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La fabrication additive s’envole

La fabrication additive s’envole

by Gaëtan Lefèvre12 décembre 2017
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Trois industries ont été pionnières dans le développement et l’utilisation de la fabrication additive : les secteurs aéronautique et automobile ainsi que l’industrie médicale. Le secteur aéronautique utilise depuis plus de trente ans cette technologie… depuis la naissance des technologies SLM, impression 3D de fusion sélective par laser, traduction de l’anglais Selective Laser Melting (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.

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

Selon le cabinet de conseil en stratégie Roland Berger, l’industrie aéronautique est fortement utilisatrice, en comparaison avec les autres secteurs (schéma ci-contre), de la technologie de fabrication additive. Alors que le secteur des machines industrielles et commerciales, avec 18,8 % du marché, représente le secteur le plus important, l’industrie aérospatiale, avec 18,2%, est le principal segment vertical en matière d’applications métalliques et polymériques, en particulier les métaux et les composites. Le secteur de l’aérospatiale a progressé de 1,6 % en 2016 contre 1% pour celui de l’automobile et est à la tête du développement de la fabrication additive depuis maintenant dix ans.

Davide Sher, analyste senior Europe chez SmarTech Markets Publishing et auteur du rapport « Opportunités de fabrication additive dans l’aérospatiale 2017 – Aviation civile : analyse des possibilités et des prévisions sur dix ans » récemment publié, en anglais, sur le site smartechpublishing.com, nous a livré sa vision : « Le marché de la fabrication additive dans l’industrie aérospatiale a subi plusieurs changements radicaux au cours des deux dernières années. Tout d’abord, la croissance a été continue et soutenue pour l’adoption des systèmes d’impression 3D en métal et des évolutions technologiques rapides, principalement sur trois fronts : la vitesse, la taille et l’automatisation des processus. En ce qui concerne la chaîne de valeur globale, le nombre de fournisseurs de systèmes et de matériaux a considérablement augmenté, alors que le nombre d’utilisateurs, malgré des chiffres en hausse, reste faible. En termes de production, la disponibilité et la prise en compte du marché des logiciels pour supporter pleinement toutes les phases du processus de FA, de la CAO au PLM à l’infrastructure de l’entreprise, sont des limitations significatives à la croissance du marché ».

Comment les grandes entreprises mènent la danse

General Electric mise sur l’éducation

Depuis l’acquisition des technologies Morris en 2012, General Electric (GE) a massivement développé son engagement en fabrication additive, à long terme, dans le secteur de l’aéronautique. Lors du dernier Materialise World Summit, qui s’est tenu à Bruxelles en avril der- nier, Mohammad Ehteshami, vice-président et directeur général de GE Additive (une division de GE Aviation), a annoncé que le groupe visait une production de plus de 10 000 systèmes de fabrication additive pour l’horizon 2020, dont 1 000 unités devant être utilisées en interne. Une « grande » ambition qui a été renforcée par l’acquisition des sociétés Arcam et Concept Laser. Ancien vice-président et directeur général de l’ingénierie de GE Aviation, où il a dirigé une équipe de plus de 8 000 ingénieurs pour concevoir, procurer, tester et certifier des moteurs d’avions commerciaux et militaires, M. Ehteshami a commencé sa carrière chez GE Aviation comme ingénieur du design dans le développement de moteurs militaires, en particulier ceux qui alimentent les avions bombardiers F16 et B1. Il est un grand partisan de la transition de STEM (Science, Technologie, Ingénierie et Mathématiques) à STEAM (Science, Technologie, Ingénierie, Additive et Mathématiques). Il soutient le développement de l’éducation additive au sein de STEAM. GE est sur la même longueur d’ondes. Ainsi, le groupe amé- ricain investira 10 millions de dollars au cours des cinq prochaines années dans des programmes éducatifs en fabrication additive pour former de futurs talents. « Per- mettre aux établissements d’enseignement l’accès aux imprimantes 3D aidera à accélérer l’adoption de la fabrication additive dans le monde entier », affirme General Electric. GE Additive prévoit d’offrir une gamme complète de produits, de matériaux et de solutions d’ingénierie pour ses clients. Le « GE Store » est organisé autour d’un échange de connaissance, grâce auquel chaque entreprise peut partager et avoir accès aux mêmes technologies. En mai 2017, GE Aviation a également annoncé l’ouverture de son usine « Brilliant Factory », à Muskegon (MI-USA), grâce à un investissement du groupe de 14,5 millions de dollars. Ce centre qui s’étendra sur plus de 10 000 mètres carrés (sur un total de plus de 67 000 mètres carrés) devrait créer de nombreux emplois, y compris dans le domaine de la fabrication additive. Il y sera fabriqué, entre autres, des pièces pour le moteur GE90.

