De nombreux avions militaires, en particulier les chasseurs, ont besoin de moteurs présentant des différences notables par rapport aux avions commerciaux. Ils présentent des profils de vol différents et effectuent des tâches variées. Ces différences amènent continuellement les fabricants de moteurs à réévaluer les priorités et les ressources au niveau de la fabrication. Il est intéressant de noter qu’avec le large éventail de technologies qui peuvent être exploitées pour obtenir les performances souhaitées, la fabrication additive reste une technologie de choix car elle répond à des objectifs différents. Une conversation avec Jesse Boyer, de Pratt & Whitney, nous éclaire sur ces objectifs.
Reconnue pour la conception, la fabrication et l’entretien de moteurs d’avions et de groupes auxiliaires de puissance, Pratt & Whitney (P&W), filiale de RTX Corporation (anciennement Raytheon Technologies), fabrique également des turbines à gaz à usage industriel et des moteurs de propulsion marine.
Comme la plupart des défenseurs de la fabrication additive, les premières années de Pratt & Whitney en tant qu’utilisateur ont été consacrées à la compréhension et à la réponse aux 4Ws (en anglais : what, why, where & who) de la technologie : quoi, pourquoi, où et qui. Nous étions dans les années 1980.
Cela signifiait « qu’est-ce que la fabrication additive (à l’époque, le prototypage rapide), où pensons-nous que la technologie pourrait être exploitée et qui sont les principales parties prenantes », explique Jesse Boyer, Senior Technical Fellow pour la fabrication additive chez Pratt & Whitney. Si la réponse aux 4Ws reste essentielle dans la courbe d’adoption, la beauté du voyage réside dans la manière dont chaque utilisateur a tiré le meilleur parti de la maturation de la technologie et des applications qu’il a réalisées.
La stratégie de fabrication additive (FA) de Pratt & Whitney : Premiers pas et progression
35 ans plus tard, après leurs premiers investissements dans l’impression 3D SLA, l’évolution de P&W révèle que si les fabricants de moteurs n’ont pas fait les mêmes gros titres que les autres industriels, cela ne signifie pas qu’ils sont restés immobiles.
« Au milieu des années 1990, nous avons continué à étendre notre expérience des plastiques, des polymères et de la cire aux composants non métalliques à base de poudre. Les progrès réalisés dans le domaine de la fusion sur lit de poudre ont permis d’étendre les capacités et les connaissances à des éléments tels que les pièces imbriquées et les structures non soutenues. Au-delà de l’utilisation de la technologie pour des pièces de démonstration de base, P&W s’est montrée très innovante en utilisant ces matériaux avancés dans l’ensemble de l’atelier pour l’outillage, la fixation et les aides visuelles. Au début des années 2000, nous avons continué à suivre les progrès des poudres métalliques disponibles et avons entamé notre voyage interne dans les métaux. Cette démarche a été facilitée par notre capacité unique à fabriquer des poudres et par la maturité croissante des équipements additifs disponibles », souligne Boyer.
Il est intéressant de noter que la stratégie de P&W en matière de FA est assez similaire à celle de la plupart des multinationales qui exploraient cette technologie à l’époque. Cette stratégie peut être résumée en deux étapes clés : D’abord l’acquisition de procédés de FA et la mise en place d’installations/centres de production dédiés à la FA.
La photopolymérisation de la TVA étant le seul procédé de FA développé à l’époque pour le prototypage rapide, il était logique de se concentrer d’abord sur « l’adoption du non-métal pour les aides à la conception ». Vient ensuite « l’utilisation généralisée de la FA non métallique pour les applications d’atelier et l’outillage (photopolymérisation VAT, extrusion de matériaux, jet de matériaux, jet de liant, fusion sur lit de poudre) » et, au fil du temps, « l’utilisation de la FA métal pour l’outillage de non-production, le matériel et les réparations de production (fusion sur lit de poudre, dépôt d’énergie dirigée) ».
Aujourd’hui, P&W fabrique des composants métalliques imprimés en 3D à l’aide de la fusion sur lit de poudre et continue d’élargir son portefeuille de fabrication additive en recherchant méthodiquement d’autres processus de FA disponibles.
