Magazine Lundi 12 novembre 2018 - 07:00

La fabrication additive a déjà décollé

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Trois industries ont été des pionnières dans le développement et l’utilisation de la fabrication additive­: l’aéronautique, l’automobile et l’industrie médicale. Le secteur aéronautique a très rapidement compris les avantages de cette technologie, qu'il a adoptée il y a déjà trente ans. Aujourd’hui, la fabrication additive est utilisée dans de nombreuses applications.

Le secteur aéronautique utilise depuis plus de trente ans la technologie de fabrication additive… depuis la naissance des technologies SLM en 1983. À la fin des années 1980, la fabrication additive était principalement utilisée pour du prototypage rapide. Elle a rapidement décollé vers des applications plus larges. De nos jours, cette technologie est utilisée pour du prototypage, de l’outillage, mais aussi pour la production de pièces finies. Le secteur aéronautique a joué un rôle très important dans le développement de ces applications. Il devrait continuer à développer la fabrication additive dans les années à venir.

La fabrication additive dans les airs

Un contexte propice

L’industrie de fabrication d’aéronefs civils – à savoir les avions destinés au commerce et au transport des personnes – est le premier secteur ayant utilisé la fabrication additive. La bonne santé de ce secteur a grandement facilité les choses. De nouvelles opportunités continuent à émerger dans ce secteur, à la fois pour la fabrication additive métallique, mais aussi pour la fabrication additive polymère. L’évolution des logiciels, notamment de CAO, CAE, CAM et PLM, a favorisé l’adoption de la fabrication additive dans le secteur aéronautique.  L'optimisation topologique ou encore le design génératif rendent cette technologie idéale pour un nombre croissant d’exigences de production. L'utilisation croissante de la technologie additive est également la conséquence de la baisse du coût des matériaux, de l'émergence de nouveaux systèmes et enfin de l'arrivée de nouveaux acteurs sur le marché.

Les défis de l’industrie

Selon les prévisions de l’Association du transport aérien international (IATA), le nombre de passagers dans le monde devrait presque doubler d’ici à 2036, pour atteindre 7,8 milliards par an. Pour répondre à cette demande, le secteur aéronautique continue d’élever sa production à des niveaux historiques. En juillet 2018, Airbus a annoncé que près de 37 400 nouveaux avions, d’une valeur de 5 800 milliards de dollars, seraient nécessaires dans les vingt prochaines années, ce qui doublerait ainsi la flotte mondiale à plus de 48 000 appareils.

Dans le même temps, l’augmentation des prix du pétrole et l’inflation des salaires ont contraint les équipementiers à réduire continuellement leurs coûts et à rationaliser leurs opérations. Ces conditions offrent un environnement propice à l'innovation. La fabrication additive est une nouvelle solution qui s'offre aux industriels. Selon le cabinet de conseil en stratégie Roland Berger, l’industrie aéronautique est plus utilisatrice de la fabrication additive que les autres secteurs.

Davide Sher, analyste senior Europe chez SmarTech Markets Publishing, a publié une étude sur le sujet. « Le marché de la fabrication additive dans l’industrie aéronautique, générale et commerciale, a connu plusieurs changements radicaux au cours des trois dernières années, tous axés sur­: la mise en œuvre du processus additif dans la fabrication de pièces­; une croissance continue et soutenue de l’adoption de systèmes d’impression 3D métallique,

ainsi que des évolutions technologiques rapides, principalement pour la vitesse, la taille et l’automatisation des processus ». Concernant la chaîne de valeur globale, le « nombre de fournisseurs de systèmes a considérablement augmenté, mais le nombre d’adoptants pour la production de pièces finales reste faible ». Un des facteurs limitant la croissance du marché reste la connaissance de celui-ci et l’adoption de logiciels pour prendre en charge toutes les phases du processus, de la CAO au PLM en passant par l’infrastructure de l'entreprise.

