Comment l'impression 3D stimule l'innovation et l'efficacité dans l'aérospatiale

L'industrie aérospatiale évolue dans un environnement extrêmement exigeant. Elle nécessite des composants d'une fiabilité irréprochable, capables de résister à l'usure continue, aux fortes pressions et aux températures élevées. Une innovation constante et des recherches soutenues visent à garantir que les pièces soient solides, résistantes et légères, afin d'améliorer les performances des appareils, de faciliter la maintenance et d'accroître la productivité des équipes. Cette qualité et cette fiabilité indispensables doivent s'équilibrer avec les impératifs de planification des vols commerciaux et l'exigence de disponibilité 24/7 des aéronefs militaires. Le moindre dysfonctionnement sur la chaîne de production et de logistique peut compromettre la disponibilité, la qualité et même la sécurité des vols civils comme militaires.

L'évolution de la fabrication additive dans l'aérospatiale

C'est ici qu'intervient la fabrication additive. À ses débuts, l'impression 3D était une méthode novatrice mais encore limitée. Les imprimantes représentaient un investissement coûteux, étaient lentes et trop petites pour des applications industrielles à grande échelle. De plus, le marché des matériaux était très restreint, notamment pour les matériaux d'ingénierie technique, et les fabricants d'imprimantes imposaient souvent l'utilisation exclusive de leurs propres matériaux (verrouillage fournisseur). Ces limitations appartiennent désormais au passé.

Aujourd'hui, la fabrication additive est une industrie mature, offrant une flexibilité exceptionnelle en matière de conception et de compatibilité matériaux-imprimantes, des logiciels spécialisés permettant une conception précise et de l'ingénierie inverse, un pour les usages les plus pointus, des imprimantes 3D de grand format aux volumes de construction importants, et la capacité de produire des pièces légères qui n'ont rien à envier à leurs homologues usinées par CNC.

Vidéo 1. Airbus intègre des solutions de fabrication additive dans sa ligne de production. Source : Airbus.

L'industrie aérospatiale recherche des pièces légères offrant des performances équivalentes aux composants en aluminium fabriqués traditionnellement. La réduction de masse (allègement) permet aux avions de voler plus vite, plus loin et avec une consommation de carburant réduite. Chaque 500 kg économisés se traduisent par environ 1 % de carburant en moins, soit une diminution corrélée des émissions de dioxyde de carbone.

Les apports de la fabrication additive dans l'aérospatiale

Toute innovation dans l'aérospatiale doit franchir un processus d'évaluation rigoureux pour vérifier si le nouveau matériau ou la nouvelle technologie répond aux nombreuses et strictes réglementations de la FAA pour la sécurité des vols et des aéronefs, qu'il s'agisse d'avions commerciaux ou militaires. De nombreux appareils obsolètes intègrent des composants fabriqués avec des matériaux qui se sont révélés toxiques et doivent être remplacés, ou avec des matériaux qui ne sont plus produits et doivent être recréés.

Les entreprises de fabrication additive proposent une large gamme de filaments certifiés par la FAA grâce à leur excellente résistance à la traction, leur résistance chimique et thermique, sans effets secondaires nocifs. Citons par exemple les filaments de la famille PAEK, tels que le filament Essentium PEI 9085 ULTEM, l'Essentium PEEK ou l'Essentium PEKK. Ces filaments sont utilisables pour des applications en vol. Le filament ULTEM PEI a servi à imprimer en 3D des pièces pour systèmes d'éclairage, interrupteurs électriques, boîtiers et douilles d'ampoules.

Image 1. Conduit de contrôle environnemental utilisé dans un lanceur spatial. Imprimé avec le filament Essentium ULTEM 9085. Source : Essentium.

Le filament PEEK a été utilisé dans l'aérospatiale pour remplacer des pièces de moteur en aluminium, des roulements, des vannes, ainsi que des gaines légères pour isoler et protéger les câbles optiques et les systèmes électriques à l'intérieur d'un avion.

