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[Avis d'expert] La fabrication additive, atout innovation pour l'industrie aérospatiale

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[Avis d'expert] La fabrication additive, atout innovation pour l'industrie aérospatiale

© 3D Systems

La fabrication additive a pris ses marques dans l'industrie aérospatiale. Le procédé apporte une liberté de conception qui se traduit par de nouvelles fonctionnalités sur les pièces. Patrick Dunne, vice-président développement d'applications avancées chez 3D Systems, fait un tour d'horizon des atouts de l'impression 3D pour ce secteur de pointe, dans cette tribune exclusive.

Le respect des normes de protection de l'environnement étant de plus en plus important pour de nombreuses entreprises, les fabricants cherchent de nouveaux moyens d'augmenter leurs performances tout en réduisant la consommation d’énergie. 

L'industrie aérospatiale est à l'avant-garde, cherchant des possibilités d'innover avec de nouvelles conceptions qui au final contribuent à améliorer le rendement du carburant. Les technologies de fabrication additive renforcent les flux de fabrication, transformant ainsi la manière dont ces innovations sont produites. 

La fabrication additive est une technologie révolutionnaire qui change la façon dont de nombreuses entreprises conçoivent et produisent des produits et l'industrie aérospatiale est la première concernée. En tant qu'outil, la fabrication additive permet aux concepteurs et aux ingénieurs de créer des pièces qui ne peuvent pas être réalisées avec les méthodes formatives et soustractives traditionnelles. On dit parfois qu'avec les technologies additives, « la complexité est gratuite », permettant aux ingénieurs de concevoir des pièces intégrant davantage de fonctions.

En tant que technologie numérique, la fabrication additive permet également de bénéficier d'une meilleure efficacité grâce au fait qu'elle n'utilise pas d'outillage traditionnel. Les équipes de conception peuvent ainsi procéder à une itération rapide et obtenir un produit supérieur plus rapidement que ce qui aurait été possible avec les technologies précédentes.   

Dans l'aérospatiale, cet environnement de conception rapide et peu contraignant permet d'optimiser progressivement la conception. Sur le plan pratique, cela permet désormais aux entreprises aérospatiales de concevoir des plates-formes plus performantes, plus rapides et plus efficaces. Nous examinons ci-dessous certains des avantages importants que l'industrie aérospatiale peut tirer de l'adoption d'une approche de la conception pensée pour la fabrication additive. 

La réduction du nombre de pièces

Historiquement, la complexité, le coût, le délai de commercialisation ainsi que la fiabilité du système sont étroitement liés au nombre de sous-composants d'un assemblage. Moins il y a de pièces, moins il faut d'assemblages et, au final, moins il y a de points de défaillance.  

Si la réduction du nombre de pièces en tant que philosophie de conception n'est pas nouvelle, ni même exclusive à la fabrication additive, cette dernière permet aux ingénieurs de la porter à un tout autre niveau. 

Un exemple concret est celui d'un composant métallique direct traditionnellement fabriqué à partir de 12 moulages et tubes séparés, tous soudés en une seule pièce. En plus de la main-d'œuvre d'assemblage, des outils, des dispositifs de fixation et de montage (et d'une chaîne d'approvisionnement complexe à plusieurs fournisseurs), ce composant exigeait une étape de contrôle de qualité durant laquelle près de 10 mètres de lignes de soudure devaient être minutieusement inspectés par tomodensitométrie pour détecter les défauts.

Lorsque la fabrication additive a été appliquée, les 12 pièces n'en formaient plus qu'une – et les dispositifs de fixation et montage, l'assemblage et le lent contrôle qualité des lignes de soudure sont devenus inutiles. 

La pièce produite était plus légère, présentait moins de points de défaillance, était plus rentable et plus efficace à l'achat et à la production, et offrait de meilleures performances.   


Le pot d'échappement traditionnellement fabriqué à partir de plusieurs composants peut être conçu et produit plus efficacement en tant que pièce unique pour la fabrication d'additifs. La pièce produite en fabrication additive ne nécessite pas d'outillage, ne nécessite pas d'assemblage et d'inspection conjointe, comporte moins de points de défaillance, est plus légère et offre de meilleures performances.
 

Le transfert thermique

Le rendement énergétique des moteurs à réaction dépend de plusieurs facteurs. L'un de ces facteurs est la température du système. En général, plus le système peut être utilisé à une température élevée, moins il consomme de carburant. Une augmentation de 100 à 200?°C de la température peut représenter une augmentation de 1 à 2 % du rendement. 

Ce chiffre peut paraître faible mais il peut se traduire par des centaines de millions de dollars d'économies de carburant pour une compagnie aérienne si l'on considère les milliers de moteurs qui volent pendant de longues périodes. La fabrication additive permet aux ingénieurs d'intégrer la conception de structures de refroidissement original et conforme dans des sous-composants qui permettent aux pièces de maintenir leur intégrité fonctionnelle et structurelle à ces températures élevées. 

Des principes similaires de transfert thermique existent dans les systèmes de combustion des fusées, dans lesquels la température détermine la pression. Ce facteur détermine quant à lui les performances ainsi que le taux d'usure et de déchirure/ablation, et favorise par là-même une tendance à la réutilisation des systèmes.


La buse hypersonique produite à l'aide de la fabrication d'additifs maintient l'intégrité fonctionnelle et structurelle à des températures élevées.

La réduction du poids

La fabrication additive présente d'énormes avantages potentiels en termes d'efficacité des engins spatiaux et des satellites. L'allègement des pièces utilisées en vol permet toujours d'améliorer le rendement énergétique et les performances. Cependant, nulle part ailleurs cette amélioration n'est aussi bien exploitée que dans les systèmes spatiaux. 

L'optimisation structurelle basée sur la conception, qu'elle soit manuelle ou automatique, permet de modifier progressivement les rapports résistance/poids. Parmi les exemples récents, citons les supports Thales pour antenne satellite. En utilisant des algorithmes structurels avancés, Thales a pu générer une conception de support qui, réalisée en impression directe sur titane, était 25 % plus légère – tout en conservant les performances d'un support fabriqué de manière traditionnelle.  D'autres possibilités d'optimisation ont été identifiées dans le cadre de l'évolution vers des structures tubulaires, comme c'est le cas des cadres de bicyclettes.
 

Une percée pour l'économie d'énergie  

Si l'on combine transfert thermique, consolidation des composants et allègement, il apparaît évident que la fabrication additive a un rôle important à jouer dans l'amélioration de la consommation d'énergie du marché aérospatial. Elle présente aussi d'autres avantages tels qu'une recherche et un développement plus rentables, un délai plus court jusqu'à l'obtention de la première pièce et la possibilité de créer des pièces sur mesure, ce qui favorise l'innovation. 

Alors que l'adoption de la fabrication additive dans l'industrie aérospatiale continue de s'accélérer, le nombre de fabricants qui impriment en 3D des pièces d'utilisation finale en plastique et en métal augmentera lui aussi. La fabrication additive transforme la façon dont les leaders de l'industrie créent de nouveaux produits plus performants et moins gourmands en énergie, tout en leur permettant d'avoir une longueur d'avance sur leurs concurrents.

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