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Sous-traitance et fabrication additive dans les industries aérospatiale et aéronautique

Sous-traitance et fabrication additive dans les industries aérospatiale et aéronautique

par Gaëtan Lefèvre16 décembre 2016
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Pour évaluer les interactions entre la sous-traitance et la fabrication additive (FA), nous devons tenir compte de l’impact de cette technologie sur la chaîne de valeur et la chaîne d’approvisionnement. Dans cet article, A3DM Magazine a pris l’exemple des industries aérospatiale et aéronautique.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et de projets.

 

Le processus de la fabrication additive est généralement indiqué en cinq grandes étapes, comme décrit sur la figure 1 (ci-dessous) : à partir d’un modèle 3D, il est généré un fichier, généralement .STL ou .AMF, sur lequel sont calculées des coupes perpendiculaires au sens de fabrication (le processus de « tranchage »), la fabrication elle-même et le traitement final de la pièce. Cette technologie modifie l’échange entre le producteur et le consommateur. Les systèmes de production locaux peuvent se situer dans les locaux du consommateur. Les designers, quant à eux, peuvent indifféremment être situés dans les mêmes locaux ou travailler à distance.

Les impacts positifs de la fabrication additive sur la chaîne d’approvisionnement sont les suivants :

  • la réduction des cycles de production ;
  • la réduction des coûts de transport ;
  • une meilleure protection de la confidentialité de la conception, des secrets commerciaux ou industriels et des informations commerciales ;
  • la personnalisation ;
  • l’approvisionnement centralisé ;
  • la diminution de production de déchets ;
  • la réduction de l’impact financier des stocks ;
  • des pièces de rechange disponibles en permanence et instantanément.

Les avantages spécifiques

L’aérospatiale et l’aéronautique sont des secteurs pionniers dans le développement et l’utilisation de la fabrication additive. Et les raisons en sont nombreuses. Ces secteurs sont parfaitement adaptés à cette technologie. Contrairement aux entreprises de production de masse, ils sont en grande partie basés sur des volumes de production limités et des petits lots de pièces de rechange. Le dernier rapport concernant les coûts de maintenance des compagnies aériennes, présenté par la Maintenance Cost Task Force de l’Association internationale du transport aérien (International Air Transport Association – IATA), en décembre 2015, et sur la base des données fournies par 51 compagnies aériennes, indique qu’en 2014, la flotte mondiale comptait 24 597 avions dont 76 % fabriqués par les sociétés Boeing ou Airbus. Globalement, les compagnies aériennes ont dépensé 62,1 milliards de dollars en entretien, réparation et révision (Maintenance, Repair and Overhaul – MRO), soit 9 % des dépenses totales. Parmi celles-ci, 23 %, soit 14,41 milliards de dollars, étaient liés aux coûts directs de maintenance (Direct Maintenance Costs – DMC). Les pièces de rechange et les stocks représentent le plus fort impact, avec un total de 10,66 milliards de dollars. Il est particulièrement pertinent de considérer que pour chaque dollar dépensé pour l’entretien, 1,1 dollars est verrouillé pour les pièces détachées !

La production par fabrication additive est encore plus efficace pour réduire les délais et les coûts lorsqu’elle est liée à des opérations spatiales. Actuellement, les composants, les pièces de rechange et les outils sont envoyés de la Terre par une fusée. Grâce à la fabrication additive, ils pourraient être produits directement dans la station spatiale. Selon la NASA (National Aeronautics and Space Admi nistration), une livre de charge utile dans l’orbite terrestre coûte, aujourd’hui, 10 000 dollars. Son objectif est donc de « réduire ce coût à quelques centaines de dollars par livre d’ici 25 ans et quelques dizaines de dollars par livre d’ici 40 ans », annonce la NASA sur son site.

