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Attachez vos ceintures ! La fabrication additive s’envole

Attachez vos ceintures ! La fabrication additive s’envole

by Gaëtan Lefèvre20 décembre 2016
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L’industrie aéronautique a été un des secteurs pionniers dans l’utilisation de la fabrication additive. Prototypage ou pièce de série, structurelle ou non structurelle, pièce de conception ou de réparation, cette technologie a pris une place importante à bord des avions.

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

 

Trois industries ont été pionnières dans le développement et l’utilisation de la fabrication additive : le secteur aéronautique, l’automobile et l’industrie médicale. Après l’analyse du secteur médical, publiée dans A3DM Magazine n° 4 (que vous pouvez retrouver les articles sur le site), la rédaction s’attaque aux fortes relations entre la fabrication additive et le secteur aéronautique. Celui-ci utilise depuis plus de trente ans cette technologie, depuis la naissance des technologies SLM en 1983. À la fin des années 1980, la fabrication additive était considérée comme une technologie pour le prototypage avant de, rapidement, décoller vers des applications plus étendues.

Selon le cabinet de conseil en stratégie Roland Berger, en comparaison avec d’autres secteurs, l’industrie aéronautique est fortement utilisatrices de la fabrication additive, comme le montre les schémas qui suivent.

La fabrication additive s’envole

Dans ce secteur, la fabrication additive est principalement utilisée afin :

  • d’imprimer des éléments non structuraux, en utilisant, par exemple, des matériaux polymères comme dans le cas de la collaboration entre l’aviateur Airbus et la société Stratasys (voir l’encadré La chaîne d’approvisionnement de l’avion A350 XWB, en bas de l’article) pour fabriquer des composants utilisés principalement pour l’intérieur de l’avion, comme la cabine ;
  • d’imprimer des composants de moteurs à réaction tels que dans le cas des sociétés General Electric (GE) et Rolls-Royce (voir encadré en bas de page) ;
  • d’imprimer des pièces de structure de l’avion, des composants connexes exigeants, mais aussi des composants structuraux secondaires, comme les crochets d’Airbus (voir ci-dessous).

Les avantages de la technologie de fabrication additive, régulièrement présentés dans A3DM Magazine, répondent particulièrement bien aux besoins du secteur aéronautique. L’intégration de formes complexes et la flexibilité pour créer des géométries de pièces uniques sont essentielles pour la consolidation des pièces, l’amélioration de l’innovation et de la créativité. La réduction de la production de déchets, en particulier pour des matériaux chers, est à la fois plus économique et écologique.

La production relocalisée diminue les coûts de transport. La fabrication à la demande permet spécifiquement aux aviateurs d’éviter les coûts de stockage. Enfin, grâce au développement de logiciels d’optimisation topologique, la réduction du poids des pièces permet de faire des économies sur la consommation de carburant en conservant les performances des composants. Ainsi, la fabrication additive permet principalement aux industries aéronautiques des économies financières et une approche plus écologique de l’aviation.

Ces bénéfices sont, en réalité, connus depuis longtemps. L’industrie aéronautique pourrait économiser 350 milliards de dollars sur les coûts de carburant au cours des trente prochaines années, grâce à l’utilisation de pièces plus légères fabriquées par impression 3D. Cette estimation varie, évidemment, en fonction du prix du pétrole qui est à nouveau à la hausse.

Dans la dernière édition du rapport Wohlers, le secteur de l’aérospatiale (comprenant l’aéronautique et la fabrication de véhicules spatiaux) couvre 14,8 % des revenus du marché de l’impression 3D (machines, matériaux et services). Des pièces structurelles et non structurelles imprimées en 3D volent sur des avions, des fusées et des satellites, sous forme de clips, de supports, d’injecteurs de carburant et de conduits d’air. Cette technologie est également utilisée pour la réparation. Depuis bien longtemps, la fabrication additive a pris son envol.

