Magazine Mardi 7 janvier 2020 - 18:04

La normalisation, un enjeu pour le secteur aéronautique

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Comment la normalisation favorise-t-elle le développement de la fabrication additive dans le secteur aéronautique ?

L’aéronautique est historiquement reconnue comme un secteur clé de l’innovation. Par exemple, il s'agit du premier secteur ayant adopté la fibre de carbone ou intégré la CAO / FAO à son processus de conception. Avec l’automobile et le médical, l’industrie aéronautique (et spatiale) est le premier secteur à avoir adopté et développé les technologies de fabrication additive. Aujourd’hui, il représente à lui seul 12 % du marché total de la fabrication additive.

Briefing sur la fabrication additive dans le secteur aéronautique

La fabrication additive est considérée comme une technologie de rupture qui transforme les chaînes de production. Elle offre un nouveau terrain pour l’innovation, des avantages logistiques et une capacité de fabrication à la demande. Ces avantages sont nombreux pour le secteur aéronautique. 

  • Gain de temps pour le développement de produits et la mise sur le marché.
  • Liberté de concevoir des géométries complexes.
  • Optimisation du design et de la conception.
  • Consolidation de la conception et amélioration de la fiabilité.
  • Gain en poids et en rendement énergétique.
  • Fabrication de pièces de rechange à la demande et sur site.
  • Réduction des coûts (de certains composants).
  • Assurance qualité en cours de processus.
  • Délai global de réduction.
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Cependant, certains inconvénients compromettent la mise en œuvre à grande échelle de la fabrication additive.

  • Normes de qualité inadéquates (problème de reproductibilité des pièces)
  • Disponibilité limitée des logiciels pour la fabrication.
  • Coûts élevés des machines et du matériel.
  • Effort d’étalonnage important.
  • Prétraitement et post-traitement souvent nécessaires.
  • Droits de propriété et limitations de garantie.

La certification des produits, ainsi que la qualité et la normalisation des intrants matériels semblent être le principal défi des prochaines années pour le développement de la fabrication additive.

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Une chaîne logistique étendue et diversifiée

Nous pourrions diviser un avion de la manière suivante : le fuselage, les ailes, l’empennage (la queue de l’avion), le groupe motopropulseur et le train d’atterrissage. Il existe également des sous-parties de ces pièces principales qui sont évidemment essentielles au bon vol d’un avion, ainsi que des systèmes qui assurent la sécurité de l'appareil et le confort des passagers. Au total, un avion est composé de centaines de milliers de pièces, qui diffèrent toutefois du produit final. Un avion d’affaires peut comporter entre 250 000 et 500 000 pièces comme ceux de Gulfstream, Bombardier et Embraer, un avion Single Isle entre 500 000 et 1 200 000 pièces, un aéronef à large fuselage (767, 777, A340) de 1 200 000 à 3 000 000 pièces et un Jumbo Aircraft (747, A380) de 3 000 000 à 7 000 000 pièces.

La chaîne d’approvisionnement de l’industrie aéronautique s'articule autour de plusieurs acteurs : les fabricants d’équipements d’origine (OEM), qui comprennent les fabricants d’aéronefs et de pièces (comme Boeing, Airbus, GE Aviation, Lockheed Martin, les systèmes BAE et Rolls-Royce Holdings, etc.), les organisations de maintenance, réparation et révision (MRR), les fournisseurs de services et les clients, à savoir les opérateurs aériens commerciaux et le secteur de la défense. Les fabricants de pièces peuvent également être des fournisseurs de services, vendant des forfaits de maintenance aux exploitants de lignes aériennes pour gagner des revenus sur le marché des pièces de rechange. Les opérateurs aériens peuvent intégrer les organisations de MRR. La concurrence fait rage dans ce secteur. Ainsi, tous les moyens sont bons pour conquérir de nouveaux clients, ou les fidéliser. Les équipementiers offrent donc aux clients la possibilité de personnaliser, en particulier, la décoration intérieure. Cette personnalisation est souvent devenue essentielle pour les compagnies aériennes.

