Certains chiffres marquent un tournant. Avec plus de 40 000 injecteurs imprimés en 3D, destinés au réacteur Leap conçu avec Safran, General Electric Additive peut témoigner de l’importance prise par la fabrication additive dans l’aérospatial. Et l’exemple est loin d’être isolé : le Boeing 777X, qui effectuait en début d’année son premier vol long courrier, embarque dans ses moteurs près de 300 pièces imprimées, tandis qu’Airbus confie depuis 2019 au suisse Liebherr Aerospace l’impression en série des supports métalliques des trains d’atterrissage de son A 350 XWB. Le procédé gagne également les pièces de la cabine. Materialise, spécialiste de l’impression 3D polymères, produit depuis 2018 pour Airbus des panneaux intérieurs visibles par les passagers.
Selon le cabinet Market Research Future, le nombre d’entreprises de fabrication additive certifiées par l’aéronautique et le spatial a progressé de 23 % entre 2017 et 2018. Une croissance qui devrait rester supérieure à 20 % jusqu’en 2023. Des chiffres confirmés sur le terrain. « Nous sommes passés de quelques douzaines de pièces en 2017 à quelques centaines en 2018. Aujourd’hui, nous totalisons plus de 70 000 pièces produites en fabrication additive embarquées dans nos aéronefs pour un peu plus d’une centaine de références », indiquait Jérôme Rascol, le responsable de la fabrication additive d’Airbus lors de l’Aerospace Additive Manufacturing Summit, organisé fin 2019 à Toulouse.
« La liberté de design offerte par cette technologie est très séduisante pour l’aéronautique et le spatial, souligne Max Rigal, le dirigeant d’une société de conseil en fabrication additive et membre du pôle de compétitivité Aerospace Valley. Sur les pièces aérodynamiques, le procédé permet de se rapprocher des formes théoriques obtenues grâce à la simulation. »
1000 dollars le kilo gagné
Cependant, le gain de performance n’est pas le premier critère recherché lorsqu’il est question d’opter pour la fabrication additive. « La masse est la véritable bête noire du secteur », précise Max Rigal. L’allégement des appareils permet aux avionneurs de réduire la consommation de kérosène et les émissions de CO2. « Sur un avion, chaque kilo gagné correspond à une économie de 1 000 dollars en moyenne, estime Sylvain Belz, le responsable de la fabrication additive métal chez Dassault Aviation. Le moindre gramme est chassé par les constructeurs. »
Le passage à la fabrication 3D du support de train d’atterrissage de l’A 350 XWB a ainsi entraîné une réduction de poids de près de 29 %, tandis que l’injecteur du moteur Leap a subi une cure de minceur de 25 %. Les panneaux intérieurs de Materialise affichent, eux, une perte de masse de 15 %. « Chez Dassault, nous visons un allégement de 50 % sur certaines pièces », affirme Sylvain Belz.
Un objectif que l’on retrouve dans le spatial, où chaque kilo grappillé permet de réduire la consommation du carburant embarqué dans les lanceurs et d’augmenter leur charge utile, mais aussi de faire baisser la facture de mise en orbite des satellites. Konnect, le satellite fabriqué par Thales et lancé au début de l’année, embarquait 20 pièces imprimées par fusion sur lit poudre métallique (SLM), pour un gain de masse de 30 %.
Simulation numérique et optimisation topologique
Dans leur traque aux kilos, les ingénieurs s’appuient sur deux outils : la simulation numérique et l’optimisation topologique. Cette dernière utilise le calcul pour mieux répartir la quantité de matière sur la pièce en fonction des contraintes en vol. « C’est un outil précieux car il permet d’évaluer si une pièce peut être éligible à la fabrication additive, explique Max Rigal. Si le calcul met en évidence une marge d’amélioration, c’est que les procédés traditionnels ont peut-être atteint leurs limites sur cette pièce. » Cela justifie l’emploi de la fabrication additive malgré son coût encore élevé.
L’allégement peut aussi être obtenu en réduisant drastiquement le nombre de pièces requises dans un système et en éliminant les assemblages. Les résultats obtenus grâce à la fabrication additive sont impressionnants. L’injecteur du moteur Leap est passé de 20 pièces soudées à une seule, tandis que le satellite Konnect inclut dans son design de nombreux connecteurs qui étaient habituellement assemblés. ArianeGroup a produit en une seule pièce une tête d’injection hydrogène-oxygène liquides sur un générateur de gaz qui en comportait plus de 200. Un travail d’orfèvre, qui équipe le moteur Vulcain 2.1 de l’étage principal de la future fusée Ariane 6, dont le premier vol est prévu cette année.
