Printemps 2020. À quatorze reprises, entre le 26 mai et le 2 juin, une chambre de combustion est testée sur le banc d’essai P8 de l’agence aérospatiale allemande (DLR), à Lampoldshausen. Fixée à un enchevêtrement de tuyaux givrés, cette pièce critique est vouée à intégrer les moteurs à ergol liquide [des carburants, ndlr] de nouvelle génération développés par ArianeGroup. Entièrement imprimé en 3D, l’équipement passe les tests avec succès. Et confirme l’intérêt du secteur spatial pour cette technique de fabrication « parfaitement adaptée à notre activité », selon Hervé Gilibert. « Nous fabriquons de petites séries et nous cherchons des pièces les plus optimisées possible », précise le directeur technique d’ArianeGroup. De quoi contourner le défaut majeur de la fabrication additive, ses faibles cadences de production, et exploiter sa principale qualité, la liberté de conception.
ArianeGroup « Le spatial est l’un des premiers secteurs à avoir adopté cette technologie, il y a plus de dix ans », rappelle Florence Montredon, la responsable du développement des technologies de fabrication additive chez Thales Alenia Space. Plus d’un millier de pièces imprimées par des industriels français sont désormais en orbite, chiffre Simon Vandevelde, le coordinateur de la fabrication additive au Centre national d’études spatiales (Cnes), à Toulouse, et nombre de lanceurs en sont équipés. Pourtant, « une pièce est souvent plus chère lorsqu’elle est imprimée », observe-t-il. Pour rentabiliser ce surcoût, l’industrie mise sur des gains de masse, d’assemblage et de performances.
Fonctionnalisation des pièces
« Ce n’est pas la technologie seule qui apporte ces gains, mais les méthodes numériques de conception et d’optimisation qui lui sont associées », pointe Florence Montredon, qui rappelle « le souci de légèreté » du spatial. Avec l’additif, « il est facile de gagner 25 à 30 % sur la masse d’une pièce élémentaire de satellite », estime-t-elle. Thales Alenia Space s’intéresse d’abord aux pièces structurelles secondaires de ses satellites, comme les supports d’équipement, avant de se tourner vers certaines pièces fonctionnelles, comme les guides d’ondes. « Leurs géométries très complexes se prêtent bien à la fabrication additive, permettant de gagner en poids et en délais de fabrication », poursuit Florence Montredon. Mais « le vrai bénéfice de l’impression 3D réside dans la fonctionnalisation des pièces », invoque Christophe Figus, le responsable avant-projets et robotique d’Airbus Defence ans Space. L’entreprise « invente de nouvelles solutions, tant par la géométrie que la combinaison des matériaux, qui regroupent plusieurs fonctions dans une même structure pour arriver à un niveau de performances supérieur », relate-t-il. En apportant des caractéristiques électriques, thermiques ou radio à certains matériaux, il est possible d’ajouter des propriétés mécaniques aux propriétés fonctionnelles d’une pièce. « Plus personne ne fabrique de guide d’ondes autrement qu’en additif : si vous ne le combinez pas à une propriété structurelle, vous n’êtes pas dans le marché », assure le responsable.
Dans la fabrication d’un satellite, le gain de masse apporté par la fabrication additive reste limité : de 3 % en 2021, il devrait monter à environ 10 % après 2025, selon une étude d’Euroconsult. Pour les lanceurs, ces gains pourraient atteindre 30 %. Ainsi, le moteur de dernière génération Prometheus comporte déjà 70 % de pièces imprimées en 3D, pour un coût de fabrication divisé par plus de cinq. «Nous pourrons imprimer la totalité des pièces quand les machines auront la taille suffisante, dans deux à trois ans », anticipe Hervé Gilibert. Dans le moteur Vinci d’Ariane 6, la technologie permet de remplacer les bombonnes d’hélium utilisées pour pressuriser les réservoirs par des systèmes plus légers. « Grâce à un enchevêtrement de canalisations, les réservoirs peuvent être pressurisés avec leurs propres carburants, détaille-t-il. Ce système, que l’on ne sait pas fabriquer autrement, permet de gagner des centaines de kilos. »
Aux gains de performance s’ajoute une transformation majeure des procédés de fabrication. Le réservoir des lanceurs Ariane en est l’exemple : un tube de 5,4 mètres de diamètre et 20 mètres de hauteur, composé de plaques roulées en cylindre. « Actuellement, nous partons de plaques de plusieurs centimètres d’épaisseur, dont nous usinons 95 % de la surface afin d’obtenir une épaisseur de 2 millimètres et de conserver quelques bossages pour fixer des capteurs », indique Hervé Gilibert. D’ici à quelques années, l’intégration d’un procédé d’impression 3D par dépôt direct d’énergie permettra « d’acheter une plaque fine et d’y ajouter les bossages là où ils sont nécessaires », anticipe-t-il. De quoi réaliser des économies de matière, d’énergie et de temps.
