Magazine Mardi 3 décembre 2019 - 11:38

La fabrication additive pour les lanceurs spatiaux

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La fabrication additive est un procédé aujourd’hui reconnu qui permet de faciliter la fabrication de prototypes, de pièces complexes et de petites séries : le secteur spatial est donc tout naturellement un bon client pour ce type de technologies. Suite à la qualification de pièces de vol imprimées sur le lanceur spatial Ariane 5, les développements d’Ariane 6 et de Prometheus font la part belle à l’impression 3D. Aujourd’hui, le lanceur Ariane 6 est passé en production, avec plus d’une quinzaine de composants imprimés en 3D qualifiés pour le vol. ArianeGroup est un bon exemple de société tirant profit de la fabrication additive.

Depuis de nombreuses années, ArianeGroup travaille sur et avec la fabrication additive et l’impression 3D. La société a pu se confronter à une grande diversité de types de composants – formes, conditions de fonctionnement, etc. – et de matériaux – aciers, bases aluminium, nickel, titane. Elle a acquis une grande expérience sur ces technologies, lui permettant de proposer son expertise au-delà du secteur spatial et de devenir un centre référent en matériaux Additive Manufacturing haute performance métallurgique. Mais la fabrication additive ne se limite pas à la seule étape de fabrication à proprement parler, que ce soit par fusion laser ou faisceau d’électrons, par dépôt de poudres ou de fils, par projection… Son rôle intervient dès la conception et se termine après l’usinage final et la qualification. Elle intègre l’approvisionnement de la matière première telle que la poudre, les traitements thermiques et le parachèvement, chacune de ces étapes dépendant fortement de la pièce à fabriquer – critiques, exigences de propreté, etc. – et des matériaux visés.

La fabrication additive holistique

Pour pouvoir évaluer correctement le gain apporté par la fabrication additive au sein d’une industrie, il faut analyser la chaîne complète de valeur. La gamme de fabrication doit se concevoir comme un tout ! Les choix opérés au niveau de la conception vont influer sur les choix de fabrication, qui vont influer à leur tour sur les choix des étapes de finition. Il faut appréhender la fabrication additive de manière holistique et non pas en considérant uniquement l’étape de fabrication.

ArianeGroup a développé un outil de chiffrage afin d’évaluer rapidement les bénéfices de la fabrication additive, ce qui lui a permis de tirer pleinement avantage des réductions de coût liées à l’utilisation de ces technologies 3D et de cibler les composants permettant de réaliser les meilleurs gains. Cet outil de chiffrage prend en compte l’ensemble des paramètres de la gamme et permet donc de cibler les étapes les plus coûteuses, facilitant ainsi l’orientation des actions en termes de réduction de coût. Il est basé sur une connaissance approfondie de l’intégralité de la gamme, de la fabrication de la poudre à l’usinage de la pièce finale.

La conception, une étape critique

La conception et les règles de conception pour la fabrication additive intègrent de nombreux retours d’expériences et nécessitent la prise en compte des erreurs passées. ArianeGroup a su transformer les contraintes de fabrication en atouts, par exemple en intégrant les supports à la pièce finale. L’entreprise a également su modifier des interfaces pour limiter les angles, ou encore modéliser le procédé qui améliore le « bon du premier coup » (Right First Time). Cette étape de conception, la plus critique, se place en premier dans la chaîne de valeur ; elle impose le plus grand nombre de contraintes par la suite et a une grande influence sur les coûts finaux. Il est donc primordial d’aborder la conception en prenant en considération chaque étape de la vie de la pièce : fabrication, dépoudrage, TTH (traitement thermique), parachèvement, usinage, vie du composant, etc. Pour ce faire, ArianeGroup met en place des échanges réguliers entre les différents acteurs de la chaîne de fabrication additive, des concepteurs aux producteurs.

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La fabrication, avoir une bonne compréhension des procédés

L’étape de fabrication n’est pas pour autant dénuée de complexité. Mieux comprendre les phénomènes physiques lors de la fusion, du dépôt ou de la projection est essentiel pour prévoir ou mieux résoudre les anomalies de production. Même si la société sous-traite une partie de sa production ALM, ArianeGroup a investi dans des machines de production afin de mieux identifier les contraintes des procédés d’impression 3D, non seulement sur la fabrication, mais également sur l’utilisation et la maintenance des machines. Grâce à sa bonne compréhension des procédés, la coentreprise d’Airbus et de Safran développe aujourd’hui ses propres paramètres de fabrication quel que soit le procédé utilisé – LBM (Laser Beam Melting), CGS (Constructive Solid Geometry) ou WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) –, ce qui lui permet d’optimiser les procédés au regard de la microstructure, de la productivité et du cycle.

Le développement des traitements thermiques est une étape importante en amont de la fabrication des composants. La microstructure brute de fabrication additive est généralement anisotrope et pleine de contraintes résiduelles. Il faut donc retravailler cette microstructure pour obtenir un comportement mécanique isotrope et optimisé pour nos applications. Pour les pièces qualifiées, ce travail a été réalisé en amont ou parallèlement au développement des pièces, pour chacun des matériaux (TA6V, Inconel 718, Inconel 625, AS7G0.6…). Et l’on se rend compte que la CIC (compression isostatique à chaud) n’est pas toujours une étape obligatoire.

Le parachèvement, une étape nécessaire en spatial

La fabrication additive ne permet pas d’obtenir des pièces netshape (« au plus près »), utilisables dès la sortie de l’impression, en tout cas pas dans le cadre des exigences du secteur spatial : le recours à des parachèvements est nécessaire. Les surfaces sont rugueuses, des grattons restent collés à ces surfaces. Dans certains cas, des cavités doivent être nettoyées pour empêcher le relargage de particules lors du fonctionnement. Dans d’autres, en raison du besoin fonctionnel en fluidique, les surfaces doivent être « lissées » par des opérations mécaniques et/ou chimiques. Ces étapes de parachèvement n’étant pas disponibles sur étagère, ArianeGroup a développé des procédés adaptés pour ces pièces, qui se révèlent aujourd’hui utilisables sur l’ensemble des pièces ALM.

La fabrication additive est un procédé complexe, qui doit s’intégrer dans une chaîne de valeur globale. C’est aujourd’hui une technologie mature et qui reste pourtant prometteuse. ArianeGroup est fi ère de participer à l’essor de cette technologie, notamment dans le secteur spatial. De nouveaux horizons s’ouvrent d’ailleurs dans ce domaine, comme l’utilisation du biomimétisme, l’impression dans l’espace ou encore l’impression 4D.

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