Étant donné que les centres d’installations dédiés à la fabrication additive jouent un rôle essentiel dans le déploiement et l’adoption des solutions de fabrication additive, RTX Corporation a créé le RTX Additive Manufacturing Process Capability Center (AMPCC) en 2017 afin d’accélérer le développement et le déploiement des solutions de fabrication additive dans l’ensemble de l’entreprise. Boyer note : « L’équipe est colocalisée avec le centre de recherche technologique de RTX à East Hartford, CT. La mission de l’AMPCC est la suivante :
- Accélérer la maturation et la certification des matériaux et des processus de FA. Cela comprend l’expertise en matière de contrôle des processus afin de favoriser l’industrialisation de la fabrication additive sur les sites de production de RTX et au sein de la chaîne d’approvisionnement externe ;
- Mettre en place une chaîne d’outils pour permettre à la conception additive d’atteindre les objectifs de performance tout en minimisant les itérations de productibilité ;
- Démontrer l’efficacité des techniques développées par la construction de prototypes ;
- Développer des programmes de formation à la FA et les déployer dans l’ensemble du RTX ; et
- Servir d’interface avec les consortiums additifs externes, les universités, l’industrie et les laboratoires nationaux.
Au cours des 7 dernières années, AMPCC est devenu le principal site de développement de RTX pour la fabrication additive avec un large inventaire d’équipements commerciaux et expérimentaux de fabrication additive sur lit de poudre laser provenant de plusieurs équipementiers. Les matériaux en cours de développement comprennent le titane, le nickel, l’aluminium et les alliages à très haute température.
Outre l’AMPCC, RTX dispose de plusieurs installations au niveau national (Floride, Iowa, Connecticut, Caroline du Nord, Minnesota, Californie) et dans le monde entier (Canada, Pologne, Singapour) pour soutenir divers efforts d’utilisation de la fabrication additive ».
L’utilisation de la fabrication additive dans le développement de moteurs militaires
En plus d’AMPCC, RTX dispose de plusieurs installations au niveau national (Floride, Iowa, Connecticut, Caroline du Nord, Minnesota, Californie) et dans le monde (Canada, Pologne, Singapour) pour soutenir divers efforts utilisant la fabrication additive ».
Nous avons peut-être découvert les activités de P&W en matière de FA par le biais de la fabrication de composants MRO pour moteurs aéronautiques, mais l’entreprise a discrètement progressé dans le développement de moteurs militaires.
C’est probablement dû à la sensibilité du sujet, mais l’impact de la FA dans les domaines de l’armée et de la défense a souvent été mis en évidence par la production de pièces de rechange ou le déploiement dans des environnements éloignés. En creusant un peu, on se rend compte que la FA a conduit à une myriade d’applications dans des contextes militaires. Boyer partage avec 3D ADEPT quelques-unes de ces applications :
« Lorsqu’il s’agit de fabrication additive militaire ou commerciale, nous considérons généralement quatre cas d’utilisation. Ces cas d’utilisation constituent la stratégie globale de développement technologique et d’alignement des différentes initiatives, tant au niveau du produit que de la chaîne d’approvisionnement. Les cas d’utilisation sont les suivants :
– Substitution/adaptation de pièces : Ce cas d’utilisation s’applique lorsque nous disposons d’une pièce ou d’un composant existant que nous essayons de fabriquer de manière additive pour répondre à un problème de moulage, de forgeage ou de fabrication conventionnelle. L’avantage de ce cas d’utilisation est une réduction des coûts ou des délais. Des modifications minimales de la conception et des matériaux sont nécessaires.
– Maintien (applications après-vente/agilité du cycle de vie) : Ce cas d’utilisation s’applique généralement au remplacement ou à la réparation d’une pièce utilisée sur le terrain. L’avantage de ce cas d’utilisation est la réduction du délai d’exécution. Dans ce cas d’utilisation, il n’y a pas de changement de conception, mais il peut éventuellement y avoir un changement de matériau.
