Révolutionner l'aérospatiale :composants structurels imprimés en 3D

Vous avez sans doute entendu beaucoup de battage médiatique autour de l’impression 3D et de la fabrication additive ces dernières années, laissant espérer (dans les médias) que l’usine « traditionnelle » n’existera bientôt plus. Les discussions sur de nouvelles méthodes miraculeuses, sur l'impression directe de pièces en plastique, en caoutchouc et en métal et sur l'impression militaire et orbitale de pièces de rechange annoncent une nouvelle aube.

Peut-être.

Cependant, dans un secteur, l'impact est très réel et immédiat et au moins une partie du battage médiatique n'est pas totalement déplacée !

Avec les progrès rapides de la technologie d’impression 3D, l’industrie aérospatiale est sur la ligne de départ d’un voyage révolutionnaire, en particulier dans le domaine des composants structurels de moindre précision et à fonction plus simple. L'impression 3D est devenue une technique révolutionnaire pour créer rapidement des pièces complexes et sur mesure, à condition de ne pas chercher des solutions à faible coût.

L’impression 3D peut être utilisée pour fabriquer des composants exceptionnellement légers et durables d’une conception autrement difficile à fabriquer, maximisant ainsi les performances et l’efficacité énergétique tout en adhérant aux normes de sécurité très strictes du secteur. Pour comprendre tout le potentiel de cette technologie révolutionnaire, il est utile d'examiner les faits fondamentaux et les attentes de pointe de l'impression 3D et la manière dont ils pourraient s'appliquer aux exigences de la fabrication aérospatiale.

Dans cet article, nous explorerons les complexités de l'impression 3D et comment elle transforme l'avenir de la fabrication de composants structurels dans le secteur aérospatial, en vous fournissant un guide pour pouvoir approfondir vos connaissances à partir d'un point de départ confiant (et sans battage publicitaire).

Quel est le but de l'impression 3D de composants structurels aérospatiaux ?

L’objectif principal de l’impression 3D de composants structurels aérospatiaux est de créer des pièces d’une manière à la fois commercialement viable et strictement conforme aux normes de sécurité et environnementales applicables ainsi qu’aux exigences de sécurité des avions. La production rapide de pièces complexes et légères et de composants sur mesure qui permettent des cycles de maintenance/développement rapides et maintiennent les performances des avions et des engins spatiaux contribue à assurer un vol fiable/sûr et rentable. Des géométries complexes, lentes ou impossibles à produire avec des méthodes conventionnelles, peuvent désormais être réalisées rapidement grâce à l'impression 3D. L'industrie aérospatiale entame un nouveau processus d'innovation, grâce à l'impression 3D.

Quels composants structurels aérospatiaux peuvent être imprimés en 3D ?

Les composants structurels aérospatiaux qui se prêtent à la fabrication additive comprennent :

1. Buses de carburant.
2. Aubes de turbine.
3. Véhicules aériens sans pilote.
4. Trames satellite.
5. Actionneurs de surface de contrôle

Comment fonctionne l'impression 3D de composants structurels aérospatiaux ?

Les composants structurels et fonctionnels de l'aérospatiale sont imprimés en 3D à l'aide de données de CAO (conception assistée par ordinateur) transformées en objets réels en déposant et en fusionnant du matériau, couche par couche pour construire rapidement des pièces finies. La liste suivante décrit ce processus plus en détail :

1. Un modèle 3D conçu par CAO sert de base au processus.
2. Pour créer le composant, le logiciel de configuration de construction de l'imprimante 3D interprète la conception en une série de tranches et d'instructions de paramètres de construction qui peuvent être lues par l'imprimante.
3. L'imprimante 3D place des matériaux (tels que des métaux ou des polymères, sous forme de filament, de liquide ou de poudre) sur la plate-forme de construction, en les fusionnant avec lui-même et avec la couche située en dessous.
4. Couche par couche, la hauteur augmente jusqu'à ce que le composant soit terminé.
5. La pièce est retirée, nettoyée et post-traitée. Cette opération peut être manuelle ou automatisée et impliquer le retrait de la structure de support, le sablage ou la finition secondaire.
6. Lorsqu'une plus grande précision est requise (par exemple, sur les faces de roulement ou sur le diamètre des trous), un certain post-usinage peut être nécessaire.

En plus de permettre la construction rapide de pièces aux géométries complexes, de réduire le gaspillage de matériaux et de produire des composants légers aux performances améliorées, l'impression 3D offre à l'ingénieur plus de liberté de conception que les autres méthodes de fabrication.

Quels sont les avantages de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale ?

