Dossier du numéro de janvier/février 2024 de 3D ADEPT Mag. Les entretiens et perspectives sont conservés dans leur contexte de publication.
Ce n’est un secret pour personne qu’un avion est un système complexe qui comprend une longue liste de composants intérieurs et extérieurs conçus pour assurer la sécurité, répondre aux normes de certification, garantir la fonctionnalité et améliorer le confort. Compte tenu des exigences concurrentielles et rigoureuses d’une industrie aussi importante, l’optimisation et l’efficacité de la production revêtent en permanence une importance capitale, d’où l’intérêt croissant pour des procédés de fabrication tels que la fabrication additive (FA). Avec le développement de cette technologie, la façon dont les pièces aérospatiales sont conceptualisées, conçues et produites a évolué. L’article ci-dessous vise à comprendre comment la technologie a évolué et comment elle est adoptée aujourd’hui par les entreprises aérospatiales et les fabricants de pièces.
L’aérospatiale a été l’une des premières industries à adopter la FA et, compte tenu du nombre croissant d’applications réalisées dans ce domaine, on peut légitimement dire qu’elle a intégré avec succès cette technologie dans ses opérations de production. Si la conception et la fabrication sont deux aspects différents de la production d’une pièce, l’un ne va pas sans l’autre. Ils se renforcent mutuellement pour produire le plus grand impact et il est important de voir comment ils évoluent avec les progrès actuels des technologies.
C’est pourquoi l’article ci-dessous vise à comprendre :
- L’état actuel de la conception dans la production de pièces aérospatiales – et les applications révélant le plus grand impact de la FA
- Quels sont les processus de FA qui transforment le plus la production aéronautique et pourquoi ?
- Jusqu’où la FA peut-elle être poussée dans l’industrie aérospatiale ?
L’état actuel de la conception dans la production de pièces aérospatiales
Dans un exemple présenté par Helen Lockett, de l’Open University, une nervure d’aile d’environ 2 mètres et 20 kg est usinée dans un bloc d’aluminium. L’alternative étudiée utilise le dépôt de fil par arc électrique (WAAM) sur une plaque, intégrée à la pièce lorsque la conception le permet. Un usinage de finition reste nécessaire. Cet exemple illustre un choix de procédé ; il ne décrit pas toutes les nervures d’avion.
La conception doit donc tenir compte du procédé et des exigences de la pièce. La conception pour la fabrication additive (DfAM) peut notamment permettre de réunir plusieurs composants en une seule pièce : c’est la consolidation de pièces, à distinguer de l’impression simultanée de plusieurs pièces séparées.
Cette consolidation peut réduire les assemblages et la masse, mais elle ne garantit pas à elle seule une meilleure intégrité structurelle. Les charges, la fatigue, les contrôles, la maintenance et le coût global doivent être évalués pour chaque application.
D’une manière générale, « les techniques et stratégies de conception par FA pour les aéronefs sont adoptées différemment dans des secteurs tels que l’aviation civile, l’espace et les véhicules ultralégers dans le contexte de la mobilité aérienne urbaine et de l’eVTOL ».
« Pour les véhicules aériens ultralégers, l’économie de poids est, bien entendu, un élément crucial. La FA y contribue grâce à des techniques de conception éprouvées telles que l’optimisation topologique, et toutes les possibilités de conception de FA sont prises en compte pour les composants, y compris les pièces structurelles, et dans différents matériaux. La FA est utilisée de manière exhaustive pour l’optimisation structurelle et l’allègement. La situation est similaire pour les applications spatiales. Dans les deux cas, il est essentiel d’utiliser au mieux l’espace de conception tout en optimisant le rapport entre le poids et la fonctionnalité. Une approche intéressante dans ce contexte consiste à passer à un matériau plus léger ou à un composite au cours de la phase d’exploration de la conception et à compenser ses propriétés matérielles divergentes par des modifications géométriques de la conception de la pièce. Pour l’essentiel, la FA est considérée comme une technologie de fabrication valable et est utilisée comme technologie complémentaire pour un nombre limité de solutions sophistiquées.
