News Mercredi 24 février 2021 - 16:01

La fabrication additive chez Boeing

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Depuis 1997, le constructeur de véhicules aérospatiaux Boeing utilise la fabrication additive dans sa chaîne de production. L’impression 3D y a depuis occupé une place de plus en plus importante. Aujourd’hui, plus de soixante-dix mille pièces en vol ont été imprimées en 3D. Zoom sur ce précurseur de la fabrication additive dans le secteur aérospatial.

Le 15 janvier dernier, un Boeing 777X décolle de la piste de l’aérodrome de Paine Field à Everett, dans l’état de Washington, aux États-Unis. Le constructeur américain réalise alors une prouesse technologique, une avancée majeure pour la fabrication additive dans le secteur aérospatial. Le moteur de cet avion comporte plus de trois cent pièces imprimées en 3D. Pour réaliser un tel exploit, Boeing s’est associé à GE Additive, Avio Aero, Arcam, et Materialise.

La fabrication additive pour l’optimisation

Ce projet a débuté en 2013. Boeing, précurseur dans l’utilisation de la fabrication additive, décide de faire confiance à la technologie additive pour développer un nouveau moteur plus performant. Le géant américain se tourne alors vers GE Additive, qui vient alors d’acquérir la société italienne spécialisée dans l’impression 3D Avio Aero. Un long processus de développement débute alors pour mettre au point ce turboréacteur 2.0. Boeing va notamment utiliser le procédé d’impression de fusion par faisceau d’électrons (EBM) des machines Arcam pour imprimer ces pièces. Ce procédé a, par exemple, été utilisé pour imprimer les aubes de turbines, réduisant de vingt-deux à seize le nombres d’aubes nécessaires à son fonctionnement.

La fabrication additive permet d’optimiser chaque pièce pour améliorer ses capacités et son efficience. Parmi les pièces imprimées en 3D, on retrouve par exemple : les embouts d’ajustage, les pales de turbines basse pression, les échangeurs thermiques… L’impression 3D permet une optimisation dès la phase de conception, puisque les logiciels d’optimisation topologique permettent de créer des pièces bien plus efficaces avec le moins de poids et de matériau possible. Ceux-ci permettent, par exemple, d’optimiser la répartition de la chaleur des échangeurs thermiques via une structure lattice dont les creux dissiperaient la chaleur dans l’ensemble de la pièce. On peut aussi citer les injecteurs de carburant qui nécessitaient un assemblage d’une vingtaine de pièces auparavant, et sont désormais fabriqués en une seule grâce à la fabrication additive.

Enfin, certaines pièces ne peuvent être produite que par impression 3D comme les inducteurs. « L'inducteur ne peut pas être fabriqué autrement que par impression 3D », explique Zach Studt, ingénieur de fabrication principal chez GE Aviation. « De cette façon, la fabrication additive augmente les performances du moteur. Un processus de fabrication différent peut fournir un meilleur produit. À l'avenir, la plupart des moteurs seront probablement équipés d'une version de cet inducteur ».

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L’obtention de la certification par la FAA

Aujourd’hui, le turboréacteur GE9X est le plus performant des moteurs développés par Boeing, avec une puissance équivalente à deux moteurs de Boeing 747. Mais pour en arriver là, et notamment avec l’utilisation d’une nouvelle technologie comme la fabrication additive, l’obtention de la certifiaction par la Federal Aviation Adminsitration (FAA) a été longue.

Le moteur GE9X, mesurant plus de trois mètres de diamètre, a dû être certifié par la FAA. Chaque pièce certifiée passe une série de tests pour s’assurer qu’elle puisse supporter les conditions extrêmes auxquelles elle sera soumise pendant les vols. L’un d’eux est le test de « sortie de pale » durant lequel l’une des pales explose alors que le moteur est en marche. Le turboréacteur doit également subir de nombreuses simulations de décollage dans diverses conditions. Il est par exemple soumis à des tests évaluant, à l’aide de canons à air comprimé, sa résistance aux impacts de grêle, au vent et à la pluie. Karl Sheldon, cadre supérieur en ingénierie chez GE Additive, résume la complexité de ce processus. « Imaginez une zone presque aussi grande qu’un terrain de football où chaque petite pièce est posée sur une table, nettoyée, inspectée et fait l’objet d’un rapport ».