Certifications et réglementation

De même que pour le secteur médical, l’industrie de l’aviation est strictement réglementée et l’approbation de nouveaux composants et de matériaux nécessite un long processus et prend beaucoup de temps. Selon un récent sondage de Défense IQ, une entreprise du Royaume-Uni, plus de 75 % des sondés ont indiqué que la certification des pièces et des produits finis représente le défi le plus important pour le développement de la fabrication additive, ce qui risque d’entraver son absorption commerciale dans l’avenir. Les autres problématiques liées à l’utilisation de la fabrication additive dans le secteur de la défense et de l’aérospatiale, au cours des dix prochaines années, sont la qualité et la normalisation des intrants matériels (49 %), la qualité inconnue des composants imprimés (35 %) et les questions de réglementation telles que la protection des propriétés intellectuelles (30 %). Enfin, le coût reste également un problème, ainsi que la performance de durabilité à long terme des pièces imprimées.

Les leaders de l’aviation militaire et civile et de l’aérospatiale

Selon le dernier rapport Wohlers, « presque tous les grands constructeurs aéronautiques, dont Airbus, Bell Helicopter, GKN Aerospace, Honeywell, Lockheed Martin, MTU Aero Engines, Northrop Grumman, Pratt & Whitney, Raytheon et Rolls-Royce, ont construit des infrastructures au sein de leurs sociétés afin d’évaluer et mettre en œuvre des technologies de fabrication additive ». Et les enjeux dans ce secteur sont grands. L’aérospatiale est une industrie cruciale pour certains pays européens comme la France ou le Royaume-Uni. Elle est la première industrie bénéficiant de la fabrication additive parmi les onze autres secteurs en fonction de la stratégie industrielle du gouvernement2.

Des applications spécifiques : de GE à CFM International

Quelques exemples spécifiques de développement industriel dans la FA pour l’aviation permettent de comprendre l’étendue des applications.

En 2012, General Electric (GE) a acquis Morris Technologies, le plus grand fournisseur de services de fabrication additive aux États-Unis, pour produire des pièces d’avions. Au cours du second trimestre de 2015, GE Aviation a annoncé avoir imprimé en 3D la première pièce (figure ci-dessous) approuvée et certifiée par la Federal Aviation Administration (FAA) pour un moteur à réaction commercial lié à un « T25 ». Il s’agissait d’un « morceau de métal argenté de la taille d’un poing qui loge le capteur de température d’entrée du compresseur à l’intérieur d’un moteur à réaction ». À côté des procédés de fabrication plus rapides offerts par cette technologie en matière de rapport buy-to-fly, il existe bien d’autres avantages comme des conceptions auparavant impossibles, les coûts de fabrication moins élevés et la limitation de production de déchets. Depuis cette annonce, il y a plus de deux ans, GE a prévu de fournir le T25 à 400 moteurs à réaction GE90-94B sur les avions Boeing 777.

D’autres parties fabriquées en impression 3D par GE Aviation sont les injecteurs de carburant pour les moteurs GE9X des nouveaux Boeings 777X. Ces moteurs seront « les plus grands moteurs jamais construits », selon la société. Et dans ce cas, la fabrication additive sera utilisée pour la production de grands volumes. GE prévoit de produire plus de 40 000 injecteurs de carburant par an. Autre exemple : le moteur LEAP (« Leading Edge Aviation Propulsion ») intègre des techniques développées par CFM International dans le cadre du programme d’acquisition de la technologie de LEAP56, lancé en 2005. Il s’agit du premier moteur à utiliser des pièces issues de la fabrication additive. Cette technique a été utilisée car elle permet la conception de pièces plus complexes, denses et plus légères. Ses injecteurs de carburant (figure ci-dessous) imprimés en superalliage sont 25 % plus légers que les modèles précédents et cinq fois plus durables que les pièces fabriquées avec les méthodes traditionnelles.

CFM International est une joint-venture entre GE Aviation, une division de General Electric, et Safran Aircraft Engines (anciennement connue sous le nom de Snecma), une division de la société française Safran. Cette joint-venture a été créé pour construire et développer la série CFM56 du turboréacteur. Les noms de CFM International et la ligne de produits CFM56 sont dérivés des dénominations commerciales des moteurs des deux sociétés mères : CF6 de GE et M56 de Snecma. En juin 2016, le CFM56 possédait plus de 550 opérateurs et, jusqu’en juillet 2016, 30 000 moteurs ont été construits. CFM prévoit de produire 1 700 moteurs en 2016, le taux de production le plus élevé dans l’industrie. Le moteur LEAP a aussi attiré l’attention avec de nombreuses commandes. La Commercial Aircraft Corporation of China (COMAC) a choisi le moteur LEAP pour ses nouveaux avions COMAC C919.

