Quel est l'apport de l'impression 3D à l'industrie aérospatiale ?

L'industrie aérospatiale est un environnement très exigeant. Elle exige des éléments impeccables qui vont pouvoir résister à une usure continue, ainsi qu'à des conditions de haute pression et de haute température. L'innovation et la recherche sont constantes pour s'assurer que les composants sont solides, résistants mais aussi légers, afin d'améliorer les performances des avions, de faciliter les travaux de maintenance et de rendre les employés plus productifs. Cette qualité et cette fiabilité indispensables doivent être conciliées avec les horaires et les réservations des vols commerciaux, ainsi qu'avec l'urgence et la disponibilité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 des avions militaires. Si quelque chose ne va pas dans la chaîne de production et de logistique, la disponibilité, la qualité et même la sécurité des vols commerciaux et militaires peuvent être compromises.

L'évolution de l'AM dans l'industrie aérospatiale

C'est là que la fabrication additive entre en scène. Aux premiers stades de l'évolution de l'impression 3D, il s'agissait d'une méthode de fabrication extrêmement innovante mais assez limitée. Les imprimantes 3D représentaient un investissement coûteux, elles étaient lentes et trop petites pour avoir des applications industrielles à grande échelle. De plus, le marché des matériaux était très limité, en particulier pour les matériaux techniques d'ingénierie, et les fabricants d'imprimantes 3D ne permettaient très souvent que l'utilisation de leurs propres matériaux avec leurs imprimantes (ournisseurs lock-in). Cette époque de l'impression 3D est révolue depuis longtemps.

Aujourd'hui, la fabrication additive est une industrie pleinement développée, dotée d'une flexibilité exceptionnelle en matière de conception et de compatibilité matériau-imprimante, de logiciels spécialisés qui permettent une conception et une rétroconception précises, d'un large choix de matériaux très avancés pour les utilisations les plus spécifiques, d'imprimantes 3D de grande taille avec de grandes surfaces de construction et de la capacité de produire des pièces légères qui ne présentent aucun inconvénient par rapport à leurs homologues CNC.

Vidéo 1. Airbus utilise des solutions AM dans sa chaîne de production. Source : Airbus.

L'industrie aérospatiale s'efforce de trouver des pièces légères qui peuvent être aussi performantes que les composants en aluminium fabriqués traditionnellement. La réduction du poids (allègement) permet aux avions de voler plus vite, plus loin et en consommant moins de carburant. Chaque réduction de poids de 500 kg se traduit par une diminution d'environ 1 % de la consommation de carburant, ce qui signifie également une réduction des émissions de dioxyde de carbone.

Les apports de l'AM dans l'aérospatiale

Toute idée d'innovation dans l'industrie aérospatiale doit passer par un processus d'évaluation très méticuleux pour vérifier si le nouveau matériau ou la nouvelle technologie répond aux nombreuses et exigeantes réglementations de la FAA en matière de sécurité des vols et des avions, qu'il s'agisse d'avions commerciaux ou militaires. De nombreux avions obsolètes ont des composants fabriqués à l'aide de matériaux qui se sont avérés toxiques et doivent être remplacés, ou de matériaux qui ne sont tout simplement plus fabriqués et doivent être recréés.

Les entreprises de fabrication additive proposent une large gamme de filaments qui sont certifiés par la FAA en raison de leur grande résistance à la traction et de leur résistance chimique et thermique, mais sans effets secondaires nocifs. Il s'agit par exemple de filaments de la famille PAEK, tels que le filament Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK ou Essentium PEKK. Ces filaments peuvent être utilisés pour des applications en vol. Le filament PEI ULTEM a été utilisé pour imprimer en 3D des pièces pour des systèmes d'éclairage, des interrupteurs électriques, des boîtiers et des douilles d'ampoules.

Image 1. Conduit de contrôle de l'environnement utilisé dans un véhicule de lancement spatial. Imprimé avec le filament Essentium ULTEM 9085. Source : Essentium.

Le filament PEEK a été utilisé dans l'industrie aérospatiale pour remplacer des pièces de moteur, des roulements et des valves en aluminium, ainsi que des conduits légers pour isoler et protéger les câbles optiques et les systèmes électriques à l'intérieur d'un avion.