La Federal Aviation Administration (FAA), aux États-Unis, rédige un plan pour soutenir l’adoption rapide de la fabrication additive par l’industrie aéronautique.

Normes et certifications : le développement clé

Garantir qualification et certification

Une étude prospective du CCR a récemment relevé l’importance du développement des normes dans les secteurs industriels. « Les normes sont très importantes car elles fournissent des exigences, des spécifications, des lignes directrices ou des caractéristiques pouvant être utilisées de manière cohérente pour garantir que les matériaux, les produits, les processus et les services soient adaptés à leurs objectifs. Elles contribuent à éliminer les obstacles techniques au commerce, entraînant de nouveaux marchés et une croissance économique pour l’industrie. Elles facilitent également le transfert de technologie et contribuent à assurer la sécurité des produits, affectant ainsi la vie quotidienne des citoyens­»­.

En général, les objectifs de la normalisation sont de promouvoir la qualité des produits, des processus et des services en définissant les caractéristiques qui régissent leur capacité à satisfaire des besoins donnés.

• promouvoir l’amélioration de la qualité de la vie, de la sécurité, de la santé et de la protection de l’environnement ;

• définir l’utilisation économique des matériaux, de l’énergie et des ressources humaines dans la production et l’échange de marchandises­ ;

• mettre en place une communication claire et sans ambiguïté entre toutes les parties intéressées dans des documents juridiquement contraignants ;

• promouvoir le commerce international en éliminant les obstacles causés par les différences entre les pratiques nationales et l’efficacité industrielle grâce au contrôle des variétés.

L’utilisation de la technologie additive à des fins industrielles devrait donc se concentrer sur une application et une répétabilité constante, afin de garantir un développement généralisé (ou du moins plus important). Chaque élément de la technologie (matériaux, équipements et processus) « doit être qualifié et certifié. Le manque de standardisation des matériaux, des processus et des produits rend la fabrication de pièces de haute qualité difficile ».

Le développement des normes en fabrication additive est compliqué en raison des nombreuses évolutions des machines, des matériaux, des processus et des techniques, mais aussi de l’absence d’un dépôt central de données ou d’autorité sur les méthodologies. Le développement de normes faciliterait pourtant le développement de la technologie, de ses applications, mais aussi la mise sur le marché de nouveaux matériaux, processus et produits.

Le développement des normes

La Federal Aviation Administration (FAA), aux États-Unis, est en train de rédiger un plan complet pour soutenir l’adoption rapide de la fabrication additive par l’industrie aéronautique. En septembre 2017, une équipe de la FAA a soumis un projet de feuille de route stratégique pour la fabrication additive aux responsables du siège de l’agence.

Le document recommande les mesures que celle-ci devra prendre au cours des sept à huit prochaines années pour aborder la technologie additive du point de vue de la réglementation, notamment pour ce qui concerne les politiques de certification, les politiques de fabrication et les politiques de maintenance. Le plan aborde également les besoins en termes de recherche et de développement supplémentaires ainsi que l’éducation et la formation de la main-d’œuvre.

L’agence FAA a connu un processus similaire avec les matériaux composites. La fabrication additive est cependant particulièrement complexe, car les entreprises utilisent un large éventail de matériaux et de processus, ceux-ci étant toujours en constante évolution. La FAA travaille avec d’autres organismes gouvernementaux et groupes industriels pour résoudre le problème et a partagé son projet de feuille de route, par exemple avec la NASA, l’US Air Force, l’armée américaine et le groupe de travail sur la fabrication additive de l’Association des industries aérospatiales.

Actuellement, les trois organismes de normalisation – ASTM (F42), ISO (TC261) et CEN CENELEC (TC 438) – travaillent en coordination pour atteindre l’objectif commun d’adopter un ensemble international de normes. L'ASTM F42 a signé un accord de coopération avec l’ISO TC 261 sur l’adoption commune des normes, et le CEN TC‑ 438 évalue quelles normes existantes au niveau ISO peuvent être adoptées. Le CEN TC 438, qui s’intéresse plus particulièrement aux normes liées au secteur aéronautique, a notamment établi des liens avec l’ASD-STAN, l’organisme européen de normalisation pour l’aéronautique et l’ISO TC 44 / SC 14.