Les moteurs LEAP et Airbus

Airbus a reçu ses deux premiers moteurs LEAP-1A (figure ci-dessous) pour sa prochaine génération d’avions de ligne Airbus A320neo. Grâce aux nouveaux composants imprimés en 3D, ces avions offrent des niveaux d’émission de CO2 nettement inférieurs à ceux de leurs prédécesseurs. Ils sont 15 % plus efficaces en termes de consommation de carburant et nécessitent moins de maintenance. En juillet 2016, Pegasus Airlines, la première compagnie aérienne low-cost de la Turquie, a reçu le A320neo propulsé par les moteurs LEAP-1A de CFM International, devenant ainsi la première compagnie aérienne à utiliser ces avions. Les essais des moteurs LEAP-1B sont actuellement en cours, menant à un service de transport aérien en 2017.

Airbus possède une grande expérience dans l’utilisation de la fabrication additive et dans les composants d’avion imprimés en 3D. L’Airbus A350 XWB contient plus de 1 000 pièces de vol produites par fabrication additive par la société Stratasys, avec la technologie Fused Deposition Modeling (FDM). Offrant une flexibilité accrue de la chaîne d’approvisionnement, cette technologie a permis à Airbus de respecter ses engagements de livraison tout en fournissant des composants plus légers qu’avec les méthodes de production traditionnelles. Ces pièces sont pour la plupart dites « parties non structurelles ». Elles ont été allégées de 30 à 55 % de leur poids, réduisant parfois de 90 % l’utilisation de matière première. Début octobre 2016, la société Airbus a annoncé la certification du matériel d’impression en 3D ULTEM™ 9085 pour la production de pièces de vol, également pour les avions A350 XWB (voir l’encadré « La chaîne d’approvisionnement de l’avion A350 XWB », en page 18).

Boeing, une nouvelle demande

La société Boeing a également été pionnière dans l’utilisation des techniques de fabrication additive. Elle a commencé ses recherches sur cette technologie en 1997. En 2015, elle a déposé une demande à l’US Patent and Trademark Office (USPTO) d’imprimer et de vendre ses pièces d’avion. Cette demande de brevet indique les raisons pour lesquelles l’impression 3D est une technologie clé pour l’industrie : « recevoir des pièces demandées par le fabricant de l’avion peut prendre une quantité indésirable de temps [et de ressources] pour un client. La demande de brevet se rapporte à une variété de différents matériaux tels que des polymères, des plâtres, des métaux et des alliages métalliques. L’impression 3D peut permettre la fabrication à la demande des pièces souhaitées. » Celle-ci comprend également une « bibliothèque de composants, une base de données, un système de gestion de pièces et un système d’impression à trois dimensions ». Selon les déclarations officielles de la société, à compter d’août 2016, 50 000 pièces imprimées en 3D seront en vol sur des produits de Boeing commerciaux, spatiaux et militaires.

Nous rapportions récemment dans A3DM Magazine que la société Boeing s’était également associée à Stratasys pour l’utilisation de la machine « Infinite-Build 3D Demonstrator ». Celle-ci a été conçue pour répondre aux exigences de l’aérospatiale, de l’automobile et d’autres industries pour la production de grandes pièces thermoplastiques, légères et avec des propriétés mécaniques reproductibles. Cette machine propose une approche révolutionnaire d’extrusion en FDM qui augmente la productivité et la répétabilité. Elle transforme le concept traditionnel de l’imprimante 3D sur un côté pour réaliser une approche « infinite-build », c’est-à-dire qu’elle peut imprimer sur un plan vertical pour une taille illimitée de la pièce dans le sens de la construction (plus d’informations sur cette machine sur www.a3dm-magazine.fr). Boeing Phantom Works – le bras de prototypage avancé du côté de la Défense et de la Sécurité de la société Boeing – a contribué au développement du Demonstrator en définissant les exigences et les spécifications auxquelles le constructeur est confronté.