Les avantages typiques de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale sont :

1. La fabrication additive permet de regrouper des sous-ensembles en composants uniques qui seraient autrement impossibles à fabriquer. La réduction du nombre de pièces réduit également le risque de FOD ou de débris de corps étrangers.
2. Les technologies additives permettent de créer une complexité dans les conceptions qui ne serait pas réalisable autrement, avec des méthodes moins avancées. L'impression 3D n'a pas besoin de se conformer aux caractéristiques de visibilité directe comme l'exige l'usinage.
3. La nature de l'impression 3D permet des modifications de conception par itération rapide sans nécessiter de modifications d'équipement de fabrication autres que les modèles dans le slicer 3D.
4. Ces processus permettent aux concepteurs et aux fabricants de produire rapidement et à la demande partout dans le monde où se trouvent des équipements, réduisant ainsi les délais de mise sur le marché et les coûts de la chaîne d'approvisionnement, ainsi que la complexité des infrastructures sur le terrain.
5. Grâce à l'application stratégique et prudente de processus de production additive, la chaîne d'approvisionnement devient plus simple, plus fiable et plus cohérente.

Quels sont les inconvénients de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale ?

Les inconvénients de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale incluent :

1. En fonction de la technologie utilisée et du niveau de précision requis de la pièce dans sa fonction, certaines de ces pièces nécessitent un post-traitement supplémentaire. Cette phase implique des tâches supplémentaires allant de l'usinage de précision au polissage et au revêtement pour affiner les composants imprimés en 3D pour des besoins spécifiques. Le post-traitement nécessite généralement un travail manuel délicat et qualifié et augmente donc le temps et les coûts de production. Cela peut être proportionnel au coût des pièces imprimées, ce qui nuit aux avantages incontestables d'une fabrication rationalisée.
2. La gamme remarquable de composants pouvant être dérivés de l'impression 3D est limitée, dans de nombreux cas, par le manque de qualités de matériaux sélectionnables avec précision. Les réglementations spécifiques à l'aviation nécessitent des matériaux spécialisés et strictement spécifiés. Par conséquent, le secteur de l'ingénierie aérospatiale est limité par le nombre d'options matérielles, limitant la capacité de la technologie à créer une plus large gamme d'éléments d'avion au cours de cette phase d'innovation/transition.
3. Tout en augmentant l'efficacité de la productivité, la production basée sur l'impression 3D peut réduire considérablement la rentabilité. Lorsque les coûts des composants dépassent les coûts du calendrier, ils ne peuvent pas servir. Cependant, en tant que méthode de création extrêmement rapide de pièces complexes et non sensibles aux coûts, elle occupe une place de plus en plus importante.

Quels sont les exemples d'applications de composants structurels aérospatiaux imprimés en 3D ?

Diverses applications des composants structurels imprimés en 3D ont été explorées dans l’industrie aérospatiale, avec une adoption en vol encore limitée. Les supports d'ailes, les composants d'actionneurs pour avions, les pales de rotor de drone, les injecteurs de carburant, les chambres de combustion et même des parties de la structure interne du moteur sont quelques exemples de composants traînés et bien reçus. Ces utilisations mettent en évidence la remarquable adaptabilité et le potentiel de ce mode de fabrication dans son potentiel à impacter le secteur. Il est clair que l'impression 3D est sur le point de remodeler les processus de fabrication du secteur avec ses possibilités infinies.

Quels sont les matériaux utilisés dans l'impression 3D de composants structurels aérospatiaux ?

Certains des matériaux utilisés dans l'impression 3D de composants structurels aérospatiaux incluent :

1. Alliages de titane

Le titane est un matériau haute performance parfaitement adapté au secteur aérospatial, où son coût élevé n'est pas prohibitif et où son rapport résistance/poids et ses performances exceptionnelles en matière de corrosion sont extrêmement bénéfiques. De plus, les procédés de fabrication utilisés pour la réalisation des pièces en titane sont restreints et les difficultés de réalisation sont considérables. La fabrication additive court-circuite la plupart de ces problèmes de fabrication et fournit des pièces de haute performance qui offrent une résistance de la chaîne d'approvisionnement et des difficultés logistiques considérablement réduites. 

2. Alliages d'aluminium

L'aluminium n'est en aucun cas un mauvais deuxième choix par rapport au titane, car il offre presque le même rapport résistance/poids et un coût de matière première et de traitement (traditionnel) considérablement inférieur. Une chaîne d'approvisionnement considérablement plus simple pour les matériaux de fabrication additive signifie qu'il y a plus d'options parmi lesquelles choisir et que les énergies de construction sont plus faibles, ce qui permet d'utiliser des équipements de moindre puissance ou des opérations de construction plus rapides. L'aluminium offre généralement de bonnes propriétés de corrosion pour les applications aérospatiales et celles-ci peuvent être considérablement améliorées par l'anodisation, formant un film d'oxyde contrôlé et précis sur les pièces qui exclut l'oxygène, même lorsqu'elles sont mouillées.