Airbus utilise la fabrication additive pour la production de cages de verrouillage.

Les nouveaux matériaux pour l’aéronautique

L’industrie aéronautique est également à la tête du développement des matériaux en fabrication additive. Ce secteur a besoin de pièces complexes, à faible volume et à partir de matériaux à haute performance, mais il est également en recherche constante de nouveaux moyens pour diminuer les coûts de production. Bien que la fabrication additive coûte plus cher que les méthodes de fabrication traditionnelle, elle permet d’économiser sur les matériaux, ce qui peut être important lorsque l’on utilise des métaux coûteux tels que le titane. « Il y a eu récemment un véritable changement tectonique dans la manière dont les grandes entreprises aéronautiques investissent dans la fabrication additive », a indiqué Kamran Mumtaz, chargé de cours sur la fabrication additive au Centre de fabrication additive avancée de l’université de Sheffield, au Royaume-Uni.

Lors d’un webinaire, Scott Dunham, vice-président de la recherche chez SmarTech Markets Publishing, expliquait que le titane, le nickel, le cobalt-chrome, l’aluminium et le cuivre sont les principaux métaux utilisés dans l’industrie, avec une forte perspective de développement de plus de 35 % sur les dix prochaines années. Parmi tous les matériaux, ce sont les matériaux légers qui présentent les prévisions de développement les plus intéressantes, en particulier dans les secteurs : médical, automobile et aéronautique. Les polymères, ou plastiques, sont les plus utilisés en fabrication additive. Cependant, le titane 6-4, difficile à broyer et à souder, est le plus populaire en raison de son efficacité.

L’introduction de nouveaux matériaux nécessitant un processus de qualification qui prend plusieurs années, les chercheurs étudient donc les matières premières, la taille optimale des particules et la recyclabilité des résidus de poudre, explique Bill Peter, directeur de l’installation de démonstration de fabrication au laboratoire nationale Oak Ridge (ORNL), au Tennessee. Ce dernier a récemment fabriqué le plus grand composant imprimé en 3D, n’étant pas une pièce d’avion, mais un outil de finition pour réaliser la section d’aile étendue du nouveau Boeing 777X (photo ci-dessous). Traditionnellement en métal, cette pièce a été fabriquée à partir d’un composite de polymères renforcé de fibres de carbone.

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La fabrication additive s’envole avec de nombreux acteurs

GKN Aerospace réduit ses délais de production

GKN est un fabricant britannique de composants automobiles et aéronautiques basé à Redditch, au Royaume-Uni. Il travaille avec plus de 90 % des constructeurs d’avions et de moteurs du monde. Selon Tim Hope, directeur du centre de fabrication additive chez GKN Aerospace, l’entreprise a décidé d’investir dans la technologie additive pour réduire ses délais de production des outils et créer des pièces complexes qu'il n'est pas possible de réaliser avec les méthodes de fabrication traditionnelles. GKN a investi dans une imprimante 3D de production F900 de Stratasys pour son site de production­ GKN Aerospace de Filton. « Depuis l’intégration de la machine F900, nous avons considérablement réduit les temps d’arrêt de production pour certaines équipes et jouissons d’une nouvelle liberté pour concevoir des outils complexes. Le délai de production d’un outil de remplacement en métal ou en plastique est de plusieurs semaines. Maintenant que nous pouvons utiliser une imprimante 3D de production interne pour faire le même travail, nous avons éliminé le fardeau que représentait le remplacement et amélioré notre capacité de réponse rapide aux exigences de fabrication du client », a expliqué Tim Hope. Jusqu’à maintenant, GKN Aerospace utilisait un matériau thermoplastique standard. L’entreprise expérimente, sur la machine de Stratasys, la résine ULTEM™ 1010.