Maintenance interne flexible et immédiate

Le rôle de l'impression 3D dans l'aérospatiale a dépassé le stade du simple prototypage, bien que l'AM soit toujours utilisé à cette fin. Compte tenu de l'échelle et du coût de la fabrication dans l'industrie aérospatiale, les méthodes traditionnelles de prototypage par moulage par injection et usinage CNC sont gourmandes en temps et en ressources. L'impression 3D d'un prototype d'un avion ou de sa pièce réduit considérablement le coût de production et d'ajustement des prototypes, les déchets de matériaux et les retards, et permet la production de structures bien plus complexes que la CNC.

Image 2. Un prototype d'avion imprimé en 3D. Source : Essentium.

Outre la fabrication de composants pour les satellites (antennes pour engins spatiaux), les drones et les avions sans pilote (pales de rotor et pièces de moteur), les applications AM les plus courantes dans l'industrie aérospatiale concernent la production de pièces terrestres et de composants en vol non critiques et non porteurs.

Les avions étant un investissement assez coûteux, les vieux appareils servent souvent bien plus longtemps qu'ils ne le devraient. La fabrication additive est la technologie parfaite pour les petites tâches de maintenance. Il s'agit d'imprimer en 3D les composants non essentiels manquants ou endommagés de l'intérieur de l'avion, tels que les porte-gobelets, les plateaux, les couvercles de toilettes, les conduits d'air, les tableaux de bord, etc. Grâce à l'AM, il est possible de recréer un élément même si les plans sont manquants, par le biais de la rétro-ingénierie - en scannant la pièce, en la traitant dans un logiciel de conception, puis en l'imprimant en 3D.

Image 3. Turbines imprimées en 3D. Source : Essentium.

Il en va de même pour toutes sortes d'outils, de gabarits et de montages. À cet égard, l'innovation par l'impression 3D est beaucoup plus facile à mettre en œuvre, car les équipements de soutien au sol ne sont pas soumis à un examen aussi minutieux par la FAA que les pièces aéronautiques. Même si l'outil d'origine n'est plus fabriqué, il peut être imprimé en 3D à partir de plans ou en adaptant la conception de l'outil en fonction de la vis ou des éléments qu'il est censé fixer. Avec la fabrication soustractive traditionnelle, ce processus prendrait beaucoup plus de temps et de matériaux. Pour rendre les outils, gabarits et montages légers mais efficaces, on peut utiliser des matériaux renforcés de fibres de carbone, de fibres de verre ou de métal. Il en résultera des pièces jusqu'à 50 % plus légères que l'aluminium, mais présentant une excellente solidité et résistance à la température. Parmi les filaments qui conviennent le mieux à cette fin, citons le filament Essentium HTN CF25, le filament PA CF ou le filament ABS MG94. Outre la solidité, la résistance et la légèreté, un filament destiné à l'industrie aérospatiale doit présenter d'autres caractéristiques telles que l'ignifugation et la sécurité ESD. Les ateliers de production et les zones de maintenance sont des espaces où règnent des températures élevées, des matières potentiellement explosives et de l'électricité statique - une combinaison très dangereuse pour les équipements et les employés. Le filament Essentium TPU 90A FR possède des propriétés ignifuges, ce qui minimise considérablement le risque d'incendie et sa propagation. Il est donc parfait pour les outils, les gabarits et les montages utilisés dans le hangar ou autour de l'avion. 

Image 4. Une pièce de sécurité réalisée avec l'Essentium TPU 58D-AS. Source : Essentium.

L'Essentium TPU 58D-AS, quant à lui, est un filament conçu spécialement pour l'industrie aérospatiale, pour la fabrication de pièces qui sont censées être retirées avant le vol (d'où la couleur rouge pour attirer l'attention). Le TPU 58D-AS réduit le risque de décharge électrostatique, qui représente un danger pour l'homme et pour les composants électroniques, qui sont extrêmement importants pour le bon fonctionnement des systèmes de navigation d'un avion, entre autres fonctions. 

Surmonter les limitations logistiques

Dans les industries aérospatiales commerciales et militaires, il est extrêmement important de maintenir les avions dans un état sûr et prêt pour le vol et la mission, plus important encore que l'innovation constante. Si la fabrication additive a tant d'applications dans ces industries, c'est précisément parce qu'elle permet aux transporteurs de passagers, aux sociétés de messagerie et aux armées d'avoir plus d'indépendance et de flexibilité dans la maintenance de leurs avions.