3. Alliages de nickel

Les alliages de nickel offrent des performances extrêmes à haute température, ainsi qu'une excellente résistance à la corrosion. Les pièces en alliage de nickel imprimées en 3D ont suscité beaucoup d'intérêt dans le secteur aérospatial, en particulier pour une utilisation expérimentale dans les aubes de turbine, de véritables applications en vol dans les chambres de combustion et les pièces d'échappement des turbines à gaz, ainsi que pour les composants de moteurs de fusée utilisés à chaud. Les superalliages de nickel jouent un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité et de la fiabilité globales des systèmes critiques.

4. Acier inoxydable

Les aciers inoxydables de plusieurs nuances sont largement utilisés dans la fabrication additive dans divers secteurs non aérospatiaux, apportant solidité et résistance exceptionnelle à la corrosion aux outils, aux équipements industriels, etc. Les pièces imprimées en 3D en acier inoxydable peuvent offrir des composants structurels et fonctionnels robustes et durables pour les applications à contraintes élevées dans l'aérospatiale. Les pièces qui sous-tendent le bon fonctionnement des avions et des engins spatiaux dans les trains d'atterrissage, y compris les jambes de force et les structures de support, sont fabriquées à partir de cette famille d'alliages et doivent répondre aux exigences étonnantes de l'atterrissage. La combinaison distinctive de résistance à la corrosion, de solidité et de durabilité distingue l’acier inoxydable et en fait un choix idéal pour les composants critiques en termes de résistance (plutôt que de poids) dans le secteur. Malgré la plus grande résistance de l'acier inoxydable, l'aluminium présente un rapport résistance/poids nettement supérieur, mais une résilience moindre sous charge cyclique.

5. Polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP)

Les polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) sont rapidement adoptés comme de bonnes options de matériaux dans de nombreuses applications nécessitant un faible poids et une résistance élevée. Le CFRP combine le faible poids des polymères avec la résistance des métaux. Ils jouent un rôle de plus en plus central dans l’industrie aérospatiale, en améliorant le rendement énergétique, en réduisant les émissions, en améliorant les performances/capacités de portance globales des avions et des engins spatiaux et en améliorant la résilience aux chocs. Les CFRP peuvent réduire le poids d'un avion jusqu'à 20 %. L'impression 3D de structures sandwich avec différentes formes de noyau, utilisant des fibres de carbone continues, peut être appliquée à une gamme d'éléments structurels dans l'aérospatiale, comme dans d'autres secteurs à forte valeur ajoutée. Les avions modernes utilisent couramment des structures sandwich en polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) pour leurs gouvernes de profondeur, leurs gouvernails et leurs pales de direction comme surfaces de contrôle de vol.

6. Polymères haute performance

Les polymères hautes performances, tels que le PEI (ULTEM), le PEEK, le PEKK et le PPSU, présentent des propriétés mécaniques remarquables et une résistance aux températures élevées par rapport à de nombreux polymères standards couramment utilisés dans les applications d'ingénierie. Les polymères tels que le nylon, l'ABS (acrylonitrile butadiène styrène) ou le polyéthylène sont considérablement plus fragiles sous la charge et la chaleur. La combinaison de fibres de carbone discontinues avec le polymère haute performance PEKK donne un matériau composite aux propriétés grandement améliorées. 

7. Composites céramiques

Les composites céramiques sont de plus en plus disponibles pour les procédés de fabrication additive, mais leur adoption est lente en raison d'une base de connaissances restreinte, en dehors des domaines spécialisés. Leurs avantages sont considérables :grande ténacité, dureté et résistance exceptionnelle aux températures élevées, ce qui les rend idéaux pour les applications aérospatiales extrêmement exigeantes. Les pièces en céramique imprimées par fabrication additive recèlent un grand potentiel pour le secteur aérospatial, offrant légèreté, haute résistance et grande résilience environnementale, mais les certifications de sécurité nécessairement restrictives prennent du temps et ne sont pas encore obtenues. Bien que des techniques telles que l'IJP et le 3DP produisent des matériaux poreux, il existe peu de traitements de surface et de produits d'étanchéité appropriés. Pour en savoir plus, consultez notre guide Qu'est-ce que la céramique.