Clé de voute des moteurs d'Arianespace
Pour le géant français du spatial, la fabrication additive est devenue la clé de voûte de la conception de ses moteurs, car les réductions de masse et de complexité de fabrication des pièces ont un impact direct sur les coûts de fabrication des lanceurs. Le nombre de pièces 3D incorporées dans les systèmes propulsifs augmente au fil des générations.
« Avec Ariane 5, nous aurons fait voler deux pièces imprimées en 3D. Avec Ariane 6, dix références prendront le chemin de l’espace. Avec Prometheus, notre lanceur prévu pour 2030, ce seront les deux tiers des pièces qui seront réalisées grâce à l’impression 3D, note Raphaël Salapète, le responsable R & D impression 3D chez ArianeGroup. Environ 50 % de la valeur des pièces de Prometheus sera apportée par la fabrication additive, c’est un véritable enjeu de compétitivité. »
Pour atteindre cet objectif, le groupe s’est appuyé sur le savoir-faire du normand Volum-e, dont il a qualifié la production, notamment pour l’impression d’une pièce baptisée croix de cardan, dont la PME a aussi réalisé l’optimisation topologique. De plus, ArianeGroup a équipé ses sites de Vernon (Eure) et d’Ottobrunn (Allemagne) de quatre machines de fusion laser SLM de l’allemand EOS pour produire des pièces en titane, en cuivre et en Inconel, et renforcé ses connaissances sur les procédés de fabrication additive.
Intégrer la fabrication additive au coeur de la production
« Les machines d’impression ne sont qu’un maillon de la chaîne de valeur, relève Raphaël Salapète. La fabrication additive nécessite une maîtrise de l’ensemble du process. Nous avons dû qualifier des outils de contrôle pendant la production, ainsi que des procédés de post-traitement chimique des pièces. Nous avons développé une expertise dans ce domaine que nous proposons à d’autres secteurs. »
Cette volonté d’intégrer l’impression 3D au cœur de la production, pour mieux l’exploiter, anime aussi les grands équipementiers de l’aéronautique et du spatial. Thales a ainsi inauguré en 2017, à Casablanca (Maroc), une usine pour la fabrication additive de type SLM, afin de couvrir toute la chaîne de valeur, de la conception au post-traitement en passant par la maîtrise des poudres et des outils de contrôle des pièces.
De son côté, Safran va créer un centre dédié à l’industrialisation de l’impression 3D au Haillan (Gironde). Le Safran Additive Manufacturing Campus, qui verra le jour en 2021 [lire l’entretien p. 24], comportera 50 imprimantes SLM. Enfin, Dassault Aviation mise sur son projet collaboratif Aeroprint, qui lancera à l’automne un atelier de production d’impression 3D sur son site d’Argonay (Haute-Savoie). Les pièces imprimées en 3D ont bel et bien trouvé la voie des airs.
Un contrôle à toutes les étapes
Indispensable à l’obtention de la certification par les agences de sécurité aérienne, le contrôle qualité des pièces imprimées en 3D peut virer au casse-tête. « Il faut évaluer la qualité du procédé dans son ensemble », indique Sylvain Belz, le responsable de la fabrication additive chez Dassault Aviation. « Nous devons nous assurer de sa parfaite répétabilité et des qualités de la pièce en surface et au cœur de la matière. » Pour garantir la robustesse de ses machines SLM, ArianeGroup a qualifié chacune d’elles et utilise des logiciels de simulation de la production comme Ansys et Dynardo. Ceux-ci permettent de prédire la qualité de la pièce en sortie de production. Chez Dassault Aviation, des éprouvettes de traction et des cubes de micrographie sont imprimés en même temps que la pièce pour évaluer la qualité de l’impression. Des procédés de contrôle non destructif sont employés en sortie de production. Les défauts de surface sont ainsi repérés grâce au ressuage et à la magnétoscopie, les inclusions au sein de la pièce grâce à la tomographie. Coûteux, ce procédé est surtout utilisé pour expertiser une pièce en cas de doute.