En ce qui concerne l’aviation civile, la situation est différente. Actuellement, la majorité des pièces imprimées en 3D ne sont pas conçues pour la FA. La FA est idéale pour l’approvisionnement en pièces polymères à faible criticité pour les avions de l’aviation civile, car les pièces peuvent être imprimées à partir de l’étagère virtuelle, il n’y a pas de gaspillage, et aucun stock ne traîne dans les entrepôts.
Néanmoins, la FA offre une nouvelle approche de la conception pour l’aérospatiale en proposant une alternative économique pour les pièces endommagées des avions. La FA peut fournir des solutions de réparation sur mesure pour ces pièces, en offrant une solution autre que le remplacement et en minimisant la durée d’immobilisation des avions.
Cela montre qu’il ne s’agit pas toujours de trouver les parties complexes qui nécessitent une refonte complète, mais les parties qui ont un sens du point de vue de l’analyse de rentabilité. La bonne approche de la conception est essentielle à cet égard. La refonte complète d’une pièce représente un investissement, et la nouvelle conception nécessitera des efforts supplémentaires pour être acceptée en tant que pièce volante. Les MRO et les compagnies aériennes utilisent le logiciel de FA de Materialise pour numériser le processus de production et utiliser les données disponibles sur des milliers de pièces fabriquées par Materialise pour normaliser les conceptions et se conformer aux règles de sécurité. Souvent, la reconception de pièces existantes n’a pas besoin de recourir à des technologies de conception de FA très complexes et ne nécessite que des modifications mineures des pièces. Dans l’aviation civile, la sécurité est la première priorité, et l’industrie aérospatiale qui utilise la FA doit faire progresser la normalisation de l’impression 3D pour améliorer son profil dans l’aviation civile », explique Erik de Zeeuw, Market Manager Aerospace, Materialise.
L’absence de gaspillage évoquée dans cet entretien concerne l’intérêt de produire à la demande. Elle ne signifie pas que la fabrication additive est sans pertes de matière ni opérations de finition.
La conception générative et l’optimisation topologique peuvent également aider à alléger une pièce ou à répartir la matière selon les efforts. Le bénéfice dépend des contraintes retenues et de la validation du résultat ; il n’est pas automatique.
Les processus de FA qui transforment le plus la production aéronautique – et les applications qui révèlent le plus grand impact de la FA
Les chiffres historiques cités dans ce dossier évoquaient plus de 70 000 pièces imprimées en 3D chez Boeing et plus de 2 500 pièces en orbite chez Maxar. Ces indicateurs ne portent pas sur le même périmètre et ne constituent pas un classement des entreprises. Chez Collins Aerospace, l’annonce du 20 juillet 2023 porte sur une extension de 14 millions de dollars du centre de fabrication additive de West Des Moines. Le chiffre de 75 pièces initialement mentionné n’est pas confirmé par cette annonce et a été retiré.
Ces exemples illustrent plusieurs usages de la FA, du prototypage à l’outillage et aux pièces embarquées. Les volumes seuls ne permettent pas de conclure à la maturité d’un procédé pour une autre application.
Les applications aéronautiques utilisent des métaux et des polymères. Leur sélection dépend des sollicitations, de la température, de la masse, de l’environnement et des exigences propres à la fonction. Les polymères ne sont pas réservés au prototypage, comme le montrent les pièces de cabine décrites dans ce dossier.
La SLA et l’extrusion de filament peuvent servir au prototypage ; le frittage laser de polymères est aussi utilisé pour des pièces fonctionnelles. La FA grand format peut produire des outillages. Les procédés métalliques répondent à d’autres besoins : il faut qualifier chaque combinaison matériau, procédé et application.