En 2014, l’administration aéronautique et spatiale américaine, en collaboration avec Made In Space Inc., a conçu le premier objet imprimé par fabrication additive dans l’espace. Le processus de fabrication additive fonctionne en microgravité comme sur la Terre. L’imprimante 3D utilisée fonctionne avec du plastique chauffé. Il serait donc possible de créer un « atelier d’usinage » dans l’espace, en réduisant ainsi les coûts et le risque d’envoi de matériels sur la station et, permettant de développer une chaîne sur demande pour les outils et pièces requis dans l’atmosphère. Cette réussite ouvre la voie à de futures expéditions spatiales d’expérimentation. Plus récemment, le 2 février 2016, Craig Auletti, ingénieur à la NASA, a déclaré que suite au succès de la mission ICESat (Ice, Cloud and land Elevation Satellite), la NASA prévoit le lancement en 2018 de la mission ICESat-2. Ce dernier portera également une partie imprimée en 3D en PEKK, un thermoplastique semi-cristallin à haute résistance à la chaleur, avec endurance chimique, résistance à une charge mécanique élevée, un retardateur de flamme, une faible génération de fumée et une faible toxicité.

La chaîne de valeur pour l’aérospatiale

Afin d’identifier les principaux acteurs et fournisseurs, il est utile d’examiner brièvement les procédés utilisés dans ce secteur. Les composants sont généralement fabriqués grâce à des technologies à base de poudre telles que la fusion sélective par laser (Selective Laser Melting – SLM), la fusion de faisceau d’électrons (Electron Beam Melting – EBM) ainsi que le frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering – SLS). De nombreuses pièces sont cependant produites à base de polymère avec l’impression 3D par dépôt de matière fondue, plus connue sous le nom de Fused Deposition Modeling (FDM). Les techniques à laser sont utilisées pour les petits composants alors que le dépôt de matière fondue est plus adapté à la fabrication de composants plus grands.

Une récente étude1 décrit les principaux segments de la chaîne de valeur de la fabrication additive pour la manufacture des pièces structurelles d’aéronefs (figure 2). Une des particularités de celle-ci est que les intégrateurs (les sociétés apportant des sous-systèmes, des composants et assurant que ces derniers fonctionnent) et les fabricants d’équipements d’origine (Original Equipement Manufacturer – OEM), au niveau d’approvisionnement 1 (Niveau 1), se déplacent aussi dans la chaîne de valeur, comme ceux impliqués dans les matières premières telles que GKN pour Hoeganaes ou Airbus avec son Scalmalloy. Un autre exemple est celui de General Electric (GE) qui a acquis, en 2013, deux sociétés de fabrication additive – Morris Technologies et Rapid Quality Manufacturing (RQM) – et qui a présenté une offre, il y a peu de temps, pour l’acquisition de SLM Solutions et d’Arcam.

Les fournisseurs des niveaux 1 et 2 offrent principalement des composants et des sous-systèmes à intégrer dans les systèmes finaux. Ces entreprises, souvent de grands acteurs internationaux, sont à la fois fournisseurs d’intrants et de services.

La gamme d’équipements et de composants produits par les fabricants d’équipements d’origine est assez grande. Par exemple, GE Avio Aero, située en Italie, se concentre sur les transmissions mécaniques, les machines turbo, les combustions, les montures et les étuis, la fabrication additive, la maintenance et les réparations (Maintenance Repair and Overhaul – MRO & Component Repair and Overhaul – CRO) ainsi que le moulage en sable. Aujourd’hui, la société dispose d’une usine dédiée à la fabrication additive où plus de vingt imprimantes EBM fonctionnent avec des machines laser.

On retrouve également d’autres sociétés actives dans les niveaux 1 et 2 comme SAFRAN et Zodiac Aerospace. Les entreprises telles que Finmeccanica (qui collabore avec les fabricants d’avions civils sur les pièces structurelles) ou la branche Airbus Aviospace intégreront bientôt la fabrication additive dans leur chaîne de valeur. Nous décrivons dans l’article sur l’industrie aéronautique (page 12) le joint-venture GE / SNECMA pour produire le moteur LEAP et l’accord Airbus / Stratasys pour fabriquer au moins 1 000 parties non structurelles de vol de l’avion A350 XWB avec FDM.