Maintenance, réparation et révision (MRR)

En raison des normes rigoureuses de l’industrie aéronautique, le processus de maintenance des aéronefs est hautement réglementé. Les organisations de MRR doivent être approuvées par les autorités de l’aviation, telles que la Federal Aviation Administration (FAA) ou l’Agence européenne de la sécurité aérienne (EASA). Le personnel et les équipements doivent être agréés et certifiés. La principale tâche des MRR est de garantir la navigabilité des aéronefs lors des inspections périodiques ou de la maintenance en lignes non programmées. De nombreux fournisseurs jouent également le rôle de MRR. Les exploitants de lignes aériennes ont également leurs propres équipes de maintenance et leurs propres activités d’entrepôt, gérant le stockage des pièces de rechange. En raison des barrières d’entrée sur le marché, il existe peu de constructeurs OEM. Cependant, la complexité des systèmes de l’aéronef oblige souvent les équipementiers à travailler avec plusieurs fournisseurs, ce qui constitue un système de chaîne d’approvisionnement à trois niveaux. Les fournisseurs de niveau 1 sont les plus cruciaux de l’industrie, car ils sont chargés de travailler avec les fournisseurs de sous-niveaux et de fabriquer les sections les plus pertinentes telles que le bâti, les moteurs, les intérieurs, les systèmes avioniques, les trains d’atterrissage et autres composants complexes.

L’intégration de la fabrication additive dans la chaîne d’approvisionnement traditionnelle pourrait permettre de gagner du temps, en produisant les pièces localement et à la demande. Elle offrirait également une chaîne d’approvisionnement plus robuste par rapport au système traditionnel : réduire l’entreposage, la gestion des stocks, le transport et les coûts globaux.

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Optimisation topologique d’une charnière après une étude menée par EADS Innovation Works et EOS.

L’aspect critique des pièces structurelles des avions

Les composants critiques tels que les pièces de moteur et certains composants structurels sont généralement fabriqués en métal. Ils nécessitent des procédures de qualification et de certification strictes, démontrant la qualité de la pièce et la répétabilité du processus de production. La plupart des composants critiques sont développés et fabriqués par des entreprises aéronautiques de premier plan, telles que GE, Boeing et Airbus. Celles-ci s’appuient sur leurs propres ressources de recherche et de fabrication, ainsi que sur des relations étroites avec les autorités de certification. Elles jouent un rôle primordial dans la conception et, en conséquence, dans l’utilisation de la fabrication additive pour ces pièces. Pourtant, et comme vu précédemment, les avantages de cette technologie sont importants, notamment pour le poids, les performances et les fonctionnalités des pièces.

Le mobilier intérieur, les accessoires et les composants généraux non structurels sont moins critiques et peuvent être classés dans la catégorie « mineurs » ou « sans effet sur la sécurité ». Ces composants sont généralement fabriqués à partir d’alliages légers, de polymères ou de composites. Ici aussi, la fabrication additive présente des avantages potentiels, par exemple en allégeant, en consolidant ou en personnalisant les pièces. Il est également possible de réduire certaines pressions exercées sur la chaîne logistique.

Afin de parvenir à une utilisation plus large des technologies additives, il est important de définir un cadre de certifications et de qualifications, notamment sur certains aspects clés.

  • Évaluation plus précise de la physique des processus de fabrication additive.
  • Mécanismes de défaillance et anomalies matérielles caractéristiques.
  • Relations complètes entre le matériau, le processus, la structure et les propriétés.
  • Base de données de spécifications industrielles et normes de matériaux et de procédés.
  • Directives de conception et de réglementation des composants conçus par fabrication additive.
  • Méthodes de post-traitement et amélioration de la qualité de la pièce.
  • Stratégies de surveillance et de test de la fabrication additive.

Le développement de normes en fabrication additive pour l’aéronautique

L’ASTM International F42 travaille actuellement sur quatre normes visant à aider les fabricants OEM et à satisfaire les exigences de sécurité et de performance sur l’utilisation de la fabrication additive métallique. De telles normes pourraient aider les fabricants d’avions civils, commerciaux et militaires, ainsi que les producteurs travaillant dans les domaines de la propulsion spatiale, de la charge utile et des vols spatiaux habités. Elles couvrent les matières premières (norme ASTM WK67454), les propriétés des pièces finies (norme ASTM WK67461), les performances et la fiabilité du système (norme ASTM WK67484), ainsi que les principes de qualification (norme WK67485). Le nouveau sous-comité des applications développe trois des quatre normes proposées.

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Boîtier T25, première pièce imprimée en 3D et approuvée par la FAA.