Airbus embarque la fabrication additive à bord de ses avions

Le groupe Airbus est un leader mondial de l’aéronautique, de l’espace et des services connexes. Il regroupe trois sociétés : Airbus, Airbus Defence and Space et Airbus Helicopters. Actuellement, le groupe opère dans plus de 170 sites à travers le monde. C’est désormais au-delà des frontières européennes que la société remplit son carnet de commandes et qu’elle imprime son empreinte industrielle.

À l’image des premiers moteurs Leap 1A pour la prochaine génération des avions de ligne Airbus A320neo (voir l’article « Attachez vos ceintures ! La fabrication additive s’envole » dans A3DM Magazine n° 6 ou sur le site www. a3dm-magazine.com), livrés en avril 2016, Airbus utilise la fabrication additive métallique mais aussi plastique. La fabrication additive plastique a notamment permis la conception de milliers de supports, de dispositifs de fixation et de clips. Le groupe travaille, entre autres, sur les systèmes de fabrication additive des sociétés suivantes : Additive Industries, Concept Laser, Materialise, Sciaki, EOS, SLM Solutions, Stratasys et Aerosud. En avril 2016, Airbus et Desktop Metal ont signé un accord pour la fourniture de pièces de fuselage et de pylône de moteur imprimées en 3D pour des avions commerciaux.

En 2018, Airbus prévoit d’imprimer environ 30 tonnes de pièces métalliques tous les mois. La compagnie utilisera la fabrication additive pour ses avions A330neo et BelugaXL. L’impression 3D devrait notamment servir au développement d’un système de contrôle climatique des cabines de passagers et à l’agrandissement des casiers de rangement. Cet espace de rangement plus important fait partie du nouveau concept de cabine « Airspace by Airbus », qui sera introduit sur l’A330neo et sur l’A350 XWB, pour l’amélioration du confort des passagers.

Moteur LEAP-1A, équipé de composants imprimés en 3D, conçu pour La prochaine génération d’avions de ligne Airbus A320neo.

Dassault Systèmes traverse l’Atlantique

Dassault Systèmes est également un acteur clé de la fabrication additive dans le secteur aéronautique. Sa plate- forme 3DEXPERIENCE fournit des supports tout au long de la chaîne de valeur aéronautique et spatiale, proposant « des solutions logicielles, basées sur des softwares de conception, d’analyse, de simulation et d’intelligence 3D dans un environnement interactif collaboratif ». Au cours des derniers mois, le groupe Airbus a notamment déployé les applications de conception et de simulation collaborative de Dassault Systèmes. Celles-ci permettent une grande flexibilité dans la conception, la production et les tests des pièces dans le cadre de l’expérience « Co-Design to Target ». L’objectif principal est l’utilisation de la fabrication additive pour l’outillage, le prototypage et la production de pièces pour les vols d’essai et pour les avions commerciaux. Selon la société, cette technologie permet d’« explorer de plus grandes possibilités de conception et de fabrication pour satisfaire aux exigences d’ingénierie et de fabrication pour l’ajout de production d’outils et de pièces ». Ajoutons qu’elle offre la possibilité d’accélérer l’analyse structurale et le test virtuel des aéronefs. Avec l’administration américaine de développement économique (US Economic Development Administration – EDA), qui a investi dix millions de dollars dans le campus innovant, les deux sociétés Dassault Systèmes, et Airbus ont investi dans le domaine de l’éducation, par exemple avec l’inauguration, en avril 2017, du site de l’université d’État de Wichita, au Texas, États-Unis. Cette université est axée sur les technologies 3D et l’innovation aéronautique.

Ses installations nouvellement ouvertes permettront aux équipes d’Airbus Engineering et de Dassault Systèmes d’accéder aux ressources disponibles dans le campus d’innovation : laboratoires, makerspace et autres zones à usage mixte. À l’université d’État de Washington (WSU), trois cents employés et étudiants effectueront des travaux de conception sur le prochain A350 XWB mais également sur d’autres avions commerciaux. Dassault a célébré l’ouverture de son nouveau centre 3DEXPERIENCE dans le bâtiment de l’ingénierie expérimentale, réalisant ainsi son objectif mis en avant à l’été 2015 lorsque la société s’est associée à l’Institut national de recherche aéronautique (NIAR) du WSU. Ce nouveau centre permettra l’utilisation de la plate-forme 3DEXPERIENCE pour les technologies d’impression 3D, la simulation virtuelle et le développe- ment de produits 3D avancés.