La fusion laser sur lit de poudre et les procédés de dépôt de matière constituent différentes voies de FA métallique. Leur maturité se juge pour un cas d’usage donné, avec ses exigences de répétabilité, de contrôle et de finition, plutôt qu’au seul nombre de technologies disponibles.
Chez GKN Aerospace, le dépôt de métal par laser avec fil (LMD-w) construit des structures couche par couche à partir d’un fil métallique. Il se distingue des variantes de dépôt utilisant de la poudre. L’entreprise présente cette approche comme un moyen de produire des structures complexes en utilisant la matière plus efficacement.
Selon Sébastien Aknouche, responsable des solutions matérielles chez GKN Aerospace en Suède, aujourd’hui, lorsqu’on considère les moteurs d’avion en particulier, quel que soit le procédé de FA utilisé, pour apprécier l’impact de la technologie sur la production aéronautique, il faut être capable d’identifier à court terme les facteurs de transformation suivants :
- Le délai de la demande – conception – fabrication – livraison. Il est probablement réduit à 5 %, voire moins, de l’approche traditionnelle pour une nouvelle demande.
- Le processus comporte moins d’étapes que la fabrication traditionnelle de pièces d’avion.
- La FA nous permet d’utiliser de manière beaucoup plus efficace la disponibilité mondiale déjà limitée des superalliages. Nous pouvons produire 2 à 10 fois plus de moteurs avec la même quantité de métal. Cela réduit à nouveau la quantité de déchets (copeaux).
- Grâce à la FA, le délai de production industrielle n’est qu’une fraction du délai de production traditionnel, où tout changement de la demande peut prendre plus de deux ans à satisfaire.
- La FA permet des changements rapides de la demande et une situation d’approvisionnement beaucoup plus flexible. Cela permettra de réduire considérablement les stocks et de débloquer d’énormes quantités de liquidités actuellement liées aux stocks.
- La FA permet de réduire les coûts pour le client grâce à une plus grande flexibilité de l’approvisionnement, moins de liquidités liées aux stocks, une plus grande sécurité de l’approvisionnement avec moins de sous-absorption et un processus beaucoup plus rapide du nouveau produit au processus industrialisé.
- Tout processus de production de FA constitue un facteur environnemental significatif et positif. Les émissions de CO2 sont considérablement réduites grâce à des processus moins gourmands en énergie et à des transports moins importants, et l’utilisation de nos ressources mondiales est nettement plus efficace.
Les gains ci-dessus — dont le délai ramené à 5 % et les deux à dix fois plus de moteurs à quantité de métal égale — sont les estimations de Sébastien Aknouche. Aucun protocole comparatif détaillé n’est fourni ici. L’affirmation environnementale doit être appréciée au cas par cas, avec une analyse du cycle de vie ; elle ne démontre pas que tout procédé de FA émet moins de CO₂.
Les pièces destinées au vol doivent respecter les exigences de navigabilité applicables, sous la responsabilité des autorités compétentes, notamment la FAA ou l’EASA. L’IASA est un programme d’évaluation de la surveillance de la sécurité aérienne, pas une troisième autorité de certification des pièces. La durée de qualification dépend du projet, du procédé, du matériau et de la fonction ; ce dossier ne fournit pas de base pour imposer un délai général de sept à dix ans à toute pièce métallique.
Lorsqu’on lui demande s’il y a des leçons à tirer et à reproduire des pièces imprimées en 3D en plastique pour faire progresser l’utilisation des pièces imprimées en 3D métal, Aknouche répond que ces leçons pourraient être « l’adoption d’une approche de test plus itérative, l’utilisation d’outils de simulation pour les tests virtuels et l’établissement de protocoles de test normalisés ». En intégrant ces pratiques, « l’industrie aérospatiale peut potentiellement réduire le délai de validation des composants métalliques, garantissant ainsi la sécurité et la conformité sans compromettre l’efficacité ».