Le SAE International est une association mondiale réunissant près de 200 000 ingénieurs, experts techniques et volontaires ayant pour objectif de faire progresser les connaissances et les solutions en matière de mobilité. Son comité AMS-FA collabore avec les organismes de réglementation de l’industrie aéronautique et spatiale, les fabricants de matériaux et de machines et les utilisateurs, pour élaborer des normes permettant de certifier et de qualifier le matériel aéronautique, et de combler les lacunes des normes du secteur. En 2019, il a publié quatre spécifications sur la fabrication additive métallique, totalisant neuf normes AMS-AM-M. Il prévoit de publier à l’avenir des spécifications supplémentaires pour les polymères AMS-AMA-M et AMS-AM-P Polymer. En octobre 2019, il a publié les premières spécifications de polymères de fabrication additive pour l’industrie aéronautique et spatiale : AMS7100 et AMS 7101 – des définitions de matériaux et de procédés cohérents pour les pièces aérodynamiques. Ces normes ont été créées à la suite d’une demande des compagnies aériennes, par l’intermédiaire de l’EMG de l’Association du transport aérien international (IATA), afin de pouvoir réaliser des pièces de cabine en plastique. La spécification AMS7100 établit les contrôles et les exigences critiques pour la production de pièces aéronautiques fiables et reproductibles par dépôt de matière fondue (FDM) ou par un autre procédé par extrusion de matériau. Cette procédure crée des directives méthodologiques que les utilisateurs devront suivre. Elle couvre la configuration, le calibrage et les paramètres de la machine, le logiciel d’exploitation, ainsi que la méthodologie de test nécessaire pour créer des pièces certifiées. La spécification AMS7101 établit les exigences de certification pour les matériaux à utiliser dans la fabrication additive FDM ou par extrusion de matériaux, destinés à l’aéronautique et au spatial. Elle décrit les informations techniques, les directives de production et la documentation requise par le fabricant de matériaux FDM.

Le rôle clé des alliages de titane dans l’aéronautique

Certains métaux sont fondamentaux dans les applications aéronautiques. C’est le cas des alliages de titane légers, principalement le Ti6Al4V, ou des superalliages résistants à la chaleur tels que l’Inconel 718. Ces matériaux sont relativement difficiles à usiner. Selon la géométrie des pièces, les méthodes de fabrication traditionnelles sont longues, impliquent une usure importante des outils de coupe et créent une grande quantité de déchets. Face à cela, Lockheed Martin et Sciaky ont utilisé la fabrication additive par faisceau d’électrons pour créer des réservoirs de propulsion en titane. La technologie a permis de gagner du temps et d’économiser de la matière première par rapport à la fabrication soustractive traditionnelle. Le groupe Airbus EADS Innovations a réalisé une analyse d’éco-évaluation appliquée à une charnière de nacelle Airbus A320, intervenant sur les aspects du cycle de vie global : du fournisseur de poudre métallique brute au fournisseur EOS, en passant par l’utilisateur final, Airbus Group Innovations. En raison de ces applications et de centaines d’autres, les normes relatives aux alliages de titane jouent un rôle essentiel dans le paysage réglementaire de la fabrication additive.

Contenu Encadré

Safran certifie un groupe de lubrification en fabrication additive du moteur LEAP

À l’occasion du Salon international de l’aéronautique et de l’Eespace (SIAE) de Paris-Le Bourget 2019, Safran Aero Boosters et le groupe AGS Fusion ont présenté le premier groupe de lubrification du moteur LEAP conçu en fabrication additive et certifié. Lancée fin 2015, l'un des deux prototypes de carters de lubrification conçus par fabrication additive a débouché, en moins d’un an et demi, sur un nouveau design et la réalisation de quatorze pièces prêtes à subir les essais de certification et de maturation technologique. Concernant le groupe de lubrification LEAP, Safran Aero Boosters avait la contrainte de produire les nouvelles pièces en fabrication additive dans le même alliage d’aluminium et de conserver les mêmes interfaces et fonctionnalités. La fabrication des pièces a été confiée à AGS Fusion, qui possède les certifications ISO 9100 et PR 72/10 pour le groupe Safran. Le fabricant a choisi d’utiliser la fusion sélective par laser sur lit de poudre d'aluminium d’une machine SLM Solutions. « Le procédé a rencontré le niveau de maturité TRL 6 après qu’un groupe de lubrification complet, intégrant un carter imprimé 3D, a été monté sur un moteur LEAP-1A », a expliqué Safran Aero Boosters. Aujourd’hui, Safran Aero Boosters a obtenu, de la part des autorités de navigabilité European Union Aviation Safety Agency (EASA ) et Federal Aviation Administration (FAA), la certification du groupe de lubrification équipé d’un carter en impression 3D métallique destiné au moteur LEAP de CFM International. Un premier groupe de lubrification a été installé sur un moteur série LEAP-1A qui équipe l’Airbus A320neo.

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