La société Dassault Systèmes s’est également associée à Stratasys, en février 2017, pour l’aider à améliorer les performances des pièces de production conçues par fabrication additive mais aussi pour fournir des outils de conception de nouvelle génération avec une amélioration de leur fonctionnalité, de leur efficacité et du rapport pondéral. Les deux sociétés ont collaboré sur leurs capacités de conception et de simulation grâce à la plate-forme 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes. Celle- ci prendra en charge les imprimantes et les matériaux FDM de Stratasys, avec pour objectif l’optimisation de la conception pour des pièces plus légères, nécessitant moins de matière première.

Safran associée à Prodways

Safran est une multinationale française de haute technologie travaillant dans les secteurs de l’aéronautique, de la défense et de la sécurité. Avec 66 500 employés (sécurité incluse), elle a généré des ventes de 15,8 mil- liards d’euros en 2016 (hors sécurité). Safran Transmission Systems, une branche du groupe, a utilisé en France et en Pologne la plate-forme 3DEXPERIENCE a n d’augmenter l’efficacité du programme et de réduire le sou- tien de plusieurs systèmes logiciels.

En 2017, Safran s’est associée avec Prodways, filiale du Groupe Gorgé, qui est une société française cotée sur le Compartiment B d’Euronext Paris (GOE) et sur le marché OTC des États-Unis. Celle-ci est présente sur l’ensemble de la chaîne de valeur, avec une conception intégrée des machines, des matériaux et des pièces. Elle est l’un des principaux fabricants d’imprimantes 3D européens avec 76 machines vendues à la n de l’année 2016 et un chiffre d’affaires de 25,2 millions d’euros en 2016, dont 58 % du total généré sur les marchés internationaux. Elle offre des systèmes d’impression 3D et des matériaux (résines et poudres) pour une large gamme d’industries, y compris l’aéronautique. Le partenariat de cinq ans signé entre les deux acteurs concerne le développement de matériaux imprimables et de procédés d’assemblage pour les matériaux à base de composés inorganiques tels que la céramique et les métaux. Ces matériaux seront appliqués aux produits et aux procédés de Safran.

Parallèlement à cet accord, Safran Corporate Ventures est entrée en collaboration avec Fimalac et BNPP. La filiale d’investissement du groupe Safran a souscrit des obligations convertibles avant la cotation boursière du groupe de produits sur Euronext Paris. Ces trois investisseurs, ainsi que Bpifrance et Financière Arbevel, se sont également engagés à souscrire à l’augmentation de capital de Prodways.

Les Américains Bell Helicopter et Boeing

Bell Helicopter et Boeing ont été les premiers adoptants de la fabrication additive et ont déjà installé « plus de 200 pièces uniques sur 16 avions civils et militaires ». Boeing travaille avec de nombreux partenaires pour développer des pièces conçues par fabrication additive, comme avec Stratasys et sa machine Infinite-Build 3D Demonstrator. Celle-ci a été conçue pour répondre aux exigences des industries de l’aéronautique, de l’aérospatial, ou encore de l’automobile concernant le développement de pièces thermoplastiques légères, de grande taille et possédant des propriétés mécaniques reproductibles. Elle présente une approche révolutionnaire de l’extrusion FDM per- mettant d’augmenter la productivité et la répétabilité. Elle transforme le concept traditionnel de l’imprimante 3D pour réaliser une approche « de construction in nie » qui imprime sur un plan vertical pour une partie de taille illimitée dans le sens de construction. « Boeing Phantom Works a contribué au développement de l’Infinite-Build 3D Demonstrator en définissant ses exigences et ses spé- ci cations. Elle l’utilise aujourd’hui pour explorer la production de pièces légères et de faible volume », explique Teri Finchamp, directeur des opérations et de la qualité.

Une autre coopération réussie concerne le Boeing 787 Dreamliner, qui sera le premier avion commercial à voler avec des pièces de titane certifiées, conçues par fabrication additive dans des applications structurelles. Ces pièces ont été produites par le procédé breveté Rapid Plasma Deposition (RPDTM) de Norsk Titanium. Boeing a conçu les composants et collaboré étroitement avec le fournisseur. Pour la certification FAA de ces composants structurels initiaux sur le Boeing 787 Dreamliner, les deux sociétés ont entrepris un programme de test rigoureux, achevé en février 2017. Les composants Dreamliner RPDTM ont été exposés au Salon international de l’air de Paris, au Bourget, qui s’est tenu du 19 au 25 juin 2017. Certains ont donc eu la chance de voir ces pièces.