Les principaux acteurs

Les systèmes d’injection des satellites, les antennes, les supports pour les antennes, les mécanismes de libération et de déploiement, les supports pour la structure, des caloducs et des boucles de chaleur, les lanceurs, les supports et systèmes de propulsion sont les principales pièces conçues par fabrication additive, dans le secteur aérospatial. Les principaux acteurs, quant à eux, sont :

  • les institutions publiques majeures telles que l’ONERA, le CNES, le NLR aux Pays-Bas, le DLR en Allemagne et l’ESA ;
  • les organisations intermédiaires (AFNOR, GIFAS, Cluster ASTECH Compétitivité en France) ;
  • universités et autres RTO tels que TNO (Pays-Bas), KUL (Belgique), IRT Saint Exupéry (France), Scatech (Espagne), TWI (UK), Cotech (Australie), Fraunhofer (Allemagne) et l’Institut Tallin of Technology (Estonie).

Fournisseurs et matière première

Les fournisseurs de services de fabrication additive ont un rôle différent dans la chaîne de valeur. Ils aident les grands fabricants dans le développement des applications, fournissant les OEM spécifiquement avec des supports et des pièces structurelles. Les fournisseurs de services sont principalement situés en France : Airpro, Poly-Shape, 3A (qui a remporté un prix AFPR pour la production en EBM de pièces en alliage de titane pour Dassault), Fusia, Spartacus 3D (ancien groupe de fonderie Faramir) et des sociétés d’ingénierie qui se concentrent sur les développements de la fabrication additive comme Sokaris, Prismadd, Poly-Shape (qui a fait équipe avec LISI) et Mecachrome.

Le britannique GKN est un des plus importants fournisseurs de l’industrie mondiale de l’aviation. Il est également impliqué dans la recherche et le développement de poudre à travers sa division de métallurgie des poudres. Cette division participe au projet collaboratif TiPOW, d’une valeur de 3,1 milliards de livres (£), soutenu par le gouvernement britannique, visant au développement de la « poudre de titane spécialement formulée et mélangée pour répondre aux besoins de la fabrication additive de composants aérospatiaux ». En 2013, les ventes de la division de métallurgie des poudres (12 % des ventes totales) ont atteint 932 millions de livres, alors que 2 243 milliards ont été générés par la division aéronautique. Airbus envisage également des activités similaires.

Les poudres métalliques, pour la fabrication de pièces structurelles métalliques, sont généralement fournies par des entreprises comme Eurasteel UE ou Metallo-Chimique NV en Belgique, TLS en Allemagne, LPW en Grande-Bretagne, Constellium en Hollande, ATI aux États-Unis, AMPS en Australie, Sandvik en Suède ou encore les entreprises : allemande HC Starck, américaine Carpenter et canadienne Equi-Sphere. Les entreprises fournisseuses d’aluminium sont Valimet (US), TLS (Allemagne), NMD (Allemagne) et ECKA Granules (Allemagne). Aubert et Duval, en France, est fournisseur de fer. L’aluminure de titane est utilisée pour les pales du moteur car elle possède un niveau de résistance supérieure à celle du titane classique, 800 °C au lieu de 500 °C. Elle est, par exemple, utilisée par Avio Aero, en Italie, pour ses moteurs. Tandis que le titane est plus adapté à des composants structuraux, car il n’a pas besoin de résistance à haute température.

Les fabricants d’imprimantes 3D et de logiciels

Les principales caractéristiques de ce segment de la chaîne de valeur sont les matériaux utilisés : les métaux. L’industrie européenne semble plus forte, dans ce secteur, par rapport à la concurrence dans le monde entier2. Les principaux acteurs sont les allemands EOS, SLM Solutions et Concept Laser qui dominent le marché, suivis par leur homologue britannique Renishaw et le suédois Arcam AB. Le titane est spécifiquement utilisé par des sociétés comme Arcam et Evonik (Allemagne) tandis que l’aluminium est un domaine couvert par SLM Solutions, EOS et Concept Laser. Dans une autre perspective, des sociétés comme Voxeljet et ExOne se trouvent indirectement impliquées dans cette chaîne de valeur car elles produisent des imprimantes 3D utilisées pour l’outillage et l’impression des inserts de moules utilisés pour le prototypage rapide ou pour la production de composants.