L’aérospatiale, un secteur clé

Les engins spatiaux sont également demandeurs de pièces manufacturées additivement. Ces dernières nécessitent des géométries complexes et des composants résistants, mais elles sont produites en très faible quantité. L’Agence spatiale européenne (ESA) est très active dans le secteur. Constamment à la recherche de nouvelles possibilités d’utiliser ces techniques, elle teste l’utilisation de l’impression 3D pour la construction de bases lunaires. Elle travaille sur différentes structures, des boîtiers multifonctions, des plaques de base optiques, des supports et des injecteurs ainsi que divers outils à la demande. La National Aeronautics and Space Administration (NASA), quant à elle, a fabriqué puis testé avec succès, au Marshall Space Flight Center de la NASA, la construction d’un moteur de fusée dont 75 % sont imprimés en 3D. Dernièrement, la NASA a imprimé en 3D plusieurs pièces pendant le transfert vers Jupiter du vaisseau spatial Juno, ainsi que dans le satellite CubeSat. Ces pièces ont principalement été produites par frittage laser.

La chaîne d’approvisionnement dans l’espace est particulièrement critique et la fabrication additive dans les vaisseaux ou les stations spatiales pourrait être également bénéfique à l’avenir pour créer des pièces ou des outils de rechange, toujours à la demande. En août 2015, Made in Space et NanoRacks ont signé un accord pour construire et déployer en orbite des satellites imprimés en 3D.

Un autre secteur d’application est le marché de la réparation (généralement indiquée avec Maintenance, Repair and Overhaul – MRO), qui couvre une industrie du marché secondaire clé. Par exemple, la société Rolls-Royce utilise depuis cinq ans la fabrication additive pour la réparation.

L’industrie aéronautique présente un niveau élevé de demande de pièces de rechange avec plusieurs contraintes telles que la vitesse, l’efficacité, la flexibilité dans la livraison et la réduction des coûts de transport avec la production sur place. Le cabinet Deloitte University Press s’attend au développement des applications actuelles vers des systèmes encore plus vastes et complexes. Le secteur de l’aérospatiale continue d’être le moteur du développement de la technologie de fabrication additive. Il possède une croissance soutenue, forte et régulière.

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Support de charnière

Fondée en 1989 et basée en Allemagne, la société EOS fournit à Airbus la technologie du frittage laser pour la conception de supports de charnière de nacelle utilisés pour maintenir le capotage de la nacelle du moteur lorsque ce dernier est ouvert. Il s’agit d’un composant structurel – et non critique – en titane. La conception de cette pièce, fabriquée parEADS Innovation Works grâce au procédé SLS (frittage sélectif par laser traduit de son nom anglais : Selective Laser Sintering), a permis une réduction des émissions de CO2 sur le cycle de vie des charnières de la nacelle de près de 40 %. Bénéficiant des avantages de l’optimisation topologique, sa géométrie a été optimisée afin de réduire l’utilisation de matières premières et son poids. Toujours selon EOS, un autre résultat serait un gain de poids de 10 kilos par avion.

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Sièges d’avion innovants

Zodiac Seats UK, société spécialisée dans la production de sièges d’avion, est une division du géant de l’aérospatiale français Zodiac Aerospace. À l’aide de l’imprimante 3D Objet500 Connex1 de Stratasys, elle a permis la production interne de prototypes en multimatériaux de sièges d’avion innovants. Les principaux défis pour la production de ces pièces spécifiques sont liés à l’utilisation de matériaux possédant des règles strictes telles que sa taille et son poids. Ces sièges respectent également des critères esthétiques, de confort et des exigences budgétaires imposés par chaque compagnie aérienne. Dans le même temps, la production de masse nécessite une normalisation et des conceptions uniformisées.