Boeing a également sélectionné Oxford Performance Materials pour la conception d’environ 600 pièces imprimées en 3D pour ses trois capsules de taxis spatiaux Starliner, dans le cadre d’un contrat de 4,2 milliards de dollars avec la NASA. Dans ce cas, la fabrication additive permet, par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles, de réduire le poids de chaque capsule de sept sièges et ainsi de diminuer les coûts de fabrication.

Fondée en 1935 sous le nom de Bell Aircraft Corpo- ration, la société Bell Helicopter Textron Inc. reste un acteur clé dans l’industrie de l’ascension verticale. À ce jour, Bell Helicopter a fabriqué et vendu plus de 35 000 hélicoptères dans le monde. L’entreprise a récemment signé un accord avec Harvest Technologies, qui possède près de vingt ans d’expérience dans l’industrie de la fabrication additive. Cette société possède plus de quarante systèmes, dont une partie est utilisée pour créer des composants et produits finis. Bell Helicopter et Harvest Technologies ont convenu de concevoir par fabrication additive, et en série, du matériel certifié, en utilisant les technologies de la société EOS.

Les quatre pièces de canalisation ECS fabriquées pour Bell Helicopter sont un autre exemple de coopération réussie entre Bell Helicopter Textron Inc. et Stratasys Direct Manufacturing. Ces pièces identifiées pour la production sont des pièces de canalisation pour ses systèmes de contrôle environnemental (ECS), comprenant les buses de dégazage qui empêchent le pare-brise avant de nuire à la visibilité du pilote. Pour répondre à la demande de son client, Stratasys Direct Manufacturing a utilisé la technologie de frittage par laser, permettant ainsi de construire des composants robustes et avec une géométrie complexe. Un autre avantage clé de cette conception est la possibilité d’intégrer des composants multiples dans des structures individuelles pour produire des fonctionna- lités internes et externes complexes de manière efficace. Les ingénieurs ont pu aboutir à une fonctionnalité maxi- male dans le cadre de la conception de la buse de dégage- ment conçue pour l’hélicoptère 412 de Bell.

GKN Aerospace et bien d’autres

GKN Aerospace utilise une large gamme de systèmes de fabrication additive allant des procédés par dépôts, à grande échelle, à des technologies de poudre. La société propose ainsi des produits différenciés et des solutions innovantes dans les domaines aéronautiques. Elle coopère également avec le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), le plus grand laboratoire du département amé- ricain de l’Énergie (DoE), qui est axé sur « la réalisation de découvertes scientifiques et de percées techniques qui accéléreront le développement et le déploiement de solutions dans l’énergie propre et la sécurité mondiale tout en créant des opportunités économiques ». Leurs travaux communs auront pour but de développer un processus de dépôt laser pour la fabrication de composants structuraux aéronautiques de titane. Honeywell Aerospace, Northrop Grumman, Space X, Lockeed Martin, la NASA, ou encore l’Agence spatiale européenne sont d’autres acteurs particulièrement dynamiques dans le secteur de la fabrication additive.

Normes et certifications

Selon une récente étude prospective du JRC de la Com- mission européenne, « les normes sont importantes car elles fournissent des exigences, des spécifications, des lignes directrices ou des caractéristiques pouvant être utilisées de manière cohérente pour s’assurer que les matériaux, les produits, les procédés et les services soient adaptés à leur objectif. Elles contribuent à éliminer les obstacles techniques au commerce, conduisant à de nouveaux marchés et à une croissance économique pour l’industrie. Elles facilitent également le transfert de technologie et contribuent à assurer la sécurité des pro- duits, affectant ainsi la vie quotidienne des citoyens ».

En général, les objectifs de la normalisation sont de promouvoir la qualité des produits, des procédés et des services, en définissant les caractéristiques qui régissent leurs capacités à satisfaire des besoins donnés. La normalisation permet de promouvoir l’amélioration de la qualité de vie, de la sécurité, de la santé, de la protection de l’environnement et l’utilisation économique des matériaux, de l’énergie et des ressources humaines dans la production et l’échange de biens. Énoncée sous une forme appropriée dans des documents juridiquement contraignants, elle permet une communication claire et sans ambiguïté entre tous les parties intéressées. Elle promeut le commerce international en supprimant les obstacles causés par les différences liées aux usages en vigueur dans les différents pays. En n, elle permet une plus grande efficacité au niveau du secteur industriel à travers le contrôle de la production.

