« Passer de moins de 1 % de pièces produites en fabrication additive (FA) métallique à 25 % dans les décennies à venir sur certains de nos moteurs. » Voici l’ambition formulée en 2022 par Olivier Andriès, le directeur général de Safran, lors de l’inauguration du Safran additive manufacturing campus (SAMC). Deux ans plus tard, ce site de 12 500 m², niché au Haillan (Gironde), met en vol, dans des avions militaires et civils, des centaines de composants à des degrés de criticité variables.
Tout commence par la réception de la poudre et sa distribution via un couloir d’une vingtaine de mètres. Celui-ci est directement relié aux 25 imprimantes de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), dont onze sont affectées à la production industrielle et une dizaine à la R&D. « L’espace consacré à la FA proprement dite est séparé de celui dédié aux traitements post-impression pour éviter l’inhalation d’une dose importante de particules fines », pointe François-Xavier Foubert, le directeur général du SAMC. Ce qui requiert la mise en place d’enceintes de confinement pour limiter la dispersion de la poudre et le port d’équipements de protection individuelle.
Dans ce couloir, trois enceintes cloisonnées sont dédiées à l’impression de nickel, de titane et d’aluminium. À travers les vitres de chaque espace, le directeur général désigne des conteneurs de 500 kg qui alimentent en poudres des imprimantes de différentes tailles. Celles-ci vont des anciens modèles avec plateau d’impression de 300 x 300 mm aux plus récents, automatisés, et équipés d’un plateau de 600 x 600 mm et de 12 lasers. Dans ces machines, les lasers fusionnent les grains d’alliage pour créer de fines couches de matière qui se superposent les unes aux autres, formant des pièces aux géométries complexes. « Dès que l’impression est terminée, le module s’ouvre. On récupère le plateau pour effectuer une étape de dépoudrage », détaille-t-il. Les pièces sont nettoyées puis transférées via le passe-plat, assurant ainsi la transition sécurisée avec la post-impression.
La prochaine génération de moteur Rise, prévue pour 2035, intégrera la fabrication additive métallique de façon significative, à condition que la technologie soit plus robuste.
— François-Xavier Foubert, le directeur général du SAMC
Une grande partie de la valeur ajoutée réside dans les opérations de finition. D’où l’importance d’avoir réuni en un même lieu toutes les étapes, de la conception au contrôle qualité en passant par la caractérisation des matériaux, la fabrication et le traitement post-impression. À leur sortie, les pièces passent par un four de traitement thermique puis un système de découpe par électroérosion (EDM). Le traitement de surface par électrochimie vient ensuite polir la pièce avant l’assemblage.
Une pièce emblématique
Au pied de la salle dédiée au nickel, trône le fameux support de palier 5, encore fixé à son plateau d’impression. Ce composant est un élément clé du turboréacteur M88 du Rafale de Dassault. Son rôle est crucial puisqu’il soutient et guide l’arbre de turbine, tout en réduisant les vibrations et en transmettant efficacement les charges mécaniques. Mesurant 381 mm, cet élément, classé au rang 2 de criticité, est habituellement réalisé en usine. « Après avoir démontré notre capacité à produire une pièce équivalente à celle de la fonderie, on ambitionne de se rapprocher d’une soixantaine cette année », révèle François-Xavier Foubert.
Pour la mettre en œuvre, les équipes du centre ont travaillé sur le support de soutien de cette structure pour éviter un effondrement local durant la fabrication. Les supportages prennent la forme de treillis, indispensables non seulement pour façonner les conduits, les orifices et les cônes, mais aussi pour stabiliser la pièce inclinée pendant son impression. « En plus d’éviter sa déformation sous les contraintes mécaniques, ils ont une fonction thermique, en dissipant la chaleur générée lors de l’impression, empêchant toute déformation des couches ». Sa production s’étale pendant trois à quatre mois. « L’impression dure près d’une semaine, mais elle nécessite des étapes supplémentaires telles que la découpe, le retrait de la matière non fonctionnelle, les contrôles et les finitions », ajoute le directeur général.
À quelques mètres de là, entre le four de traitement thermique et les bains d’EDM, plusieurs pièces attendent d’être traitées. Parmi elles, des centaines d’inserts destinés au distributeur haute pression du moteur d’hélicoptère Arriel. D’autres composants plus confidentiels feront l’objet de démonstrations pour le futur moteur Rise, dont la campagne d’essai a commencé en janvier dans la soufflerie S1MA de l’Onera, à Modane (Savoie).
« Actuellement, dans le secteur civil, nous ne disposons que de trois pièces en FA métallique, de faible criticité, présentes dans le moteur Leap », explique le directeur général. Toutefois, la prochaine génération de moteur Rise, prévue pour 2035, « intégrera la FA métallique de façon significative, à condition que la technologie soit plus robuste ».