– Unitisation (combinaison de plusieurs pièces en un seul composant) : Les avantages de ce cas d’utilisation sont l’optimisation de la chaîne d’approvisionnement ainsi qu’une amélioration de l’utilisation des matériaux, des délais d’exécution/d’assemblage et des coûts. Dans ce cas d’utilisation, il y a quelques changements de matériaux et d’importantes modifications de la conception.
– Conception optimisée (générative ou « design for purpose ») : Ce cas d’utilisation exploite pleinement les libertés de conception de la fabrication additive et il s’agit d’une conception à des fins précises.
Pour notre plateforme militaire, nous nous concentrons sur la manière dont nous pouvons utiliser la fabrication additive pour assurer la préparation des combattants, en particulier pour nos applications existantes. Enfin, l’unitisation et la conception optimisée sont utilisées dans nos systèmes de propulsion de nouvelle génération, ce qui permettra de réduire le rapport coût/poids et d’accroître les capacités nécessaires pour les systèmes de propulsion avancés.
Des économies de temps et d’argent : Exemples clés de moteurs ayant bénéficié de la FA
P&W a récemment fait la démonstration de trois de ces techniques de FA (adaptation des pièces, unitisation et conception optimisée) dans le cadre du développement du moteur TJ150.
L’équipe GATORWORKS de Pratt & Whitney a redessiné le moteur TJ150 pour assurer une itération rapide. Elle a réussi à réduire le nombre total de pièces de plus de 50 à une poignée seulement. En l’espace de huit mois, du concept à l’essai du moteur, grâce à leurs technologies de FA internes, ils ont pu redessiner et tester les pièces imprimées en 3D du moteur TJ150. Il va sans dire que cette production aurait pris beaucoup trop de temps avec les processus de fabrication traditionnels, car elle aurait nécessité une chaîne d’approvisionnement.
Un autre moteur qui a bénéficié des quatre cas d’utilisation mentionnés ci-dessus est le moteur F135, qui équipe l’avion de combat F-35 Lighting II. P&W a expliqué qu’en 2018, son équipe a commencé à collaborer avec un fournisseur pour imprimer en 3D la boîte du bord de fuite du carter d’échappement de la turbine, qui dirige le flux des gaz d’échappement. En général, ces boîtes nécessitent l’utilisation de l’hydroformage, un processus avancé dans lequel un fluide à haute pression plie des plaques de métal dans des formes précises qui peuvent résister aux forces de la propulsion par jet. Plutôt que de sous-traiter le moulage et l’usinage, le fournisseur a eu recours à l’unitisation, puis à l’impression 3D et à la finition de la pièce unitisée en interne. Pour vous donner une idée approximative des économies réalisées par P&W, gardez à l’esprit que les économies potentielles sur les pièces coulées et moulées approchent à elles seules le milliard de dollars.
À la question de savoir quels sont les défis techniques liés au développement de pièces critiques pour la sécurité, le Senior Technical Fellow pour la fabrication additive chez Pratt & Whitney a répondu « la confiance » avant d’ajouter :
« Les aspects techniques de ce [défi sous-jacent] consistent à traduire cette confiance dans la manière dont nous communiquons les composantes de la variation, l’impact de la variation sur le produit, et développons des outils (alias la technologie) qui garantissent que nos processus sont sous contrôle. Une fois que nous connaîtrons ces éléments, nous pourrons continuer à développer la fabrication additive comme beaucoup d’autres technologies de fabrication pour les pièces critiques pour la sécurité ».
Par ailleurs, étant donné que le post-traitement reste l’un des aspects les plus difficiles de la chaîne de processus de fabrication additive et qu’il contribue à augmenter le coût de la pièce finale, nous n’avons pas pu nous empêcher de demander à Boyer s’il serait possible de réduire les coûts du post-traitement grâce à la numérisation.
Pour Boyer, l’avantage de la FA est qu’il s’agit déjà d’un processus « numérique ». Même s’il n’a pas mis l’accent sur ces possibilités chez P&W, il estime que « la fabrication additive offre de nombreuses possibilités d’appliquer la numérisation du berceau à la tombe pour l’ensemble du processus ».