« Dans notre division Cwmbran, nous nous concentrons sur le développement sur mesure de sièges pour les premières classes, les classes affaires et les classes économies », explique David Hayward, manager chez Zodiac Seats UK. Selon ces produits, la société modifiera son concept. L’imprimante Objet500 Connex1 3D a été choisie en raison des « possibilités uniques de l’impression multimatériaux en 3D permettant d’accroître l’efficacité de notre processus de conception ». Les principaux avantages ont été les suivants :

  • réduction jusqu’à six semaines, soit 92 % du temps, pour la production de prototypes de pièces par rapport aux méthodes traditionnelles ;
  • capacité à produire des prototypes combinant des parties dures et molles en une seule impression en utilisant les capacités multimatériaux de l’imprimante Objet500 Connex1 ;
  • atténuer la pression sur les calendriers de développement sans avoir à attendre les fournisseurs externes ;
  • accélération, de façon significative, des cycles de conception.

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Le moteur Rolls-Royce Trent XWB-97

Rolls-Royce possède des clients dans plus de 120 pays, comprenant plus de 380 compagnies aériennes, 160 forces armées, plus de 4 000 clients maritimes et plus de 5 000 clients dans les secteurs de l’énergie et du nucléaire. En Europe, Rolls-Royce est un des pionniers dans la fabrication additive pour les moteurs d’avions, notamment avec le moteur Trent XWB-97, considéré comme le concurrent britannique de General Electric. Quarante-huit voilures, fabriquées en titane avec le procédé EBM (par fusion de faisceau d’électrons, traduction d’Electron Beam Melting), résultent de la coopération entre Rolls-Royce, l’université de Sheffield et le Manufacturing Technology Centre du Royaume-Uni. Selon la société, « le Trent XWB combine un design innovant avec un service après-vente de classe mondiale offrant la meilleure solution de puissance pour la dernière famille d’avions d’Airbus_». Ce moteur comprend la dernière technologie avec des coûts d’exploitation réduits au minimum, des avantages opérationnels uniques et les plus faibles émissions de CO2 de tous les moteurs de cette gamme. En termes d’application, Airbus va équiper les avions A350-800, -900 et -1000 de moteurs Trent XWB.

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La chaîne d’approvisionnement de l’avion A350 XWB

En octobre 2016, le constructeur d’avions Airbus a normalisé le matériel d’impression ULTEM™ 9085 de Stratasys pour la production de pièces de vol pour ses avions A350 XWB. La résine ULTEM™ 9085 a été certifiée conforme à une spécification des matériaux d’Airbus. Ce matériau a l’avantage du rapport résistance-poids avec FST (la flamme, la fumée et la toxicité) conforme pour les pièces de vol d’aéronefs et permet la production de pièces solides et plus légères tout en réduisant considérablement les coûts de fabrication et le temps de production.

« En 2014, Airbus a produit une quantité importante de pièces sur des imprimantes 3D FDM pour une utilisation dans les nouveaux appareils A350 XWB, ce qui a permis à Airbus de respecter ses engagements de livraison. La compagnie aérienne industrialise l’inclusion de pièces imprimées en 3D sur les systèmes de Stratasys dans la chaîne d’approvisionnement de la production de l’A350 XWB, en veillant à ce que les fournisseurs soient en mesure de maintenir les délais de livraison des avions. Nous sommes heureux de soutenir Airbus », explique Andy Middleton, président Stratasys EMEA.

La fabrication additive possède un impact positif sur l’efficacité de la chaîne d’approvisionnement et la flexibilité. Elle facilite la production de pièces à la demande. Elle améliore considérablement le buy-to-fly ratio, car elle diminue la quantité de matière gaspillée par rapport aux méthodes de fabrication classiques et soustractives. M. Middleton a confirmé que « la demande pour les solutions de fabrication additive provient d’industries sensibles au temps de fabrication telles que l’aérospatiale, l’automobile, les industries médicales ou de consommation. En l’intégrant dans la chaîne d’approvisionnement, les entreprises peuvent non seulement améliorer la gestion, respecter le temps des engagements du marché, augmenter l’innovation des produits tout en diminuant les besoins en stocks. »

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Notes

1 – http://www.additivemanufacturingsummit.com/

2 – http://www.amnationalstrategy.uk/wp-content/uploads/2015/05/AM-Strategy-Positioning-Paper.pdf

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Gaëtan Lefèvre

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