Maintenance interne flexible et immédiate

Le rôle de l'impression 3D dans l'aérospatiale a dépassé le stade du simple prototypage, bien qu'elle y soit encore employée. Compte tenu de l'échelle et du coût de la fabrication aérospatiale, les méthodes traditionnelles de prototypage par moulage par injection et usinage CNC sont gourmandes en temps et en ressources. Imprimer en 3D un prototype d'avion ou de pièce réduit considérablement les coûts de production et d'ajustement des prototypes, le gaspillage de matière et les délais, tout en permettant la réalisation de structures bien plus complexes que l'usinage CNC.

Image 2. Prototype d'avion imprimé en 3D. Source : Essentium.

Outre la fabrication de composants pour satellites (antennes pour engins spatiaux), drones et aéronefs sans pilote (pales de rotor et pièces de moteur), les applications les plus courantes de la fabrication additive dans l'aérospatiale concernent la production de pièces au sol et de composants en vol non critiques et non porteurs.

Les avions représentant un investissement majeur, les appareils anciens restent souvent en service bien au-delà de leur durée de vie prévue. La fabrication additive est la technologie idéale pour les petites tâches de maintenance. Il s'agit d'imprimer en 3D des composants non essentiels pour l'intérieur de l'avion manquants ou endommagés : porte-gobelets, plateaux, couvercles de toilettes, gaines d'air, panneaux d'instruments, etc. Grâce à la fabrication additive, il est possible de recréer un élément même en l'absence de plans, par ingénierie inverse : numérisation de la pièce, traitement dans un logiciel de conception, puis impression 3D.

Image 3. Turbines imprimées en 3D. Source : Essentium.

Il en va de même pour toutes sortes d'outils, gabarits et dispositifs de fixation. Sur ce plan, l'innovation par l'impression 3D est plus facile à mettre en œuvre car les équipements de support au sol ne sont pas soumis au même niveau de contrôle de la FAA que les pièces navigables. Même si l'outil d'origine n'est plus fabriqué, il peut être imprimé en 3D à partir de plans ou en adaptant sa conception selon la vis ou l'élément qu'il doit accueillir. Avec la fabrication soustractive traditionnelle, ce processus serait bien plus long et consommateur de matière. Pour obtenir des outils, gabarits et fixations légers mais efficaces, on peut utiliser des matériaux renforcés en fibres de carbone, fibres de verre ou métal. On obtient ainsi des pièces jusqu'à 50 % plus légères que l'aluminium, avec une excellente résistance mécanique et thermique. Parmi les filaments adaptés : l'Essentium HTN CF25, le filament PA CF ou l'ABS MG94. Outre la résistance, la légèreté, d'autres caractéristiques sont cruciales pour l'aérospatiale : retardateur de flamme et sécurité ESD. Les zones de production et de maintenance présentent des températures élevées, des matériaux potentiellement explosifs et de l'électricité statique — une combinaison dangereuse pour les équipements et le personnel. Le filament Essentium TPU 90A FR possède des propriétés ignifuges, réduisant considérablement le risque d'incendie et sa propagation. Il est idéal pour les outils, gabarits et fixations utilisés dans les hangars ou autour des avions.

Image 4. Pièce de sécurité réalisée avec l'Essentium TPU 58D-AS. Source : Essentium.

L'Essentium TPU 58D-AS, quant à lui, est un filament conçu spécifiquement pour l'aérospatiale, pour la fabrication de pièces devant être retirées avant le vol (d'où la couleur rouge pour attirer l'attention). Le TPU 58D-AS réduit le risque de décharge électrostatique, danger pour les humains et les composants électroniques, essentiels au bon fonctionnement des systèmes de navigation de l'avion, entre autres.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR retardateur de flamme Essentium TPU 58D-AS

Surmonter les limites logistiques

Maintenir les avions en condition de vol et de mission, en toute sécurité, dans l'aérospatiale commerciale comme militaire, est d'une importance capitale, même supérieure à l'innovation constante. La fabrication additive trouve tant d'applications dans ces secteurs précisément parce qu'elle offre aux compagnies aériennes, aux transporteurs et aux armées une plus grande indépendance et flexibilité dans la maintenance de leurs aéronefs.

