Magazine Mardi 18 juin 2019 - 10:35

Le procédé de fabrication additive arc-fil WAAM pour l’industrie aéronautique

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Les procédés de fabrication additive conquièrent de plus en plus l’industrie aéronautique. Dans ce contexte, le procédé WAAM constitue une technologie rentable et fiable. La société Aircraft Philipp qualifie le procédé par un énorme de travail de recherche, présenté dans cet article.

Les procédés de fabrication additive s’imposent de plus en plus dans les secteurs d’activité les plus variés, en particulier dans l’industrie aéronautique. Des exigences spécifiques s’appliquent à ce secteur – notamment en ce qui concerne la qualité des matériaux et les processus de production –, qui se caractérise par des lots de fabrication de petite taille et un grand nombre d’adaptations spécifiques à chaque client, avec une grande variété de pièces. En outre, tous les produits doivent satisfaire des exigences de sécurité maximale, que l’on trouve rarement dans les autres secteurs d’activité : les composants sont souvent soumis à des contraintes thermiques et mécaniques élevées, surtout lors du décollage et de l’atterrissage d’un avion, ou en cas de turbulences atmosphériques. Par ailleurs, les produits utilisés dans l’industrie aéronautique ont généralement des cycles de durée de vie très longs. Par exemple, les avions de lignes commerciales sont en service pendant une bonne trentaine d’années, voire plus.

Le facteur poids joue également un rôle décisif dans les applications aéronautiques : plus la légèreté des pièces et des sous-ensembles est grande, plus il est possible de réduire le poids total d’un avion, ce qui a une incidence positive sur la consommation de combustible et sur la capacité d’accueil des passagers. La légèreté entraîne non seulement une baisse des coûts, mais aussi une réduction considérable des émissions polluantes de CO2. De même, le poids restreint des matériaux permet d’augmenter la charge utile. En raison de ces exigences spécifiques, l’industrie aéronautique est véritablement prédestinée à recourir à des procédés de production d’avenir tels que la fabrication additive. L’impression 3D peut ici mettre en avant ses avantages.

Fabrication rapide et économique des pièces grâce au procédé DED

La fabrication additive se distingue des autres procédés par le fait que les pièces constituées de divers matériaux sont fabriquées couche par couche sans recourir à des outils. Elle fait appel à différents procédés d’impression 3D métallique. Le procédé de dépôt sous énergie concentrée, DED (Direct Energy Deposition), compte parmi les technologies les plus prometteuses pour ce qui concerne l’industrie aéronautique. Les composants sont produits et façonnés par la fusion du métal. Le matériau de départ, amené par le biais d’une buse d’alimentation, est disponible sous forme de poudre métallique ou de fil. Il fait l’objet d’une fusion (ou d’un frittage) par une source de chaleur focalisée, puis est déposé par couches successives sur la surface de l’objet à fabriquer où il se refroidit et se solidifie ensuite. La source d’énergie peut être un laser, un faisceau d’électrons ou un arc électrique. Si la qualité d’impression est inférieure à celles des procédés à base de poudre, les technologies DED de dépôt et fusion par fil permettent de déposer une plus grande quantité de matériau à plus grande vitesse. 

L’équipementier aéronautique Aircraft Philipp Übersee GmbH & Co. KG, qui est spécialisé dans un procédé d’impression 3D novateur appelé « WAAM » (Wire Arc Additive Manufacturing), exploite cette technologie. La fusion du fil est opérée à l’aide d’un arc électrique. Pour garantir un suivi précis du trajet, le processus d’impression est commandé par des programmes de machines à commande numérique. Avec cette technologie ultramoderne, jusqu’alors employée uniquement dans des cas isolés pour la fabrication de composants non critiques, il devient possible de fabriquer de manière rentable des pièces brutes de haute qualité et proches du contour final à partir de matériaux tels que le titane ou d’alliages à base de nickel. Aircraft Philipp effectue un travail de recherche intensif sur le procédé afin d’obtenir sa qualification pour les processus spécifiques à l’industrie aéronautique. Dans deux ou trois ans, celui-ci devrait être « prêt à l’emploi », principalement pour la fabrication de composants complexes et critiques.

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La fusion du fil est opérée à l’aide d’un arc électrique.