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Airbus Helicopters tourne à la fabrication additive grande échelle

Airbus est le leader mondial de l’aéronautique, du spatial et des services associés. La société a généré, en 2017, un chiffre d’affaires de 59 milliards d’euros. Elle emploie environ 129 000 personnes. Elle propose une large gamme d’avions de ligne passagers de 100 à plus de 600 sièges. Elle possède aussi sa filière hélicoptère, Airbus Helicopteres, qui fournit des solutions de giravions civils et militaires. En septembre 2018, cette dernière a officiellement lancé la production de cages de verrouillage pour les portes des avions de passagers A350 en utilisant la fabrication additive. Les composants imprimés sont moins coûteux à produire. Ils sont plus légers que leurs homologues fabriqués avec des moyens traditionnels, ce qui aide Airbus à proposer des véhicules toujours plus économiques et écologiques.

Airbus Helicopters, à Donauwörth, en Allemagne, fabrique des portes pour tous les programmes d’avions Airbus. L'entreprise est la première à utiliser la fabrication additive métallique pour de la production à grande échelle. Les axes de verrouillage sont fabriqués à l’aide d’une imprimante EOS M 400-4, avec de la poudre de titane. Quatre faisceaux laser font fondre la poudre et produisent, couche par couche, les composants. Cette méthode permet de créer des pièces plus légères, tout en étant aussi robustes que le composant d’origine. Jusqu’à vingt-huit arbres de verrouillage peuvent être produits en un seul processus d’impression.

Les axes de verrouillage sont 45 % plus légers et 25 % moins chers à produire qu’avec les méthodes de fabrication traditionnelle. Comme chaque avion A350 possède seize axes de verrouillage, la production de ces pièces en 3D permet d’économiser un peu plus de quatre kilos par avion. Airbus Helicopters prévoit de livrer 2 200 composants par an, une fois la production pleinement opérationnelle. La qualification devrait être achevée à la fin de l’année 2018. La production en série débutera début 2019. Airbus Helicopters a déjà entamé les préparatifs pour produire des composants de portes A350 par fabrication additive.

Carpenter aide au développement des normes de qualité

L’usine de production de fabrication additive de Carpenter Technology Corporation (CalRAM), à Camarillo en Californie, aux États-Unis, a récemment obtenu la certification AS9100 Rev D pour son système de gestion de la qualité. CalRAM est spécialisée dans les technologies additives de fusion sur lit de poudre, utilisées dans la fabrication de pièces pour les industries de l’aéronautique, de la défense, de la production d’électricité, du pétrole et du gaz.

CalRAM a déjà obtenu la certification du Programme national d’accréditation des entrepreneurs en aéronautique et en défense (NADCAP) pour la production de pièces aéronautiques, à l’aide de technologies de fusion par faisceau d’électrons et de fusion sur lit de poudre. La combinaison des certifications de qualité AS9100 Rev‑D et NADCAP illustre l’engagement de la société dans le développement de normes de qualité.

Carpenter a installé une nouvelle imprimante Arcam EBM Q20plus AM sur son site de Camarillo, augmentant ainsi son parc machines de technologie de faisceau d’électrons et de laser. Spécialement conçue pour la production de composants aéronautiques, la technologie de faisceau d’électrons comporte des commandes avancées et un plateau de construction plus grand. Avec le déploiement de cette nouvelle imprimante, Carpenter est désormais en mesure de produire, pour ses clients, des composants de plus grande taille.

Des trappes d’avions innovantes

Afin de rendre les avions plus économiques en carburant, de plus en plus de fabricants demandent à leurs fournisseurs des composants légers, des pièces en aluminium et en titane, avec des géométries économes en matériaux. Ainsi, la fabrication additive peut être combinée à une fonte de précision éprouvée. Des modèles de moulage de précision peuvent être imprimés, ce qui permet de créer des géométries complexes. C’est le cas de Eole, une trappe de maintenance aéronautique en aluminium, réalisée par la société française Sogeclair Aerospace, en association avec le CTIF, Voxeljet et Ventana. Grâce à des modèles PMMA imprimés en 3D par Voxeljet à l’aide du procédé de cire perdue, Sogeclair Aerospace a réussi à réduire de 30 % le poids de la pièce.

