Révolutionner l'aérospatiale : Comment la fabrication additive améliore les performances et l'efficacité

Dès les premiers jours de la fabrication additive, les fournisseurs de matériel et de matériaux d'impression 3D ont identifié l'industrie aérospatiale comme une cible majeure pour leurs produits. Les aéronefs, systèmes hautement complexes comptant une multitude de pièces, bénéficient grandement des avancées de pointe en outils de production et matériaux, notamment ceux capables de réduire le poids ou d'augmenter la résistance des composants. Certains procédés d'impression 3D prétendent faire les deux.

Malheureusement, cela ne signifie pas que l'aérospatiale a adopté la fabrication additive plus rapidement que d'autres industries. En réalité, comme les avions et leurs innombrables composants doivent — pour des raisons évidentes — subir les procédures de certification et de test les plus rigoureuses, il peut falloir des années, voire des décennies, pour qu'un composant aérospatial imprimé en 3D passe du concept à la mise en œuvre. La technologie existe, mais le savoir issu de années de tests et d'observations fait défaut. Il est donc bien plus facile d'implémenter la fabrication additive dans des industries à faible risque où moins de vies sont en jeu.

Pourtant, si la mise en œuvre de produits aérospatiaux imprimés en 3D peut être lente, les pièces qui ont franchi le cap ont déjà un impact majeur sur l'industrie. Des éléments simples comme les parois de cabine imprimées en 3D, aux pièces absolument critiques comme les composants moteurs métalliques fabriqués par fabrication additive, l'AM commence indéniablement à décoller dans l'une des industries les plus lucratives et rapides au monde.

Cet article présente quelques-unes des façons dont l'AM est, et sera, utilisée dans l'industrie aérospatiale.

Allègement et optimisation de la résistance

La fabrication additive et la fabrication soustractive diffèrent à bien des égards, et le choix entre impression 3D et alternatives traditionnelles pose souvent un dilemme. Cependant, l'une des différences clés entre les deux approches réside dans leurs capacités respectives à façonner la géométrie interne d'une pièce.

L'impression 3D est incroyablement utile dans des industries comme l'aérospatiale car elle permet aux ingénieurs de fabriquer des composants avec des intérieurs partiellement creux utilisant des motifs géométriques complexes pour maximiser leur résistance interne sans ajouter de poids. Comme les imprimantes 3D construisent les pièces « par le bas », elles peuvent créer des structures en treillis à l'intérieur de pièces comme les composants moteurs métalliques ou les cloisons de cabine en plastique. Il serait impossible de faire cela avec des procédés traditionnels comme le moulage (car le matériau liquide remplit toute la cavité) ou l'usinage (car l'outil de coupe ne peut atteindre l'intérieur sans percer l'extérieur).

Il est difficile de surestimer l'importance de ces structures en treillis. Dans la construction d'un avion, chaque gramme de poids est un obstacle à l'efficacité maximale, mais l'impression 3D permet de réduire significativement la masse d'un composant en le construisant avec un intérieur partiellement creux et structuré en treillis. Les fils entrelacés et sinueux du treillis peuvent être disposés de manière mathématiquement optimisée pour maximiser la résistance et réduire les contraintes, garantissant que la pièce allégée est tout aussi solide — sinon plus — qu'une alternative pleinement massive. Plus important encore, l'espace entre ces fils est sans poids, ce qui réduit la masse globale de la pièce.

De nombreux exemples illustrent l'utilisation de l'impression 3D par des entreprises aérospatiales pour créer des pièces légères. En 2011, des chercheurs des laboratoires HRL appartenant à Boeing ont annoncé le développement d'un métal qu'ils croyaient être le « matériau le plus léger au monde », avec une densité de seulement 0,9 mg/cc, le rendant environ 100 fois plus léger que le polystyrène. « L'astuce consiste à fabriquer un treillis de tubes creux interconnectés avec une épaisseur de paroi de 100 nanomètres, soit 1 000 fois plus fin qu'un cheveu humain », a expliqué Tobias Schaedler, l'un des chercheurs.

Alors que les chercheurs continuent d'explorer les possibilités des structures en treillis légères imprimées en 3D, les entreprises aérospatiales s'impliqueront de plus en plus dans la fabrication additive pour l'allègement et l'optimisation de la résistance.

Prototypes et pièces de rechange

L'un des plus grands avantages de la fabrication additive — dans n'importe quelle industrie — est sa capacité à produire des pièces à la demande et en interne. Les imprimantes 3D peuvent être installées n'importe où et fonctionnent de manière largement autonome, ce qui signifie que les délais pour les pièces imprimées en 3D sont très courts. Grâce à cela, les entreprises aérospatiales peuvent fabriquer rapidement de nouvelles itérations d'une pièce pour des tests immédiats, raccourcissant ainsi le processus R&D et permettant d'achever les pièces plus tôt.

Le prototypage plus rapide est donc l'une des principales utilisations de la fabrication additive dans l'aérospatiale, et les résultats sont probants : selon le géant de la fabrication additive Stratasys, l'utilisation de l'impression 3D interne pour les prototypes aérospatiaux peut entraîner des gains de temps d'environ 43 % par rapport au moulage par injection et à l'outillage CNC, et d'environ 75 % par rapport à la découpe laser 2D.

Un autre domaine où l'aérospatiale bénéficie de la fabrication additive est la gestion des stocks. Un avion commercial moyen comprend environ 4 millions de composants, dont tous ne sont pas fabriqués par les mêmes fabricants. Cela signifie que les fournisseurs aéronautiques doivent maintenir un énorme stock de pièces de rechange au cas où un avion aurait besoin de réparations. L'achat de ces pièces de rechange coûte cher, tout comme l'acquisition de l'immobilier pour les stocker.

Les imprimantes 3D offrent une solution incroyablement utile dans ce domaine. En gardant une imprimante 3D sur site, les entreprises aérospatiales peuvent — au lieu de remplir d'immenses entrepôts avec des millions de pièces de rechange coûteuses — simplement conserver une bibliothèque numérique de pièces de rechange dans un format imprimable comme le STL. Ainsi, les entreprises peuvent imprimer les pièces seulement quand elles sont nécessaires. Cette tactique d'utilisation de bibliothèques numériques de pièces de rechange est progressivement adoptée dans de nombreuses industries et prendra des décennies pour être mise en œuvre à grande échelle, mais l'aérospatiale pourrait être l'un des plus grands bénéficiaires.

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