Néanmoins, les applications qui révèlent l’impact le plus important de la FA restent les composants complexes et légers tels que les pièces de moteur. « Ces pièces bénéficient de la liberté de conception offerte par les procédés de FA, ce qui se traduit par une amélioration des performances, du rendement énergétique et de l’impact sur l’environnement. En outre, la possibilité de regrouper plusieurs composants en une seule pièce imprimée en 3D de conception complexe contribue à la réduction du poids total et à l’amélioration de l’efficacité des avions », ajoute l’expert de GKN Aerospace.
En dehors du segment de la FA métal, Erik de Zeeuw note que « les pièces en polymère à faible criticité ou les pièces susceptibles de se briser à l’intérieur et autour de l’avion sont peut-être celles où la FA se distingue le plus en termes d’impact. Le panneau de décompression de la cabine du Boeing B737 en est un exemple. Les loquets et les goupilles de ce panneau ont tendance à se casser fréquemment. Stirling Dynamics a collaboré avec Materialise pour concevoir un panneau renforcé ayant la même fonctionnalité, mais plus solide et moins susceptible de se casser que la pièce d’origine.
Ces pièces à faible criticité ne sont pas seulement le pain et le beurre de la FA pour l’aérospatiale. Elles fournissent également les données nécessaires pour travailler sur des pièces à haute criticité. Ces données sont utilisées aujourd’hui par les entreprises aérospatiales pour garantir la répétabilité de leurs processus de fabrication. »
Comment l’industrie aérospatiale peut-elle aller plus loin dans l’utilisation de la FA ?
D’après les conversations que nous avons eues avec les experts invités à partager leurs points de vue sur ce sujet, on garde à l’esprit trois domaines d’intérêt principaux : les nouvelles conceptions, les composants structurels des aéronefs et le rapport achat-vol.
En ce qui concerne la conception, le facteur de transformation le plus important qui contribuera à propulser l’adoption de la FA dans l’aérospatiale est celui des nouvelles conceptions. Selon Aknouche, « les nouvelles conceptions de moteurs à réaction, par exemple, les rendront plus légers et plus efficaces, ce qui permettra de réduire les émissions de CO2 à chaque minute de vol de l’avion ». « Même si nous avons pu concevoir et calculer les avantages d’une vision future des nouveaux moteurs, nous n’avons pas été en mesure de les réaliser avant l’introduction de la FA métal », souligne-t-il.
Redessiner une pièce structurelle peut exiger une nouvelle démonstration de conformité et des contrôles adaptés. Cela ne signifie pas qu’aucune structure issue de la FA ne soit déjà en service : GKN indiquait en juin 2023 disposer de structures porteuses fabriquées en série et certifiées. Les perspectives décrites ici concernent l’élargissement des applications et les nouvelles conceptions.
« Materialise ne se précipite pas pour s’attaquer au marché des composants structurels métalliques à haute criticité. Cela s’explique en partie par les règles de sécurité strictes qui s’imposent dans l’industrie aérospatiale, mais aussi par l’état de préparation de la technologie d’impression 3D elle-même. Cependant, grâce aux antécédents de Materialise en matière de fourniture de pièces en polymère à faible criticité, aux données désormais disponibles grâce à notre travail et aux investissements de grandes entreprises aérospatiales telles que GKN, la FA est envisagée pour les composants structurels des aéronefs. L’extrémité d’aile de l’avion Eviation Alice conçue par GKN n’est qu’un exemple des travaux menés dans ce domaine. Parallèlement, Materialise et d’autres partenaires travaillent à la création d’une voie permettant de qualifier le processus de production de pièces métalliques imprimées 3D. Le groupe composé d’experts de l’aérospatiale et de la FA fournira un livre blanc comme premier effort pour rédiger une pratique recommandée SAE Aerospace pour l’utilisation de la surveillance du processus in situ pour valider un processus de FA. Ces efforts renforceront la maturité technologique de la FA et inciteront un plus grand nombre d’entreprises aérospatiales à envisager la FA pour les pièces hautement critiques des compagnies aériennes », commente de Zeeuw.