En quête d’amélioration de la productivité, tant pour les pièces dédiées à un usage civil que pour celles visant la défense, le SAMC collabore avec les fabricants de poudres pour concevoir des alliages métalliques plus adaptés au frittage par laser. La démarche va de pair avec le travail sur le laser pour réaliser du « beam shaping » (modelage de faisceaux). « Les avancées en matière de puissance des lasers permettent de fondre davantage de matière, mais entraînent une perte de précision », pointe François-Xavier Foubert. Le centre développe ainsi des lentilles déformables pour adapter le faisceau laser en fonction des zones imprimées pour gagner en productivité et précision.
Plus d’une vingtaine de lasers
Le SAMC explore aussi l’impression des grands composants en suivant de près les récents progrès des machines L-PBF, dont certaines, dotées de plus d’une vingtaine de lasers, fabriquent des pièces de dimension supérieure au mètre. « Elles seront adaptées aux structures de moteur d’avion comme les carters de turbine, où il y a des enjeux de précision avec des circuits intégrés ». Dans ce même centre, une autre technologie de FA est testée avec l’institut Maupertuis : l’apport de fil fondu par faisceau laser (WLAM). Relevant de la famille du dépôt sous énergie concentrée (DED), celle-ci permettrait la production d’ébauches telles que des trains d’atterrissage. Prometteuse, elle n’est cependant pas encore mature pour Safran (TRL 4). Le SAMC compte sur tous ces développements pour assurer la montée en charge anticipée, en passant d’un volume transformé de 1,5 à 5 millions de cm3 entre 2023 et 2025.
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Alchimies et Amfree donnent accès au XXL
Rapide et modulaire, l’imprimante 3D Evolution a été conçue en 2023 par Alchimies et Bosch Rexroth pour offrir un volume d’impression de 8 m3 (soit 2 x 2 x 2 m) et plus. La machine utilise le dépôt de fil fondu (FDM) pour produire des pièces en plastiques thermodurcissables, avec un débit de 100 kg de matière par jour.
Si ses premières machines opèrent par extrusion de polyéthylène téréphtalate glycolisé (PETG), sous forme de filament, Alchimies envisage désormais d’étendre les applications à l’impression métallique. « Nous voulons concevoir des machines capables d’imprimer des composants d’aviation de plusieurs mètres de longueur », revendique Alain Skiba, son président. L’entreprise doit ainsi adapter ses machines pour permettre l’extrusion métallique en incorporant une tête de soudure. L’autre développement en cours concerne l’évolution de la tête d’impression.
Alchimies envisage d’introduire jusqu’à une dizaine de buses capables de fonctionner soit de manière synchronisée, soit indépendamment, pour réaliser des structures différentes au sein de la pièce. Des progrès qui faciliteraient la conception et la fabrication d’une aile d’avion avec « une dizaine de têtes d’extrusion travaillant de concert sur une même structure », ajoute-t-il. Une perspective qui suscite déjà l’intérêt des acteurs de l’industrie aéronautique.
De son côté, Amfree veut démocratiser la fabrication additive métallique XXL. La spin-off de l’Irepa Laser, lancée en 2023, utilise la technologie brevetée de DED (dépôt sous énergie concentrée) à Clad-w (laser-fil) pour offrir aux industriels des machines pour une production personnalisée. Ce procédé innovant repose sur l’injection et la fusion instantanée de multiples fils métalliques à l’aide d’un seul faisceau laser et est « 20 fois plus rapide que les technologies présentes sur le marché », avance son fondateur, Nicolas Villedary. Il fabrique à une vitesse d’environ 1 000 cm3/h, avec une machine hyperproductive dépassant les 10 kg d’acier par heure.
Pour ce faire, la cellule comporte deux bras robotiques d’un rayon d’action de 3 m. Si l’un se concentre sur l’impression 3D, l’autre est destiné à la partie contrôle et usinage du produit. Amfree peut ainsi fabriquer des pièces de plus de 2,5 m. La plus grande réalisée à ce jour sur sa ligne pilote est un moule de rotomoulage de 2,6 m de hauteur, de 2 m de diamètre, et d’une épaisseur moyenne de 6 mm. Côté matériaux, elle travaille avec des aciers inoxydables et des alliages de nickel et, bientôt, d’aluminium et de titane.
La start-up prépare une levée de fonds pour finaliser la phase de démonstration technico-économique et commencer, d’ici à la fin de l’année, la commercialisation de sa solution, incluant la machine et une option de scan 3D pour le contrôle qualité. En ligne de mire, la vente d’une dizaine d’unités d’ici à 2026, en ciblant les secteurs de la défense et de l’aérospatial.