La normalisation de la technologie de fabrication additive à des ns industrielles devrait donc se concentrer sur l’harmonisation des applications et processus de répétabilité, a n de garantir un développement généralisé (ou tout du moins plus large) de cette technologie, où chacun de ses éléments (procédés, matériaux et équipements) « doit être qualifié et certifié à de maintes reprises pour permettre la production de pièces de haute qualité. Le manque de standardisation des matériaux, des procédés et des produits rend difficile la fabrication de pièces de haute qualité ».

Le développement des normes en fabrication additive est cependant compliqué en raison de nombreuses per- mutations de machines, de matériaux, de procédés et de techniques, auxquelles il faut ajouter l’absence d’un dépositaire central des données ou d’une autorité sur les méthodologies de la technologie. Pour améliorer le dé- ploiement des technologies de fabrication additive, il est donc nécessaire de développer des normes pour faciliter des applications plus rapides et plus rentables de tous les matériaux, processus et produits.

Les principaux organismes de normalisation, actifs dans le monde entier dans la fabrication additive, sont : l’ASTM (F42), l’ISO (TC261) et le CEN CENELEC (TC 438). Parallèlement, de nombreux organismes européens de normalisation nationale (NSB) couvrent ce secteur, comme l’AFNOR en France avec le comité UNM 920 Fabrication additive, le VDI en Allemagne avec le GPL Committee on Production and Logistics, l’AENOR en Espagne avec le comité AEN / CTN 116, y compris AM, le SIS en Suède avec le comité SIS / TK 563 et le BSI au Royaume-Uni avec le comité AMT / 8.

Les trois organismes de normalisation – à la différence d’autres secteurs où la concurrence et la différenciation sont plus féroces – travaillent en coordination pour atteindre des objectifs partagés comme celui d’adopter un ensemble de normes à utiliser globalement. En pratique, l’ASTM F42 a conclu un accord de coopération signé avec l’ISO TC 261 sur l’adoption commune des normes. Le CEN TC438 évalue les normes existantes pouvant être adoptées au niveau ISO. Mobilisé sur la question des normes liées au secteur aéronautique, le CEN TC 438 a établi des liens avec l’ASD- STAN, l’organisme européen de normalisation pour l’aéronautique. Un accord récent a été signé avec l’ISO TC 44 / SC 14 (sur le soudage et le brasage dans l’aéronautique) pour élaborer conjointement des normes dans le secteur.

Matériaux pour l’aéronautique

Concernant l’innovation dans les matériaux, l’industrie aéronautique est à la pointe du développement de la fabrication additive. Ce secteur nécessite de fabriquer des pièces complexes dans de faibles volumes en utilisant des matériaux performants, mais également en cherchant constamment de nouvelles façons de réduire les coûts. Alors que cette technologie a un coût souvent plus élevé que les méthodes d’usinage traditionnelles, elle offre des économies sur les matériaux, ce qui peut être important lors de l’utilisation de métaux précieux comme le titane. Kamran Mumtaz, conférencier en fabrication additive au Centre for Advanced Additive Manufacturing de l’université de Sheffield (UK), a indiqué qu’ « il y a récemment eu un véritable changement tectonique dans la mesure où les grandes entreprises aéronautiques investissent dans cette technologie ».

Lors d’un webinaire récent, Scott Dunham, vice-président de la recherche chez SmarTech Markets Publishing, a présenté les principaux métaux utilisés dans l’industrie : le titane, le nickel, le cobalt chrome, l’aluminium et le cuivre. Ces matériaux possèdent une forte perspective de développement, avec une augmentation moyenne prévue de plus de 35 % dans les dix prochaines années.

Les polymères sont les matériaux les plus matures. Cependant, le titane 6-4, difficile à broyer ou à souder, est le plus populaire en raison de sa performance en fabrication additive. L’aluminium, le nickel, l’acier inoxydable et le cobalt chrome le talonnent de près. De nombreux autres matériaux nécessiteraient un processus de qualification qui prendra plusieurs années. Cependant, les chercheurs étudient par exemple les aliments utilisables en fabrication additive, ou encore la taille optimale des particules et la recyclabilité de la poudre pour développer et qualifier de nouveaux matériaux.

Le laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee, aux États-Unis, a récemment fabriqué le plus grand composant imprimé en 3D : il ne s’agit pas d’une partie plane, mais d’un outil de coupe pour former la section d’une aile élargie du nouveau Boeing 777X. Traditionnellement en métal, l’outil était composé d’un composite de polymères à fibre de carbone haché et associé à des matériaux additifs pouvant supporter de fortes pressions et des températures allant jusqu’à 176 °C. La fabrication additive permet de modifier les microstructures lorsque les matériaux sont traités, ce qui peut affecter leur force et leur flexibilité.

Les polymères, tels que l’ULTEM 1010, sont les matériaux les plus matures.

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