L’extrémité d’aile d’Alice citée par Materialise est un exemple de FA polymère, comme le précise le communiqué commun de GKN et Materialise. Elle ne constitue pas une preuve de qualification d’une pièce structurelle métallique.
En ce qui concerne le ratio buy-to-fly, l’expert de GKN Aerospace a confirmé que “l’amélioration du ratio buy-to-fly” pourrait être un facteur clé de transformation de l’industrie à long terme : « Le rapport de poids entre un substrat et une pièce finie nous permettra d’utiliser le métal disponible de manière encore plus efficace et de réduire les déchets. En effet, plus le processus de FA devient efficace et plus le ratio “acheter pour voler se rapproche de 1,0, moins il y a de déchets de matériaux. »
Le ratio buy-to-fly rapporte la masse de matière achetée à celle de la pièce finie. Le terme « substrat » dans la citation est donc trop restrictif. Un ratio proche de 1 indique une bonne utilisation de la matière ; il ne suffit pas à établir le bilan environnemental complet du procédé.
« Il n’y a probablement pas de frontière claire quant à notre avenir, mais nous ne serons pas en mesure de fabriquer des pièces sans matériau, mais peut-être des pièces avec un “ratio achat-vol” proche de 1,0, et les délais de livraison ne seront pas nuls, mais très courts, et la production n’aura probablement pas d’émissions nulles, mais très faibles. La question est plutôt de savoir dans quelle mesure nous nous rapprocherons de ce stade idéal. Pour le savoir, il faudra suivre le développement », conclut-il.
Il est évident que d’autres domaines d’intérêt auraient pu être mentionnés. En fin de compte, n’oublions pas que la façon dont la FA progresse dépend de l’acteur qui l’utilise.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de Janvier/Février de 3D ADEPT Mag.
Notes de l’éditeur
GKN Aerospace et Materialise collaborent sur plusieurs projets concernant la certification et la production additive d’aérostructures fonctionnelles et critiques pour le vol. Cependant, aucune des deux entreprises ne savait que l’autre participait à ce dossier.
GKN Aerospace a été invitée à partager ses connaissances sur ce sujet, car son expertise réside dans l’utilisation de la fabrication additive pour optimiser les processus de conception et de production des aéronefs. L’entreprise a déclaré que son dernier projet concernait le développement de techniques avancées de FA pour des composants structurels critiques, démontrant l’impact profond de ces techniques sur la flexibilité de la conception et l’efficacité de la fabrication. L’entreprise indique avoir réalisé, grâce à l’intégration de la FA dans son flux de travail, des progrès notables en matière de réduction de poids, de consolidation des pièces et de performance globale du système.
Quant à Materialise, elle indiquait lors de cet entretien avoir pleinement développé son offre de pièces de rechange pour les cabines à faible criticité. Au cours des dix dernières années, elle disait avoir constitué un ensemble de données destiné à démontrer la cohérence de la technologie, du processus, des matériaux et des machines qu’elle utilise. Malgré la certification de son processus, située environ cinq ans avant cet entretien, obtenir des pièces imprimées sur un avion existant n’est pas aussi facile qu’il n’y paraît compte tenu des exigences strictes de l’industrie. L’entreprise continue de collaborer avec des sociétés aérospatiales pour faire progresser les domaines clés de l’industrie aérospatiale. Outre GKN Aerospace, l’un de ses récents partenariats a été signé avec Stirling Dynamics.
Note de relecture : date de première utilisation non étayée retirée ; consolidation, LMD-w et qualification précisés ; IASA et exemple Eviation corrigés. Le chiffre Collins non confirmé et une légende Bradford sans image associée ont été retirés. Les estimations restent attribuées aux intervenants.
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