La pandémie de Covid-19 a bouleversé le monde à bien des égards. L'aérospatiale n'a pas été épargnée, de nombreuses chaînes d'approvisionnement s'étant brutalement arrêtées pour des durées imprévisibles. Cela a paralysé la production, la maintenance et les livraisons, en raison de la dépendance aux sous-traitants et transporteurs, conséquence du modèle de fabrication traditionnel. De nombreuses compagnies aériennes ont subi d'importantes pertes financières dues à l'annulation de vols, les contraignant à chercher de nouvelles voies pour réduire les coûts. La fabrication additive peut y répondre.

Avec la fabrication traditionnelle, comme l'usinage CNC, la production d'un composant ESD-safe, d'un composant résistant à la corrosion et d'un composant haute température nécessiterait très probablement le recours aux services coûteux de trois sous-traitants différents, avec des délais d'attente variables et longs (dépendant aussi des fournisseurs de ces sous-traitants), et une livraison complexe, voire impossible, pour des avions militaires stationnés à l'étranger.

Image 5. Exemple de fabrication itérative. Source : Essentium.

Autre problème : les outils unitaires ou pièces de rechange en petite série sont omniprésents dans l'aérospatiale. Recourir au moulage par injection ou à l'usinage CNC pour un outil unique à usage unique engendrerait des coûts et des délais inutiles. Tout cela se résout avec l'impression 3D, car une seule imprimante 3D sur site peut produire toutes ces pièces avec différents filaments techniques avancés, à un coût bien moindre et avec un risque de retard réduit. Ce mode de fabrication élimine aussi le besoin de stocker des pièces de rechange dans le monde entier pour la maintenance, puisque toute pièce nécessaire peut être imprimée à la demande, n'importe où, n'importe quand. Toutes ces améliorations mènent à une simplification et un raccourcissement global de la chaîne d'approvisionnement et de production dans l'aérospatiale, réduisant les coûts et compensant l'empreinte carbone des avions.

Exemples concrets

Un bel exemple d'application des technologies de fabrication additive dans un contexte aérospatial réel est l'entreprise Axle Box. Elle a développé une plateforme de drone pour SkyFire, à destination de clients en foresterie et protection contre les incendies. Ces éléments devaient résister aux conditions d'une opération aéroportée de lutte contre les incendies à grande échelle : feu, eau et vent. Les pièces ont été produites au coût le plus bas et avec les délais les plus courts face à la concurrence. Un corps central de drone a été imprimé en 3D avec le filament Essentium HTN CF25 et les carénages latéraux avec le filament PA CF. Les deux matériaux ont dépassé les attentes lors des tests en vol, démontrant d'excellentes propriétés mécaniques et une grande vitesse.

Vidéo 2. Pièce imprimée en 3D pour une plateforme d'atterrissage de drone par Axle Box. Source : Essentium.

Une panne très courante sur les avions est la défaillance hydraulique, principalement due au poids de l'appareil et aux contraintes subies en vol. La réparation d'une telle défaillance était très exigeante en temps et en main-d'œuvre, car elle nécessitait plusieurs techniciens pour accéder à la source du dysfonctionnement et maintenir la pièce de rechange en place lors de l'installation. Ces pannes survenant souvent et coûtant cher, un grand constructeur aéronautique a décidé d'imprimer en 3D une bride maintenant la pièce de rechange en place, sans besoin de main-d'œuvre supplémentaire.

L'introduction de la fabrication additive dans l'aérospatiale a été un développement révolutionnaire pour la fabrication additive comme pour l'industrie aérospatiale. Ce fut un défi passionnant et transformateur pour le monde de l'impression 3D, du fait du nombre de matériaux spécialisés aux propriétés avancées requis par l'aérospatiale. Et pour l'industrie aérospatiale, ce fut un pas majeur vers une plus grande flexibilité de conception, une réduction des coûts et une indépendance logistique, grâce à la vitesse, l'échelle et les possibilités d'itération impressionnantes qu'offre l'impression 3D.