Entretien avec Matthew Donovan, responsable fabrication additive chez Oerlikon : l'impression 3D dans l'aérospatial

Oerlikon, groupe technologique et d'ingénierie mondial, dessert certaines des industries les plus critiques en matière de sécurité, notamment l'aérospatial et la défense. La fabrication additive est devenue un pilier de son offre, avec l'inauguration cette année d'un Innovation Hub et d'une usine de production de composants avancés de 55 millions de dollars aux États-Unis.

Dans cet entretien d'expert, nous rencontrons Matthew Donovan, Ingénieur Principal pour la Fabrication Additive chez Oerlikon, pour discuter du développement d'une installation de production AM de bout en bout, des tendances AM à surveiller et de l'importance cruciale des normes pour l'avenir de l'industrie.

Parlez-nous d'Oerlikon

Oerlikon est une entreprise mondiale et un leader de la fabrication dans ses segments Surface Solutions et Manmade Fibers. Fait partie du segment Surface Solutions, Oerlikon AM fournit des solutions de fabrication additive, des poudres métalliques au prototypage et à la production en série.

Comment avez-vous découvert la fabrication additive ?

Mon parcours est dans l'aérospatial. Avant de rejoindre Oerlikon, j'ai passé 20 ans à travailler principalement sur les turbines à gaz, composants de section chaude et de combustion. J'ai une expérience dans les systèmes d'alimentation en carburant, principalement pour turbines aéronautiques, mais aussi pour turbines industrielles et reformeurs de piles à combustible. J'ai également travaillé sur divers projets R&D avec la NASA et d'autres entreprises. J'ai donc l'habitude des matériaux haute résistance et haute température pour environnements exigeants.

J'ai débuté comme ingénieur de fabrication, apprenant les ficelles de la production de pièces, et j'ai passé du temps comme ingénieur qualité pour des enquêtes terrain sur ces mêmes composants. J'ai commencé à travailler sur la fabrication avancée en 2006, confronté à des géométries et composants impossibles à réaliser en fabrication conventionnelle. À ce moment, je collaborais avec Morris Technologies sur des composants métalliques imprimés en 3D. Nous avons commencé à développer des composants pour injecteurs de carburant via la fabrication additive.

Au fil des ans, j'ai développé plusieurs composants en FA. J'ai travaillé pour United Technologies, aidant l'ensemble du groupe à développer et implémenter les technologies AM, avec un focus sur le matériel pour certification de vol. En implémentant ces composants, j'ai découvert un vide majeur : l'absence totale de normes sur la fabrication des pièces et leur certification.

Une grande partie du coût dans l'aérospatial ne vient pas nécessairement des composants eux-mêmes, mais de la certification. Nous devons assurer une traçabilité complète pour chaque pièce fabriquée. Développer les normes pour y parvenir et les implémenter pour l'additif a été un défi majeur.

J'ai commencé à travailler sur les normes AM avec ASTM F42 vers 2009. J'ai contribué à rédiger certaines normes et siégé dans plusieurs comités. J'ai co-écrit le guide de conception pour la fusion sur lit de poudre métallique par laser, ISO ASTM 52911, avec ISO/TC 261 et ASTM F42. Grâce à ce travail avec United Technologies, en collaborant avec des gens très talentueux et ayant accès à d'excellentes ressources, nous avons pu innover et développer des produits de pointe pour la fusion sur lit de poudre métallique.

En quoi consiste votre rôle chez Oerlikon ?

J'ai rejoint Oerlikon en 2017, et mon rôle actuel est Ingénieur Principal pour l'AM. Il est fortement axé sur l'implémentation et le développement de technologies AM métalliques prêtes pour la production. Nous avons démarré comme une division start-up du groupe Surface Solutions. Nous avons construit une nouvelle installation à Huntersville, Caroline du Nord, dans laquelle nous avons emménagé il y a un peu moins d'un an. C'est une installation de 11 000 m² qui exploite actuellement 18 systèmes de fusion sur lit de poudre métallique. Sur site, nous avons des capacités de pressage isostatique à chaud (HIP), de fours sous vide, ainsi que de post-traitement, de gestion de poudre et d'inspection.

L'objectif est d'établir cette installation comme un véritable flux de travail de production AM de bout en bout, avec contrôle de chaque aspect de la chaîne d'approvisionnement, afin de fournir une traçabilité à nos clients.

Mon rôle a été principalement dans la certification des machines. Je travaille en étroite collaboration avec les fabricants de machines sur l'installation et la qualification de nos machines, puis leur certification pour leur capacité et leur capacité croisée pour des composants sur différentes machines. Nous comprenons ainsi les capacités machines, la tolérance et la précision d'une machine individuelle pour produire la tolérance géométrique d'un composant AM, et les différences entre nos machines pour les ajuster et livrer le même produit sur plusieurs machines.

La standardisation est un sujet majeur, surtout pour l'aérospatial. Comment les choses ont-elles évolué et quel est le statut actuel ?

