En quoi la fabrication additive peut-elle aider l'industrie aéronautique et spatiale?

 

 

 

L'industrie aéronautique et spatiale comprend le secteur spatial, celui de la sécurité nationale ainsi que toute autre forme de transports aériens. Bien que le voyage dans l’espace en soit encore à ses balbutiements et que toutes les applications aériennes militaires soient exclusivement gouvernementales, l'aviation civile est devenue, quant à elle, indispensable à tous.

À l’origine d’un nombre élevé d'emplois à forte valeur ajoutée et bien rémunérés, elle joue un rôle important dans la croissance économique d’une nation. Dans le monde globalisé d'aujourd'hui, connecter les personnes et assurer la livraison des marchandises de manière rapide et rentable est devenu essentiel pour le commerce et le tourisme international.

L'industrie aérospatiale, leader dans l’économie mondiale actuelle, a toujours été en première ligne en matière d’innovations technologiques, ouvrant la voie aux autres industries. Nombre de nouveaux matériaux, procédés de fabrication de pointe ou logiciels sophistiqués ont été créés puis assimilés par cette industrie, parfois des décennies avant qu’ils ne deviennent communs pour d’autres.

Contrairement aux industries de production de masse, l’industrie aérospatiale se concentre principalement sur la fabrication en faible quantité de pièces complexes.

La mondialisation apporte, certes, d’infinies possibilités, mais aussi des défis sans précédents, tels que le nombre grandissant de contraintes relatives à l'impact environnemental des entreprises, au coût élevé de fabrication, ainsi qu’à des conditions de marché toujours plus concurrentielles.

Quels bénéfices l’industrie aéronautique et spatiale peut-elle tirer de la fabrication additive?

Aux yeux de l'industrie aéronautique et spatiale, la Fabrication Additive (FA) est un moyen de surmonter certains de ces défis. Depuis les premiers stades de son déploiement il y a trente ans, la fabrication additive a fait du chemin. A tel point que le processus aujourd’hui le plus répandu pour les applications industrielles consiste à fabriquer sur un lit de poudre des pièces par couches, en faisant fondre au moyen d’un faisceau laser ou à électron les particules de poudre d’une région correspondant à une coupe de l’objet.

De manière générale, l’ALM résout de deux façons le dilemme classique qui se pose dans la fabrication : échelle et flexibilité. Tout d'abord, elle réduit le capital nécessaire à la réalisation d’économies d'échelle, puisqu’une seule imprimante peut simultanément produire plusieurs pièces complexes avec des conceptions variables. Par conséquent, les grandes usines centralisées avec des lignes d'assemblage ne sont plus nécessaires (avec la FA, les « barrières à l'entrée » pour fabriquer à un emplacement précis sont abaissées). Deuxièmement, elle augmente la variété de conception qu’il est possible de produire avec un même capital, rendant moins coûteuses la complexité, les modifications après lancement de production ainsi que les personnalisations.

La fabrication additive offre de nombreux avantages à l’industrie aéronautique et spatiale:

 

  • Des cycles de développement raccourcis pour une mise sur le marché accélérée

    La FA favorise le prototypage rapide afin de tester les produits rapidement et les valider. Cela accélère le processus de développement et permet aux ingénieurs de tester plusieurs paramétrages, de découvrir les préférences des clients et de minimiser les risques de lancement du produit.

    Pour l’industrie aérospatiale, un autre avantage de la fabrication additive réside dans la production d’une pièce unique (ex : démonstrateurs) ou en petite série: les frais traditionnels associés pour l’outillage (coûteux et mal amorti) sont réduits voire éliminés.

    La fabrication additive est particulièrement adaptée à l’ingénierie collaborative et au « crowdsourcing » puisque elle simplifie la coopération à distance. Cela affectera sûrement la façon dont les entreprises mènent leur R&D.

 

  • Une souplesse dans la conception de pièces complexes

    La FA donne naissance à des pièces dont la géométrie est très proche de la forme désirée. La technique permet d'augmenter la complexité d'une conception sans gonfler les coûts de fabrication. C'est sans doute le principal avantage de la technique pour les industries aéronautique et spatiale étant données certaines répercussions fondamentales:

     

    • Maximiser la performance

      Les pièces dont la topologie (forme) est optimisée sont rarement réalisables par procédé traditionnel. Les ingénieurs ont l’habitude de faire des compromis sur la géométrie d’une pièce en tenant compte des possibilités et des limites des procédés conventionnels employés (fraisage, moulage, forgeage, tournage, soudage,…).

      En revanche, la fabrication additive offre une souplesse supérieure au regard des géométries réalisables et permet une plus grande liberté d’innovation en explorant de nouvelles conceptions. Elle permet aux designers de se focaliser d’avantage sur la recherche de performance, et moins sur les contraintes de fabrication. Des composants complexes peuvent être produits à partir d’une grande variété de plastiques et de métaux, comme par exemple l’acier, l’aluminium ou le titane.

      L’industrie aérospatiale utilise déjà la fabrication additive pour produire avec succès de multiples composants à la géométrie complexe et composés de matériaux comme le Titane Ti6Al4V et l'Inconel 718, traditionnellement difficiles à façonner sans compromettre les propriétés recherchées.

     

    • Consolider la conception et améliorer la fiabilité

      Cette capacité à produire des pièces plus complexes permet de produire des systèmes assemblés comprenant moins de sous-composants voire une pièce unique. Par conséquent, les temps et coûts d’assemblage sont réduits et les éventuelles modifications de conception sont facilitées.

      En théorie, en consolidant la conception au moyen de la FA et en réduisant le besoin d’opérations d’assemblage (par soudure ou autre méthode), une conception n’est pas seulement simplifiée, mais aussi consolidée. Dans ce sens, la FA promet d’améliorer la fiabilité et la durabilité des composants d’avions et de l’industrie aérospatiale en général.

