux pièces en métal qu’elles remplacent.

Kelly Manufacturing Co. (KMC), le plus grand fabricant au monde d’instruments de vol, réalise la ligne d’instruments de vol R.C. Allen. L’une des applications par fabrication additive produite est un logement toroïdal pour un indicateur de virage et d’inclinaison. Auparavant, les pièces étaient réalisées en uréthane moulé dans un outil souple (caoutchouc).

Ce processus était idéal pour la production en petit volume, car il était beaucoup moins cher et plus rapide qu’un empilage composite. Mais la fabrication additive a remplacé le moulage caoutchouc, car elle réduit encore plus les coûts et les délais. Le logement toroïdal, moulé dans un moule en caoutchouc, aurait demandé entre trois et quatre semaines pour une commande de 500 pièces. À présent, grâce à son système FDM, KMC produit 500 logements toroïdaux du jour au lendemain. Justin Kelley, président de KMC, déclare : « De la commande à la livraison, trois jours nous suffisent pour disposer de pièces certifiées ».

« La production de drones est un segment à croissance rapide pour la fabrication additive, en raison des systèmes complexes, des itérations rapides, du faible volume, de la complexité structurelle et de l’absence de normes de sécurité qui entravent le déploiement », déclare Jeff DeGrange. Aurora Flight Sciences, une société qui conçoit et fabrique des drones de pointe et des véhicules aéronautiques, a fabriqué et fait voler un avion d’une envergure de 62 pouces – l’aile étant entièrement constituée de composants réalisés par fabrication additive. Cette approche de la fabrication réduit les contraintes liées à la conception auxquelles sont confrontés les ingénieurs avec les techniques de fabrication traditionnelles. La conception de la structure de l’aile a été optimisée pour réduire le poids sans diminuer sa résistance. « Le succès de cette aile a montré que l’impression 3D peut être utilisée pour fabriquer rapidement la structure d’un avion de petite taille », déclare Dan Campbell, ingénieur en recherche sur les structures pour Aurora. « Si une aile doit être remplacée, il nous suffit de cliquer sur “imprimer” et en deux jours, nous disposons d’une aile neuve, prête à voler ». Aurora attire également l’attention à propos d’une nouvelle application : les « pièces intelligentes », des pièces hybrides incluant des structures imprimées en 3D et de l’électronique également imprimée. La société a travaillé avec Stratasys et Optomec pour combiner l’impression FDM et l’impression d’électronique Aerosol Jet afin de fabriquer des ailes avec de l’électronique intégrée. Selon Jeff DeGrange, « l’alliance de l’impression 3D et des circuits électroniques imprimés va changer les règles du jeu de la conception et de la fabrication. Cette méthode a le potentiel de rationaliser totalement la production, car elle nécessite moins de matériaux et réduit les étapes pour la mise sur le marché d’un produit ».

« La capacité de fabriquer des éléments électroniques opérationnels dans le cadre de structures complexes au moyen de la fabrication additive peut nous permettre de réaliser des drones plus rapidement, plus personnalisés, mieux adaptés au domaine auquel ils sont destinés. Tous ces avantages devraient permettre de produire des appareils moins chers et plus efficaces », ajoute Dan Campbell. Les pièces intelligentes améliorent les performances et le fonctionnement de deux façons. Les imprimantes 3D permettent de réaliser des structures mécaniques plus légères. L’électronique adéquate imprimée directement sur la structure libère de l’espace pour une charge utile supplémentaire.

La société Leptron fabrique des hélicoptères pilotés à distance. Pour son projet RDASS 4, la fabrication additive lui a permis de réaliser 200 modifications au niveau de la conception (chaque composant a subi au moins quatre modifications) sans souffrir de pénalités en termes de coût ou de délais. Dès que la conception a pu être lancée, Leptron a disposé des pièces prêtes à l’utilisation en moins de 48 heures, tout cela grâce à la fabrication additive. De plus, ce projet comprenait plusieurs conceptions pour des applications spécifiques, notamment huit variations pour les composants d’imbrication du fuselage intégré. Si la société avait utilisé le moulage par injection, comme elle le faisait par le passé, les coûts en termes d’outils auraient été supérieurs à 250 000 dollars et les pièces pour la production seraient arrivées six mois plus tard. Cette entreprise de taille moyenne incarne la tendance dans l’aéronautique : pas d’atelier, mais une machine de fabrication additive utilisée pour le prototypage pendant la production.

Dans le secteur de l’aéronautique, la fabrication additive est devenue un outil pour la conception, les tests, l’outillage et la production qui va bien au-delà des avions fabriqués par ce secteur. Les sociétés font également confiance à ces applications de fabrication additive pour leurs systèmes d’assistance au sol et les entrepôts de réparation. Cependant, selon Jeff DeGrange, « nous n’avons pas encore couvert tous les domaines dans lesquels la fabrication additive peut être utilisée. Là réside tout son intérêt. La technologie est extrêmement polyvalente », dit-il. « Une semaine, elle est utilisée pour des prototypes d’ingénierie, la suivante pour réaliser des outils destinés aux processus de fabrication et la suivante pour la production de produits finis. Sa polyvalence est réellement incroyable ». Cette polyvalence est la tendance dans l’aéronautique qu’il faut observer, suivre et mettre en œuvre.

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Gaëtan Lefèvre
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