Normalisation des procédés
Preuve que son adoption reste récente, la fabrication additive ne disposait pas de norme européenne jusqu’à… la fin de l’année 2021. «La normalisation permet aux donneurs d’ordres de s’assurer que leurs sous-traitants ont le savoir-faire suffisant pour fabriquer des pièces robustes», remarque Laurent Pambaguian, ingénieur matériaux à l’Agence spatiale européenne (ESA), qui a participé à la rédaction du document pendant trois ans. Limitée aux procédés d’impression métallique sur lit de poudre – les plus utilisés –, cette norme devrait en appeler de nouvelles, spécifiques à d’autres procédés. Si elle facilite les relations entre donneurs d’ordres et sous-traitants, les premiers avaient déjà formalisé des normes internes de qualification et les seconds, pour certains, s’étaient également déjà positionnés sur le marché. Lisi Aerospace a créé dès 2015 sa filiale Additive Manufacturing, avec pour premier client Thales Alenia Space.
La même année, le fabricant normand de pièces Volum-e qualifiait sa première imprimante 3D aux standards d’ArianeGroup. « Nous avons fait voler notre première pièce imprimée – une croix de cardan – sur Ariane 5 en 2016, raconte Arthur Lallez, le responsable commercial pour l’aéronautique, le spatial et la défense. Nous étions les premiers en Europe à fabriquer une pièce de vol sur un moteur. » Désormais, le spatial représente 35 % du chiffre d’affaires de l’entreprise.
Volum-e Certifié en 9100, le spécialiste de la fabrication additive métallique Volum-e fournit notamment ArianeGroup, Safran et Thales - Photo Volum-e
« Ce marché en croissance offre des perspectives », abonde Christophe Sarrazin, le directeur général de Lisi Additive Manufacturing, qui a investi plus de 1 million d’euros fin 2021 dans une seconde imprimante métallique de grandes dimensions.
Des machines qui s’adaptent aux besoins
« Les machines sont de plus en plus robustes, car les fabricants ont essayé de répondre aux spécifications du spatial », analyse Éric Bostert, le responsable R & D de Volum-e. En lien avec les fournisseurs de machines, les industriels affinent leur maîtrise des procédés et tirent parti des retours du terrain. Un travail parfois facilité par les centres techniques, à l’image de celui des industries mécaniques (Cetim), qui rassemble des industriels de différents secteurs afin « d’évaluer la technologie selon leurs besoins », explique Pierre Auguste. Cet ingénieur R & D du Cetim Val-de-Loire travaille sur un nouveau procédé d’impression, qui repose sur l’ajout de matière par friction-malaxage. « Cette technologie ne fait pas fondre la matière, ce qui permet de mettre en œuvre des matériaux supportant mal la fusion, comme certains alliages d’aluminium prisés par le spatial », explique-t-il. Lancé à l’été 2021, ce projet d’une durée d’un an pourrait être prolongé par l’achat, avec les partenaires industriels, d’une machine « pour approfondir l’évaluation ».
« Le Cnes, l’ESA, la Direction générale de l’armement, l’Union européenne… Tout le monde suscite des projets de R & D, souvent menés avec des partenaires académiques », pointe Florence Montredon, de Thales Alenia Space. Les projets visent pêle-mêle l’exploration de nouveaux matériaux, la fonctionnalisation et les gains de productivité. « Les constellations peuvent nous amener à fabriquer 300 satellites identiques, ce qui est très différent que d’en faire un unique », rappelle la responsable. Menés tambour battant, ces projets de recherche, de développement et d’industrialisation des procédés additifs demandent des investissements. Que le secteur ne refuse pas. « Nous avons investi une vingtaine de millions d’euros sur le sujet depuis 2014, évalue Hervé Gilibert, d’ArianeGroup. À cela s’ajoute les investissements de nos partenaires industriels, des agences spatiales et de différents organismes publics de soutien à la R & T… » En tirant l’ensemble de la technologie vers le haut – tant au niveau du design, des matériaux que des procédés – les bénéfices de ces investissements rayonnent, au-delà du spatial.
Vous lisez un article du magazine 3705 d'avril 2022