     

    • Parvenir à des composants plus légers pour réduire la consommation de carburant

      La fabrication additive permet indubitablement de réduire de poids des composants aéronautiques. La fabrication additive de géométries plus efficaces et de structures en maille topologiquement optimisées pour endurer les efforts mécaniques permet de se défaire d’une quantité significative de matériau superflu.

      Si l’on retirait ne serait-ce qu’un kilo à la masse de chaque appareil d’une flotte commerciale composée de 600 avions de ligne, on économiserait chaque année environ 90 000 litres de carburant et empêcherait l’émission de 230 tonnes de CO2 dans l’atmosphère. Cela réduirait les dépenses de carburant, qui, en 2013, représentaient près de 35% du des coûts d’exploitation d’American Airlines.

      Il est évident que le poids est un facteur clef pour les compagnies aériennes. En effet, la réduction du poids des appareils exerce un double impact sur l’industrie : comme l’avion consomme moins de carburant, il émet moins de CO2 et les coûts d’exploitation sont réduits. Ceci procure un avantage compétitif et permet de proposer des billets de vol moins chers aux passagers.

      Les véhicules spatiaux, quant à eux, exigent également des pièces à la conception très complexe afin d’optimiser un maximum les dimensions et la masse embarquée. Produites à très faible volume, elles sont traditionnellement extrêmement coûteuses et longues à produire.

 

  • Une fabrication de pièces de rechange à la demande et délocalisée

    Pour éviter que les avions ne soient immobilisés au sol, des stocks de pièces de rechange ont toujours été tenus. Si cette stratégie semble pertinente pour des pièces complexes, en faible volume, qui ne sont plus en production ou prévues dans des zones isolées, nombres de pièces de rechanges restent inutilisées et éventuellement, deviennent obsolètes.

    En plus de permettre une réduction des coûts en dispensant les fabricants de tenir un stock d’outillage de production, la fabrication additive permet également de réduire les coûts de stockage et d’obsolescence en permettant la fabrication de pièces de rechanges à la demande et directement là où elles sont désirées.

    En ce qui concerne les opérations spatiales, les retards et les coûts sont d’autant plus réduits lorsque la fabrication est délocalisable. Grâce à la fabrication additive, les pièces nécessaires ou les outils seront de plus en plus souvent produits directement dans la station spatiale plutôt qu’envoyés par fusée depuis la Terre.

 

  • Une consommation de matériau réduite pour plus d’économie

    Certains métaux sont indispensables dans les applications aéronautique et spatiales, tels que les alliages légers de titane (principalement de titane Ti6Al4V) ou les superalliages résistants à la chaleur (par exemple l'Inconel 718). Ceux-ci sont relativement coûteux et particulièrement difficiles et longs à mettre en forme.

    Selon la complexité de la géométrie souhaitée, la production traditionnelle (soustractive) peut prendre beaucoup de temps, entraîner une forte usure des outils de coupe et impliquer une grande quantité de pertes de matière. Un ratio « buy-to-fly » élevé implique des frais de matière et de recyclage importants.

    Bien que ces matériaux soient plus chers sous forme de poudre, la fabrication additive est à l’origine de beaucoup moins de pertes, ce qui, dans le cas de certaines pièces, présente un intérêt économique certain.

 

  • Les promesses d’une assurance qualité menée en parallèle de la fabrication des composants

    Exigeante en termes de performance et de fiabilité, l’industrie aérospatiale mène depuis longtemps un contrôle de la qualité en aval de la fabrication. Il s’agit d’une étape cruciale puisque toute production en série doit répondre à des normes pointues afin de satisfaire les rigoureuses spécifications et ainsi garantir la fiabilité escomptée. Par conséquent, le contrôle de la qualité minutieux et redondant peut impacter de manière significative les coûts et délais globaux.

    L'industrie aérospatiale est la plus grande source de demande pour des systèmes de fabrication additive (notamment métallique) de grade industriel. Bien que de nombreuses normes d'essais mécaniques restent applicables aux pièces produites par cette technologie, un véritable défi réside dans l'application de certaines procédures. Après assemblage, il est plus délicat de contrôler des formes complexes et cela devient très difficile, voire impossible, lorsque plusieurs pièces sont imbriquées et indémontables.

    Une des innovations les plus prometteuses dans les systèmes de fabrication additive métallique est la possibilité d’effectuer un contrôle qualité pendant le processus même de fabrication, en temps réel et en boucle d’asservissement.

    Contrôler les paramètres du système et de la fabrication pendant que la fabrication est en cours permet de réguler et d’optimiser ces mêmes conditions. Les propriétés mécaniques des composants issus de la fabrication additive métallique dépendent exclusivement de la métallurgie et de la géométrie. Une assurance qualité des paramètres métallurgiques menée pendant le processus d’élaboration promet de garantir une production de pièces dotées de propriétés mécaniques optimales et répétables, ce qui est essentiel pour l'industrie de l'aérospatiale.

    Cette possibilité promet, non seulement, de libérer le potentiel de la fabrication additive pour la production en série à destination de l’industrie aérospatiale mais également de réduire les coûts associés au contrôle de la qualité en aval, impactant le coût unitaire des composants ALM. Cette innovation va dans le sens du but ultime de la FA : diminuer le prix unitaire des pièces, indépendamment de leur complexité ou volume de production.

 

Spartacus3D comprend les avantages qui font de la fabrication additive une solution alternative naturelle et inévitable pour l’industrie aéronautique et spatiale. Cette technologie doit cependant encore progresser avant de pouvoir libérer son plein potentiel pour cette industrie exigeante.




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