Une réduction drastique du ratio buy-to-fly

Clients et utilisateurs profitent des nombreux avantages de ce procédé d’avenir qu’est le WAAM. Alors que les éléments structurels des avions sont encore aujourd’hui fabriqués massivement à partir du fraisage de plaques métalliques, il sera possible à l’avenir de fondre les contours approximatifs d’un composant fini sur une plaque de titane ou d’un autre métal nettement plus mince (near shape), ce qui aura une incidence très positive sur le ratio BTF (buy-to-fly), c’est-à-dire le rapport entre le poids de la matière première achetée et le poids de la pièce usinée. Lors d’un processus de fraisage traditionnel, le composant final contient seulement 5 à 10 % du matériau de départ. Les 90 à 95 % restants ne sont pas valorisables et sont éliminés au titre de copeaux ou de débris métalliques. Le ratio BTF est dans ce cas supérieur à 10. Par comparaison, le ratio tombe à moins 2 avec le procédé WAAM : on peut utiliser 80 % du titane brut pour la pièce fabriquée et les copeaux se limitent à 20 %.

« Cette énorme économie de matière première permet aux constructeurs aéronautiques de réduire massivement leurs coûts. Il faut y ajouter un abaissement des temps d’usinage, ce qui aboutit à une économie totale de 55 % lorsqu’on a recours au procédé WAAM au lieu des procédés traditionnels par enlèvement de copeaux », explique Heinz Baehr, directeur de la division Business Development chez Aircraft Philipp Group. Mais les considérations en termes de gestion d’entreprise ne sont pas les seules en faveur de cette technologie : les économies de matériaux réalisées entraînent aussi des économies en termes de ressources, ce qui a un effet positif sur la durabilité et l’impact environnemental. « En ce qui concerne la qualification du procédé WAAM pour le secteur aéronautique, nous sommes confrontés à un grand défi. La technique de soudure en 3D doit être combinée à une machine à commande numérique pilotée par ordinateur de manière à automatiser l’obtention de lignes de soudure ultra précises et à garantir la reproductibilité de ce processus. Pour ce faire, il faut veiller particulièrement à ce que la structure du matériau soit homogène à chaque point de l’élément », complète Heinz Baehr.

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Le procédé WAAM permet de fabriquer des composants structurels de grandes dimensions.

Fabriquer en série des composants structurels complexes à coûts réduits

Il sera donc possible dans un avenir proche de fabriquer en série des éléments structurels critiques et complexes, par exemple des membrures, des raidisseurs, des bâtis moteurs ou des composants de trains d’atterrissage pour de gros avions de manière sûre, efficace, et à coûts réduits. Avec le procédé WAAM, les pièces peuvent atteindre une longueur maximale de sept mètres. Le titane, le matériau le plus approprié dans ce cas, réunit des propriétés majeures telles qu’une thermostabilité élevée et une résistance optimale.

Aircraft Philipp Group s’engage en faveur de l’intégration verticale pour des séquences de production globales dans l’industrie aéronautique, faisant ainsi avancer le développement, la validation et l’élaboration d’une chaîne de processus continue destinée à la fabrication économique de composants structurels aéronautiques. Ce processus couvre la création de la pièce brute jusqu’à l’obtention du composant prêt pour la peinture finale. Dans le projet intitulé « Fabrication économe en ressources de composants structurels aéronautiques de grand volume » (REGULUS), l’entreprise réunit des partenaires technologiques de renom issus des communautés économiques et scientifiques, notamment l’université technique de Munich (TUM), l’université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU) ainsi que les sociétés Heggemann AG et Software Factory GmbH. Enfin, d’autres partenaires « associés » participent à ce projet commun, comme la société Fronius International GmbH ou d’autres équipementiers aéronautiques.

En résumé

Les procédés de fabrication additive conquièrent de plus en plus l’industrie aéronautique. Dans ce contexte, le procédé WAAM constitue une technologie rentable et fiable. Aircraft Philipp qualifie le procédé par un énorme de travail de recherche. Le fabricant tient compte des exigences poussées de l’industrie aéronautique en ce qui concerne la sécurité des matériaux ainsi que de la cohérence des processus de développement et de production. En retour, les constructeurs aéronautiques profitent des économies significatives au niveau des coûts des matériaux et du temps de travail, ce qui se traduit par un ratio BTF très bas. En optimisant les ressources, le procédé de fabrication WAAM accroît la rentabilité économique et écologique ainsi que le degré d’utilisation des matériaux. Aircraft Philipp se concentre principalement sur l’industrie aéronautique, mais ses solutions de fabrication additive sont également utiles pour d’autres secteurs d’activité. Enfin, l’entreprise ne va pas se limiter au titane et prévoit d’utiliser à l’avenir davantage de superalliages à base de nickel, comme l’Inconel. 

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