Comment l'impression 3D révolutionne l'aérospatiale et la défense

Elles ne sont peut-être pas encore du matériel critique pour le vol, mais les pièces imprimées en 3D pour avions commerciaux, militaires et engins spatiaux facilitent la réduction de poids et des coûts de matière. Traduction : Il y a un ROI ici pour des cas d'usage très spécifiques — et un gain fonctionnel grâce aux économies réinvesties à bon escient.

La fabrication additive a un avenir radieux. Mais à quel point sera-t-il brillant pour l'industrie aérospatiale et de défense ? Nous explorons comment les pièces imprimées en 3D ont un impact aujourd'hui — et regardons certaines des limitations.

Nous avons parlé avec des experts en ingénierie chez 3D Systems et 3DDirections pour découvrir où la fabrication additive et l'impression 3D dans l'aérospatiale et la défense se dirigent. Mais d'abord, regardons l'évolution de l'industrie dans ce secteur vertical vibrant.

L'histoire de l'impression 3D et des pièces additives pour l'aérospatiale et la défense

L'industrie aérospatiale et de défense, surtout l'armée américaine, a été un adopteur précoce des pièces imprimées en 3D, mais principalement pour les tests et simulations car les classements feu et toxicité des plastiques n'étaient pas au niveau des métaux pour le vol — tant dans l'espace qu'au-dessus des nuages.

Ces pièces de test étaient principalement utilisées dans les drones et satellites, explique Bryan Newbrite, ingénieur d'application chez 3D Systems. Entre 2008 et 2013, des plastiques additifs comme Bluestone étaient utilisés dans les tests pour des choses telles que les souffleries et les pièces de gainage, mais des résines céramiques étaient aussi utilisées pour les simulations.

Ces cas d'usage étaient bons pour imiter le flux d'air. Ces pièces n'étaient jamais utilisées avec des humains. Avant cette ère, au milieu des années 1990, certaines pièces 3D étaient utilisées pour des coulées rapides.

Les choses ont commencé à changer vers 2007-2013.

« Le plus grand changement dans le secteur aérospatial a été en fait le développement du frittage laser sélectif ignifuge », dit Newbrite. « C'est l'une des rares choses qu'on a commencé à trouver en aviation commerciale... En gros, cela a pris du nylon 12 ou nylon 11 et y a ajouté des retardateurs de flamme pour qu'il passe les tests de flamme. »

C'était significatif car cela signifiait que le matériau pouvait supporter un peu de chaleur sans prendre feu — et pouvait s'éteindre rapidement sans dégager de fumées toxiques.

C'était d'abord utilisé dans les satellites. La raison principale ? Le retour sur investissement.

« Ça coûte 40 000 à 50 000 $ par kilogramme pour mettre un satellite en orbite géostationnaire », dit Newbrite. « Donc si vous pouvez concevoir un support structurel ou un membre interne de satellite et économiser quelques kilogrammes, eh bien le coût ajouté de devoir le construire en additif est plus que compensé. »

Un moment charnière dans l'histoire de l'impression 3D dans l'aérospatiale : la buse à carburant du moteur LEAP de GE

L'une des pièces additifs les plus notables pour l'aviation commerciale était une buse à carburant imprimée en 3D par GE, pour le moteur LEAP. C'est un exemple brillant de comment les efforts de recherche et développement aboutissent — et attirent beaucoup d'attention pour l'innovation.

« La façon dont GE a réussi ce projet, c'est qu'ils ont dû utiliser la force brute pour y arriver, ce qui voulait dire qu'ils ont construit des milliers et des milliers de ces buses pour pouvoir les qualifier comme pièces viables qui peuvent être imprimées », explique Chris Barrett, président et fondateur de 3DDirections, consultant en fabrication additive et expert en ingénierie mécanique.

Barrett travaille pour Universal Technology Corporation comme scientifique de recherche et est doctorant à Youngstown State University en Ohio.

« La façon dont ils devaient la faire avant, c'est essentiellement des tonnes de couches de feuille de différents types compressées ensemble », dit Barrett. « Et c'était la seule façon d'obtenir la complexité nécessaire. Pour la version 3D, elle utilisait la même approche par couches, mais imaginez le faire manuellement. »

Selon GE, les buses imprimées en 3D sont « cinq fois plus durables que le modèle précédent » et l'approche additive « a permis aux ingénieurs d'utiliser un design plus simple qui a réduit le nombre de brasures et soudures de 25 à seulement cinq. »

Un thème commun de l'impression 3D et fabrication additive : la réduction des pièces, étapes ou poids

Barrett et Newbrite soulignent tous deux que la plupart des pièces imprimées en 3D pour l'aérospatiale et la défense ne sont pas critiques pour le vol aujourd'hui. Malgré l'incursion de GE avec les buses à carburant, la production de gros volume reste un problème.