« En ce qui concerne le post-traitement, la plus grande opportunité est l’utilisation d’outils numériques pour prédire la distorsion relative, la rugosité de la surface et la génération de défauts afin de minimiser l’usinage et le traitement de surface et d’optimiser les processus tels que l’inspection. Le post-traitement peut « faire ou défaire » une application de FA, il est donc impératif de minimiser/optimiser cet aspect dès la création du processus de fabrication afin de garantir l’application la plus rentable et la plus robuste, et la numérisation est l’outil qui permet de le faire », ajoute-t-il.
Perspectives d’avenir : Les prochains moteurs militaires qui bénéficieront de la FA et plus encore
L’histoire de P&W montre que nous avons encore beaucoup à apprendre de l’utilisation de la FA dans le domaine militaire. Alors que l’utilisation de la technologie dans ce domaine est encore controversée, chez 3D ADEPT, nous aimerions nous concentrer sur la façon dont la technologie met en évidence la beauté de l’ingénierie dans sa forme la plus simple.
Actuellement, plus de 7 000 moteurs militaires Pratt & Whitney sont en service dans 34 forces armées à travers le monde. Avec la FA [et d’autres technologies de fabrication numérique] à bord, je ne doute pas que P&W continuera à établir de nouvelles références en matière de performance et de fiabilité. À l’avenir, l’équipe étudiera les possibilités de maintien en service des plates-formes existantes telles que le F100 et le TF33.
« Nous progressons dans l’utilisation de composants unitisés sur notre petite plateforme TJ150 et le F135 afin de réaliser des économies et d’améliorer les délais de livraison, et nous utilisons également la fabrication additive en tant qu’outil clé pour les composants unitisés et optimisés dans nos programmes avancés.
Actuellement, nos pièces candidates à la fabrication additive sont en concurrence avec celles qui sont optimisées pour la fabrication conventionnelle. Ces conceptions conventionnelles ont été rigoureusement testées pour la sécurité des vols et la certification – et nos composants fabriqués de manière additive sont soumis à la même rigueur. Nous voyons un potentiel continu pour l’application de la fabrication additive à l’ensemble de notre chaîne de valeur. Nous avons acquis une grande expérience dans un certain nombre d’applications et nous nous trouvons maintenant à un point critique pour une plus grande utilisation. Nous cherchons toujours à évaluer où la technologie peut être utilisée dans de nouveaux produits ainsi que pour soutenir le maintien de nos anciens programmes de moteurs. Et même si la FA ne convient pas à toutes les applications, elle complète clairement les approches de fabrication existantes et avancées de P&W. Nous développons ces options afin d’innover et d’améliorer la qualité de nos produits. Nous développons ces options pour innover et offrir des avantages solides à nos clients. Nous continuons également à soutenir les organismes de réglementation, les organisations d’élaboration de normes et divers groupes universitaires, gouvernementaux et industriels afin d’appuyer la transition vers la production », conclut Boyer.
Notes de l’éditeur
Je suis de ceux qui pensent que pour comprendre les performances d’une entreprise, il est essentiel de connaître les personnes qui font opérer la magie derrière les coulisses. Dans le domaine de la FA en particulier, il existe différents profils qui peuvent aider une entreprise à se positionner à l’avant-garde dans son domaine. Jesse Boyer est l’un d’entre eux. Il a rejoint le département de FA de P&W en 2015 et a rapidement fait savoir ce qui se passait en coulisses en participant à des panels dédiés à la FA.
Dans son rôle de Senior Technical Fellow for Additive Manufacturing, comme les autres experts de la même fonction de RTX, il évolue dans le leadership technique, créer des innovations de produits, fournir un coaching et une formation pour augmenter les capacités de la main-d’œuvre, et capture des connaissances pour les réutiliser et les partager avec d’autres.
Ces experts appliquent leurs compétences techniques et leur expérience à l’organisation, à la direction et à l’orientation de la résolution des principaux défis et problèmes techniques importants pour l’entreprise. Boyer se concentre plus particulièrement sur la maturation, l’industrialisation, la stratégie et le programme d’études de la fabrication additive.