8. Invar®

L'Invar est un alliage nickel-fer inhabituel réputé pour son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Cela le rend idéal pour les applications nécessitant une stabilité dimensionnelle dans des conditions de température très variables, propriété qui se retrouve dans la fabrication additive. Cette propriété unique le rend inestimable dans diverses industries, notamment l’ingénierie aérospatiale. L'utilisation innovante d'Invar dans l'impression 3D est une approche pionnière qui en est encore au stade expérimental, avec la promesse d'offrir des capacités améliorées en termes de contrôle dimensionnel et de stabilité.

9. Tantale

Dans le secteur aérospatial, le tantale est utilisé dans des pièces critiques soumises à des opérations à haute température et à fortes contraintes. La résistance du tantale à la corrosion à chaud est particulièrement avantageuse dans les applications aérospatiales, où l'exposition aux gaz d'échappement, à l'humidité chaude et aux températures variant rapidement est courante dans les turbines à gaz. Le tantale, comme d’autres métaux réfractaires, est extrêmement difficile à traiter par des moyens traditionnels, mais la fabrication additive évite ces défis. Les applications spécifiques incluent :les pales de turbine, les segments de tuyères pour la propulsion des satellites et les composants pour le vol hypersonique.

10. Alliages cobalt-chrome

Les alliages cobalt-chrome sont utilisés pour leur bonne combinaison de propriétés :haute résistance, résistance à l'usure et biocompatibilité. On les retrouve de plus en plus dans les applications aérospatiales, notamment dans les composants de moteurs de turbines à gaz, en raison de leur capacité à résister à des températures élevées et à des contraintes mécaniques qui varient rapidement. Les alliages cobalt-chrome sont utilisés dans les contextes aérospatiaux pour les composants de moteurs, les pièces structurelles d'avions, les composants de moteurs de fusée et les boucliers thermiques. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur les superalliages.

Les composants structurels aérospatiaux imprimés en 3D doivent-ils répondre à des normes réglementaires ?

Oui. Avant d'être utilisés dans un avion, les composants structurels aérospatiaux imprimés en 3D doivent être approuvés par la FAA ou l'AESA, après des tests rigoureux. Le secteur accorde nécessairement une grande priorité à la fiabilité et à la sécurité pour la préservation de la vie (et des équipements), c'est pourquoi ces composants doivent passer par des procédures de test et de validation strictes. Les organismes de réglementation tels que la Federal Aviation Administration (FAA) et l’Agence de la sécurité aérienne de l’Union européenne (AESA) ont mis en place des contrôles stricts. Ces normes garantissent l'exploitation sûre et fiable des avions.

Quel est l'avenir de l'impression 3D de composants structurels dans l'aérospatiale ?

L’utilisation de la fabrication additive dans l’industrie aérospatiale est en pleine croissance. Les fabricants du secteur aérospatial remplacent progressivement certains composants porteurs et à zones chaudes du moulage traditionnel vers l'impression 3D, malgré les implications actuelles en termes de prix dans cette offre naissante et coûteuse. La croissance de la pénétration et de la demande de technologies de fabrication additive continue de se développer dans le secteur. L’utilisation de l’impression 3D dans l’aérospatiale devrait augmenter au cours de la prochaine période en raison des développements de la technologie d’impression qui améliorent les performances et font baisser les prix. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le fonctionnement d'une imprimante 3D.

En quoi l'impression 3D de pièces structurelles aérospatiales diffère-t-elle de la fabrication traditionnelle ?

Le processus et les matériaux utilisés dans l’impression 3D de composants structurels pour l’aérospatiale sont aux antipodes de ceux utilisés dans la fabrication traditionnelle. L'impression 3D utilise des techniques additives pour construire des pièces couche par couche à partir d'un modèle numérique, par opposition aux processus soustractifs comme l'usinage ou aux processus monobloc comme le moulage. Des géométries complexes, des déchets considérablement réduits et des cycles de développement/test agiles dans la conception sont ainsi rendus possibles. De nombreux matériaux ont le potentiel d'être imprimés en 3D comme alternative aux procédures d'usinage, de moulage ou de coulée.

Kat de Naoum

Kat de Naoum est une écrivaine, auteure, éditrice et spécialiste du contenu britannique avec plus de 20 ans d'expérience en écriture. Kat a de l'expérience en matière d'écriture pour diverses organisations manufacturières et techniques et aime le monde de l'ingénierie. Parallèlement à l'écriture, Kat a travaillé comme parajuriste pendant près de 10 ans, dont sept dans le domaine du financement maritime. Elle a écrit pour de nombreuses publications, tant imprimées qu'en ligne. Kat est titulaire d'un baccalauréat en littérature anglaise et en philosophie, ainsi que d'une maîtrise en écriture créative de l'Université de Kingston.

Lire plus d'articles de Kat de Naoum