Il y a eu de très bons développements. Nous avons besoin de normes, surtout dans l'aérospatial, mais aussi dans d'autres domaines critiques comme le médical, le nucléaire et l'énergie. L'essentiel des normes est qu'elles permettent à tous de parler le même langage et de comprendre ce qu'un produit est capable de faire. Sans normes, chacun construisait des pièces et travaillait souvent de manière très similaire, mais pas de la même façon. On ne parlait pas le même langage. Il est très courant que les gens utilisent des termes différents pour le même processus, ou le même terme pour des processus radicalement différents.

Développer des normes permet de parler le même langage et de comprendre ce qu'on entend par construction de qualification, matière première, ou niveau de qualification machine. Dans l'aérospatial, sans norme pour certifier une pièce — généralement plusieurs normes pour identifier la pièce, ses propriétés mécaniques, performances, tolérances, et la tracer jusqu'au lot d'origine, jusqu'à la composition chimique des éléments — on ne peut pas l'installer sur une plateforme aéronautique.

Nous pouvons réaliser des géométries incroyablement complexes et faire des pièces en FA qui ne sont physiquement possibles autrement. On économise poids, temps, matière et coûts. La liberté de conception et de fabrication de la FA est claire. Mais l'inconvénient, c'est que c'est bien de faire la pièce, mais si on ne peut pas prouver qu'elle est bonne, ça ne sert à rien.

Les normes sont ce qui nous permet de franchir cette ligne pour fabriquer et vendre des pièces et les utiliser en production aérospatiale.

Les normes aérospatiales sont donc une pièce clé du puzzle avant de pouvoir faire des pièces. Divers organismes de développement ont travaillé dur dans ce domaine depuis longtemps. Je travaille comme bénévole sur les normes ASTM depuis environ 10 ans, et j'ai vu les bénéfices. J'ai contribué à la norme titane originale pour fusion sur lit de poudre. Celle-ci a pris un peu plus de deux ans pour être validée. Depuis, nous avons pu en valider d'autres en moitié moins de temps. Les choses s'accélèrent vraiment maintenant. ASTM a récemment lancé son Centre d'Excellence à Auburn, Alabama, avec l'Université d'Auburn. L'objectif est d'appliquer des financements R&D ciblés via des partenaires de collaboration pour obtenir plus de normes rapidement. Il y a eu beaucoup de collaboration industrie et organismes gouvernementaux pour identifier les lacunes et normes perçues dans l'industrie, ce qu'il faut pour avancer.

Vous avez peut-être entendu parler de la feuille de route ANSI. C'est un très bon document auquel certains d'entre nous ont contribué pour identifier nos lacunes clés à combler pour atteindre une vraie production en fabrication additive. Sur la dernière version, il y avait 91 lacunes identifiées, largement dans les domaines des normes, certaines de très haute priorité. Le Centre d'Excellence ASTM est un véhicule pour appliquer de la R&D pour combler ces lacunes. Dans un autre domaine, SAE International a ses Spécifications de Matériaux Aérospatiaux (AMS). Les premières pour la fusion sur lit de poudre additive étaient AMS 7000, 7001, 7002 et 7003 pour l'alliage nickel 625, récemment publiées. Ce sont d'excellents travaux qui porteront leurs fruits. Beaucoup d'entre nous utilisent déjà ces normes pour développer des pièces de production.

Avec votre expérience d'adoption de l'AM, quels ont été les défis pour l'intégrer en interne et comment les avez-vous gérés ?

Oerlikon AM vise à fournir des solutions AM répondant aux exigences des industries les plus exigeantes, comme l'aérospatial et le médical. Dans nos différentes installations, nous avons les bons systèmes qualité en place, comme AS9100 pour l'aérospatial et ISO 13485 pour le médical. Mais concernant l'intégration de tous les systèmes nécessaires pour y parvenir, c'est un défi, bien qu'il existe des solutions apportant des morceaux du puzzle. Je dirais qu'il n'y a pas une solution unique couvrant tous les aspects dont nous avons besoin, de bout en bout. Mais il y a beaucoup de bons outils couvrant des portions de cette chaîne d'approvisionnement complète.

Notre défi est d'identifier les solutions couvrant différents aspects de notre chaîne d'approvisionnement, d'embarquer celles qui couvrent nos besoins et de les intégrer. Par exemple, certaines solutions gèrent très bien le financier et l'inventaire, mais pas les flux de fabrication. D'autres gèrent bien les flux de fabrication et la planification de production, mais pas l'estimation du temps de construction, les problèmes de revue matière, ou les problèmes de composants géométriques comme les plans et modèles 3D. Il y a beaucoup d'aspects différents, et notre défi est d'intégrer toutes ces pièces pour avoir une solution de bout en bout sans couture. C'est un processus assez manuel actuellement, mais nous travaillons à l'automatiser davantage.