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L’exploit réalisé par le fabricant américain est le fruit d’une longue expérience dans la fabrication additive. En 1997, la fabrication additive, encore à ses balbutiements, entre dans le département de Recherche et Développement de Boeing. Trois ans plus tard, Boeing débute officiellement ses activités de fabrication additive. En 2003, le fabricant américain imprime sa première pièce en 3D. Durant la guerre en Irak, les ferrures mât du chasseur F-15 strike eagle s’usaient trop rapidement. Pour pallier aux problèmes d’approvisionnement de la pièce, Boeing décide de l’imprimer en 3D en utilisant le procédé d’impression laser de l’époque.  Ces pièces imprimées en titane avaient une durée de vie cinq fois supérieures aux originales et permirent de répondre à la demande croissante de disponibilité des avions pour les opérations extérieures.

L’officialisation par le dépôt de brevet

Après de longues années d’utilisation de la fabrication additive, Boeing décide, en 2015, de déposer un brevet sur « l’impression en trois dimensions de composants », auprès de l’organisme des brevets et marques aux États-Unis. Dans ce document, le fabricant américain explique que « recevoir des pièces demandées par le fabricant de l’avion peut prendre une quantité indésirable de temps [et de ressources] pour un client. La demande de brevet se rapporte à une variété de différents matériaux tels que des polymères, des plâtres, des métaux et des alliages métalliques. L’impression 3D peut permettre la fabrication à la demande des pièces souhaitées. ».

La société américaine utilise de plus en plus cette technologie. La fabrication additive ne permet pas seulement de s’éviter des problèmes d’approvisionnement, mais aussi de produire des pièces aux géométries plus complexes, de réaliser du prototypage rapide et d’optimiser la masse et les coûts des pièces. Pour réduire le poids de ses pièces, Boeing a commencé à imprimer ses pièces en fibres de carbone. Des pièces du poste de pilotage ont été imprimées en 3D avec les « restes » de fibres de carbone 787 utilisées pour d’autres pièces. Grâce à cette innovation, le constructeur américain a réussi à optimiser le poids des pièces, mais aussi à optimiser l’utilisation de ses matériaux. Boeing entre alors dans une politique de recyclage et s’inscrit dans un projet plus écoresponsable.

L’année d’après, Boeing, à travers sa filiale Oak Ridge, a imprimé ce qui était alors le record de la plus grande pièce en fabrication additive. La pièce n’était pas en l’occurrence une pièce d’avion mais un outil de détourage qui a été utilisé dans la production du Boeing 777X. Les ingénieurs du laboratoire d’Oak Ridge ont eu besoin de trente heures pour imprimer cet outil en 3D à l’aide du Big Aera Additive Machine (BAAM) d'Oak Ridge. Cet outil de 5,33 mètres de long pour 1,68 mètres de large et 46 centimètres de haut a été imprimé en fibre de carbone et thermoplastiques de type ABS.

Ce n’est qu’en 2017 que Boeing décide de lancer son propre centre de fabrication additive à Auburn, aux États-Unis, vingt ans après avoir commencé à étudier cette technologie. Le Boeing Additive Manufacturing Center accélère le développement de ses innovations en fabrication additive pour pouvoir les mettre sur le marché plus rapidement. La même année, la compagnie aérienne est devenue le premier constructeur aéronautique à concevoir et à installer une pièce de titane, imprimée en 3D, sur un avion de ligne commercial, le 787 Dreamliner. Suite à cette innovation, elle signe un partenariat avec Oerlikon, en 2018, pour développer et normaliser le processus d’impression 3D en titane pour le secteur aéronautique. Boeing investit dans deux start-up spécialisées dans la fabrication additive – Morf 3D et Digital Alloys – puis signe un partenariat avec la société Assemblix, spécialisée dans la cybersécurité et la protection des données en ligne.

Plus récemment, le 28 octobre dernier, Boeing a annoncé avoir certifié un matériau à base de PEKK, le Antero 800NA. Il s'agit du premier matériau créé par Stratasys certifié par Boeing pour des applications présentant des exigences élevées en matière de résistance chimique ou de fatigue. « La fabrication additive présente d’énormes avantages pour la simplification des chaînes d’approvisionnement du secteur de l’aéronautique, tant pour les équipements d’origine que pour le processus MRO, mais des matériaux robustes pour satisfaire aux exigences de vol difficiles ont été nécessaires », a déclaré Scott Sevcik, vice-président pour l’aéronautique chez Stratasys.

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