Il existe deux types de logiciels. Tout d’abord, les logiciels d’exploitation (au niveau de l’interface du système) tels que 3-matic ou Magics de Materialise. Ceux-ci sont nécessaires pour faire fonctionner des imprimantes telles que celles d’EOS. De la même manière, SolidView de Stratasys et d’autres, comme Netfabb, sont essentiels. Ensuite, les logiciels de conception sont utilisés pour générer des modèles et des fichiers à imprimer. Il s’agit de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO). Les principaux dans le secteur de l’aérospatiale sont : Simpleware (UK), les logiciels de Materialise, Within Labs (basé au Royaume-Uni mais appartenant à Autodesk, US), NSPI (US), HyperWorks et OptiStruct (Allemagne). Les logiciels de CAO qui dominent toujours le marché sont : OptiStruct et PolyWorks, mais aussi SolidWorks et Catia de Dassault (France) ou AutoCAD d’Autodesk. Autodesk est particulièrement dépendante de la connaissance des intégrateurs et des fournisseurs de niveaux 1 et 2, comme les professionnels de la conception.

Le concepteur doit généralement avoir une connaissance détaillée des composants. Ainsi, la phase de conception est la plus susceptible de se produire au niveau des intégrateurs. Ces derniers envoient le fichier .STL ou .AMF résultant d’un fournisseur de services de fabrication additive ou d’un processus à l’impression en interne. Bien que l’environnement de CAO reste dominé par les principales entreprises, de nouveaux développements semblent être en cours. De nouveaux développeurs de conception et de logiciels ont tendance à entrer dans l’arène concurrentielle. Par exemple, de nombreuses entreprises, fabricants de machines mais aussi fournisseurs de services, essayent de développer leurs propres solutions logicielles – sur le système ou en ce qui concerne certains aspects de la conception ou de l’interface (comme en ce qui concerne le positionnement des composants dans la chambre).

La bière volante est imprimée en 3D

Sur la compagnie KLM, le premier chariot imprimé en 3D a été embarqué. Il s’agit d’une pompe à bière. Ce projet de chariot aéroporté utilise le CO2 pour fournir la pression nécessaire pour obtenir la bière. Ce gaz est généralement pompé dans le fût de bière à partir d’une boîte, mais les règles de sécurité de vol indiquent qu’il est trop dangereux d’amener ce gaz à bord d’un avion. KLM, conjointement avec la société Heineken, a trouvé une solution en créant un nouveau fût « BrewLock ». La technologie « BrewLock » utilise la pression de l’air pour apporter la pression du fût au niveau souhaité et ainsi compenser la pression négative à bord. Ce système permet de générer une pression suffisante du robinet pour le service. Ce service de bière fraîche ne sera pas disponible sur tous les vols, en grande partie parce que le processus de l’impression 3D du système et de mise sous pression de l’air est compliqué et coûteux. Comme tous les avantages de vol, le projet de la bière en vol ne sera disponible que pour les voyageurs en World Business Class, et uniquement sur certains vols spéciaux.

Source : https://blog.klm.com/worlds-first-perfect-draught-beer-aboard-a-plane/

SLM Solutions et le secteur aérospatial

SLM Solutions, récemment acquis par le groupe GE, a participé au Google Lunar XPRIZE relatif à une première mission privée sur la Lune, et comprenant la fabrication d’un véhicule capable de fonctionner sur la surface lunaire et d’envoyer des images à haute résolution et des données vers la Terre. Les pièces du véhicule d’essai et le prototype rover Asimov R3C (roues et adaptateur de caméra) ont été produits par SLM.

Notes

1 – “Identifying current and future application areas, existing industrial value chains and missing competences in the EU, in the area of additive manufacturing (3D-printing)”, IDEA Project pour EC EASME, participé par l’auteur de cet article comme expert.

2 – Les principaux acteurs dans la fabrication additive métallique sont : EOS, Concept Laser, Arcam, Phenix Systems (maintenant 3DS), MTT Technologies, Trumpf, Realizer, SLM Solutions et Renishaw (source : SIRRIS, 2014).

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Gaëtan Lefèvre
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