Pouvez-vous partager des succès d'utilisation de l'AM en production ?

Bien que je ne puisse pas citer spécifiquement ces clients sans leur autorisation, nous avons plusieurs composants activement en production. Certains qui me viennent à l'esprit sont des composants aérospatiaux et de défense. L'un est un composant de vol faisant partie d'un système de mission sur un hélicoptère militaire. Nous sommes en production pour ce composant depuis deux ans et avons livré plus de 200 unités à ce jour. Nous fabriquons aussi un composant pour un capteur au sol, où un système intégré de 80 composants individuels est consolidé en une pièce monolithique. Celui-ci est en production depuis près de deux ans. Nous avons d'autres composants de production — pour pétrole/gaz et exploration sous-marine, en production active pour de la robotique sous-marine — pour un autre client, utilisés à la fois dans le forage, l'exploration pétrolière/gazière et la robotique sous-marine.

Comment voyez-vous l'évolution de la fabrication additive sur les 5 prochaines années, tant technologiquement qu'industriellement ?

Sur les 5 prochaines années, je vois la technologie évoluer avec plus de systèmes multi-lasers, permettant de produire des pièces plus vite, réduisant ainsi le coût des composants. Cela favorisera davantage l'implémentation de pièces AM.

Le coût des pièces est un facteur clé, et le temps laser est le principal pilote du coût d'un composant AM. Si on peut mettre plus de lasers dans une pièce et certifier les composants avec ces systèmes multi-lasers, on pourra construire la même pièce plus vite et donc moins cher. L'autre évolution est qu'on aura de meilleurs systèmes de surveillance in-process. Il y en a quelques-uns actuellement disponibles chez différents fabricants, mais mon impression est que, bien que beaucoup soient de bons systèmes, ils ne sont pas encore au niveau de capacité dont des utilisateurs comme moi auraient besoin pour les implémenter à un vrai taux de production. J'espère qu'on aura bientôt une vraie surveillance in-process, pour surveiller ce qui se passe dans la machine pendant le processus et identifier les problèmes d'un composant avant qu'il ne sorte de la machine. Le scénario idéal serait un logiciel intelligent qui identifie les problèmes et potentiellement fait des corrections avec support ingénierie à la volée. Encore mieux serait d'avoir des machines vraiment robustes sans problèmes, tournant 24/7.

Y a-t-il des tendances qui vous enthousiasment ?

Je suis enthousiasmé par divers développements, dont les systèmes de surveillance in-process mentionnés. Il y a aussi de nouveaux matériaux en développement et lancement. Nous développons quelques matériaux différents qui permettent à certains de nos clients de faire des composants vraiment révolutionnaires. L'autre chose qui m'enthousiasme, c'est qu'il y a beaucoup plus de diversification chez les fabricants dans le monde. Au début, la plupart des machines AM étaient produites dans une poignée de pays en Europe. Maintenant, il y a de nouveaux fabricants et divers pays qui appliquent des approches différentes et novatrices pour construire des machines. Ils font baisser le coût des machines, et apprennent, de leur utilisation dans l'industrie, à les rendre plus intuitives pour les opérateurs. Mon expérience les premières années avec ces machines, c'est qu'elles sont très capricieuses et demandent beaucoup d'attention et de « babysitting ». Et franchement, beaucoup de conceptions de machines n'étaient pas très « manufacturing friendly ». Je vois beaucoup de convivialité intégrée dans les machines maintenant, grâce aux retours utilisateurs. Mais aussi, la concurrence accrue de fabricants du monde entier aide, je pense, à stimuler l'innovation dans les systèmes, faire baisser les coûts et améliorer l'utilisabilité des systèmes machines.

Quelle est la suite pour Oerlikon, notamment pour l'installation que vous supervisez ?

Notre objectif à court terme pour cette installation est d'installer et certifier tout l'équipement acheté. Nous avons 18 systèmes de fusion sur lit de poudre métallique en ligne et opérationnels, et nous faisons du matériel de production sur beaucoup de ces systèmes. Notre prochaine étape est de compléter les propriétés matériaux pour tous nos systèmes matériaux sur toutes nos machines et les jeux de données correspondants. Mais c'est très chronophage et coûteux. Heureusement, nous avons beaucoup de gens très talentueux ici avec beaucoup d'expérience en matériaux, métallurgie et ingénierie, et je suis très fier d'être membre de cette équipe. L'autre objectif est de mettre en service tout l'autre équipement pour atteindre cette vraie installation de production de fabrication de bout en bout. Nous avons récemment mis en service notre four HIP et notre four sous vide, et nous travaillons à les certifier. Nous avons aussi apporté de l'équipement CNC, et nous avons un nombre substantiel de fours et d'équipements CNC supplémentaires pour le post-traitement à installer. L'objectif est d'installer, certifier et intégrer opérationnellement tout cet équipement pour créer un système de fabrication complet et cohérent.

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