En utilisant des moules imprimés en 3D, la société a mené un projet de recherche sur des trappes d’avions qui, grâce à un réseau bionique raffiné de barres d’aluminium, présentent la même résistance que les trappes conçues en fabrication traditionnelle, tout en utilisant beaucoup moins de matériaux. Créer un tel réseau sur un ordinateur avec un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) ne pose aucun problème aux experts. La difficulté réside dans le processus de moulage de précision. Problème que Voxeljet a résolu grâce à son système 3D VX1000 qui, avec une zone de construction de 1 000 mm x 600 mm x 500 mm, est l’un des plus grands systèmes de fabrication additive industrielle pour les modèles de moulage de précision. Le modèle en PMMA imprimé a ensuite été infiltré de cire chaude afin de sceller les surfaces. L’étape suivante s’est déroulée en fonderie. Les travailleurs couvrent le modèle imprimé avec des couches de céramique puis font fondre le modèle dans un four. Dans le cas des moules en céramique, ceux-ci sont ensuite remplis d’aluminium liquide. Lorsque le métal est durci, les travailleurs frappent les couches de céramique et exposent la porte de l’avion finie.

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Des composants d’avion titane 3D pour Zenith Tecnica et Air New Zealand

Zenith Tecnica, une entreprise néo-zélandaise spécialisée dans la fabrication additive en titane, s’est associée à la compagnie aérienne Air New Zealand pour étudier l’utilisation du procédé EBM, fusion par faisceau d’électrons, dans la fabrication de pièces et d’outils aéronautiques. À ce stade du partenariat, Air New Zealand affirme que Zenith Tecnica possède déjà des prototypes en métal, imprimés en 3D, pour un certain nombre de pièces, notamment un cadre pour sa cabine Business Premier ou encore certains aérateurs conçus pour ressembler à des moteurs d’avion. « C’est fantastique de pouvoir faire équipe avec l’opérateur local Zenith Tecnica. La technologie permet à la compagnie aérienne d’itérer et de tester rapidement de nouveaux concepts pour ses avions », a déclaré Bruce Parton, directeur d'exploitation d’Air New Zealand. « Bien que les aérateurs, conçus pour ressembler à des répliques de moteurs d’avion, soient surtout amusants, nous sommes vraiment enthousiasmés par la possibilité qu’ils représentent. L'intérieur des avions se compose de dizaines de milliers de pièces. La possibilité d'imprimer en 3D des pièces légères à la demande, des pièces dont nous avons seulement besoin en petite quantité, profite énormément à notre entreprise. »

Basée à Auckland, Zenith Tecnica est spécialisée dans la production et le prototypage de pièces métalliques par fabrication additive. La société travaille principalement sur des machines Arcam EBM de GE Additive. Le processus EBM utilise un faisceau d’électrons très puissant pour fondre les particules de poudre métallique, couche par couche. Fondée en 2014, la société possède une grande expérience dans la fabrication additive en titane. Air New Zealand, quant à elle, explore depuis peu l’utilisation de l’impression 3D. Elle cherche à bénéficier de la flexibilité de fabrication pour réduire ses coûts et ses délais de production. La compagnie aérienne a notamment produit de petites pièces pour ses écrans IFE en impression 3D. Outre son partenariat avec Zenith Tecnica, Air New Zealand a également collaboré avec ST Engineering Aerospace pour développer des pièces plus avancées, ainsi que l’université d’Auckland, l’université Victoria de Wellington et d’autres sociétés technologiques pour explorer le potentiel des nouvelles technologies.

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