La pandémie de Covid-19 a changé le monde à bien des égards. L'industrie aérospatiale n'a pas fait exception, puisque de nombreuses chaînes d'approvisionnement ont été soudainement mises en pause pendant des périodes imprévues. Cela a bloqué les opérations de production, de maintenance et de livraison en raison de la dépendance à l'égard des entrepreneurs et des sociétés de livraison, conséquence d'un modèle de fabrication traditionnel. De nombreuses compagnies aériennes commerciales ont subi de lourdes pertes financières en raison de l'annulation de vols, ce qui les a obligées à chercher de nouveaux moyens de réduire les coûts. La fabrication additive peut être la réponse à cette question.

Avec une fabrication traditionnelle, telle que la CNC, la production d'un composant résistant aux décharges électrostatiques, d'un composant résistant à la corrosion et d'un composant résistant aux hautes températures nécessiterait très probablement le recours aux services coûteux de trois entrepreneurs différents, des temps d'attente variés et longs (dépendant également du fournisseur de l'entrepreneur), et une livraison compliquée ou impossible dans le cas d'avions militaires stationnés à l'étranger.

Image 5. Un exemple de fabrication itérative. Source : Essentium.

Un autre problème est que les outils uniques ou les pièces de rechange en série limitée sont omniprésents dans l'industrie aérospatiale. Recourir au moulage par injection ou à l'usinage CNC pour fabriquer un outil unique destiné à un usage unique impliquerait des coûts inutiles et des délais d'attente inutilement longs. Tout cela peut être résolu avec l'impression 3D, puisqu'une seule imprimante 3D peut être utilisée sur place pour produire toutes ces pièces avec différents filaments techniques avancés, à un coût bien moindre et avec un risque de retard plus faible. Cette méthode de fabrication élimine également la nécessité de stocker des pièces de rechange dans le monde entier pour effectuer des tâches de maintenance, puisque toute pièce nécessaire peut être imprimée en 3D n'importe où, à tout moment et sur demande. Toutes ces petites améliorations conduisent à une simplification globale et à un raccourcissement de la chaîne d'approvisionnement et de production dans l'aérospatiale, ce qui réduit les coûts et équilibre l'empreinte carbone des avions.

Exemples concrets

La société Axle Box est un excellent exemple d'application des technologies de AM dans un contexte aérospatial réel. Elle a développé une plateforme de drone pour SkyFire, pour ses clients du secteur forestier et de la protection contre les incendies. Ces éléments devaient être capables de résister aux conditions d'une opération aérienne de lutte contre les incendies à grande échelle - feu, eau et vent. Les pièces ont été produites au coût le plus bas et avec les délais les plus rapides par rapport à la concurrence. Le corps central d'un drone a été imprimé en 3D avec le filament Essentium HTN CF25 et les couvertures latérales avec le filament PA CF. Les deux matériaux ont obtenu des résultats supérieurs aux attentes lors des essais en vol, démontrant de grandes propriétés mécaniques et une vitesse élevée.

Vidéo 2. Une pièce imprimée en 3D pour une plateforme d'atterrissage de drone par Axle Box. Source : Essentium.

Une défaillance très courante dans les avions est une défaillance hydraulique, principalement due au poids de l'avion et aux contraintes qu'il subit pendant un vol. Le processus de réparation d'une défaillance hydraulique était autrefois très exigeant en termes de temps et de main-d'œuvre, car il fallait plusieurs techniciens pour accéder à la source du dysfonctionnement et maintenir le remplacement en place pendant l'installation. Ces pannes hydrauliques étaient si fréquentes et si coûteuses à réparer qu'un grand constructeur aérospatial a décidé d'imprimer en 3D un support qui maintiendrait la pièce de rechange en place, sans qu'il soit nécessaire de faire appel à de la main-d'œuvre supplémentaire.

L'introduction de la fabrication additive dans l'aérospatiale a été un développement révolutionnaire pour l'AM et l'industrie aérospatiale. Il s'agit d'un défi passionnant et transformateur pour le monde de l'impression 3D, en raison du nombre de matériaux spécialisés aux propriétés avancées qui sont requis dans l'industrie aérospatiale. Et pour l'industrie aérospatiale, il s'agit d'une étape majeure vers une plus grande flexibilité de conception, une réduction des coûts et une indépendance logistique, grâce à la vitesse, à l'échelle et aux possibilités d'itération impressionnantes qu'offre l'impression 3D.