« Avec le temps, je suis sûr que les technologies et approches additives rattraperont leur retard », dit Newbrite. « Mais côté coût, vous ne voyez pas vraiment beaucoup de cela en production pour l'instant. Les gros avions commerciaux sont devenus très efficaces. Vraiment, la plupart des cas d'usage actuels sont fortement concentrés dans le militaire, les drones, avions sans pilote et satellites, où le poids compte vraiment. »

Les méthodes de fabrication traditionnelles avec des machines CNC avancées et de précision continueront de dominer l'industrie car elles restent les plus rentables.

« C'est généralement 10 à 100 fois le coût du traditionnel », dit Barrett. « Donc il faut que ça montre une amélioration de 10 à 100 fois en tant que pièce à la fin de la journée. »

Pourtant, il y a des applications en usage aujourd'hui, et beaucoup d'autres en évaluation. Les grands OEM commerciaux et de défense incluant Boeing, Airbus, Honeywell, GE et Lockheed Martin investissent massivement dans la recherche en fabrication additive.

Barrett pointe vers un autre projet R&D de GE qui a tenté d'imprimer la plupart des pièces d'un moteur d'avion — un turbopropulseur avancé, ou ATP — et a réussi en utilisant des superalliages de titane.

« GE a pris un moteur qui avait été fait de 855 pièces et l'a réduit à environ 12 », dit Barrett. « Ils ont pu réduire le poids du moteur de 100 livres et augmenter l'efficacité carburant de 20 %. »

Voir tous les composants imprimés en 3D du moteur ATP de GE. Source : GE

La réduction de poids a aussi permis une augmentation de 10 % de la puissance par rapport à son prédécesseur. Ce moteur est prévu pour entrer en production pour l'avion Cessna Denali de Textron Aviation.

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Impression 3D pour l'aérospatiale et la défense : MRO et pièces de rechange

L'un des cas d'usage les plus intéressants pour l'impression 3D est la fabrication de pièces de rechange pour avions anciens, comme ceux qu'on trouve sur les C-130 et B-52. Les avions sont plus vieux mais sont encore utilisés pour le transport de cargo et de troupes — et leurs pièces deviennent de plus en plus difficiles à remplacer, explique Barrett.

Le problème ? Les avions peuvent être cloués au sol pendant de longues périodes — parfois plusieurs années à cause d'un manque de pièces de rechange. Certains de ces avions datent de 50 ans, et les entreprises ne fabriquent plus de pièces pour eux — ou ont fait faillite. Les entreprises prêtes à faire des pièces de rechange peuvent prendre des années pour les compléter.

« Quand nous avons commencé à rechercher cela, nous avons découvert que certaines de ces pièces, parce qu'elles sont restées dans l'avion et ont été ballottées pendant tant de décennies, se sont étirées et déformées au fur et à mesure que l'avion s'étirait et se déformait », dit Barrett. « Donc chaque pièce est un peu différente, parce que le virage à 90 degrés maintenant n'est plus 90 degrés, il pourrait être 85 degrés. Eh bien, je ne peux pas faire un moule de coulée unique qui tient compte de toutes ces différences. Donc ça fait un cas parfait pour l'impression 3D. »

Des entreprises comme 3D Systems et d'autres peuvent faire des pièces sur mesure pour chaque avion en apportant des scanners 3D sur un avion, créant des fichiers numériques et imprimant chaque pièce adaptée à la forme et la géométrie de cette pièce dans son état actuel.

Voir les pièces MRO et de rechange fabriquées pour avions militaires anciens. Source : 3D Systems

Ce projet de pièces de rechange anciennes implique un certain nombre d'organisations publiques et privées à travers une initiative appelée Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, ou MAMLS, financée par le Laboratoire de Recherche de l'Air Force.

Un fabricant qui a fait des percées avec les avions C-130 est Metro Aerospace, une entreprise mise en avant sur Better MRO au Salon International de la Technologie de Fabrication 2018. Metro Aerospace a livré des pièces micro-ailettes aux militaires. Les micro-ailettes sont faites d'un polymère composite léger, non corrosif, durable, qui inclut du verre et des billes de nylon.

Lisez tout sur les défis et le succès de production de Metro Aerospace dans l'article « How to Take a 3D-Printed Part to Market in Aerospace. »

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