Fabrication additive en aéronautique et en spatial

D’après la définition ASTM International de 2012, la « Fabrication Additive » (FA) est un procédé d'assemblage de matériaux pour fabriquer des objets à partir d’un modèle 3D, habituellement couche par couche, par opposition aux méthodes de fabrication soustractives, telles que l'usinage traditionnel ou les procédés de mise en forme par moulage ou par déformation plastique comme le forgeage.

La FA permet de produire des pièces près des cotes par apport successif de matière sans la nécessité de construire un outillage spécifique. Ces techniques sont capables dorénavant de fabriquer des pièces métalliques totalement denses et proches des cotes en une seule étape.

Les industriels du secteur aéronautique manifestent un fort intérêt pour différents procédés innovants de FA, car ceux-ci constituent une alternative intéressante en termes de coût et de flexibilité de conception par rapport aux procédés conventionnels.

Pour le secteur aéronautique qui concerne des petites séries de pièces à haute valeur ajoutée, l’intérêt grandissant réside dans la réduction du délai de fabrication et dans l’obtention d’un meilleur rapport buy-to-fly ou mise au mille, ce qui conduit à d’importants gains de coût de production.

Même si le marché (machines, matériaux, services) de la FA, ou impression 3D, reste assez modeste avec 18,5 milliards de dollars en 2020, selon le cabinet Wohlers, par rapport aux 115 milliards d’euros de chiffre d’affaires actuels de la mécanique française, les enjeux industriels n’en demeurent pas moins très forts, en particulier pour le secteur aéronautique. De la part des analystes, les projections font état d’une progression du marché mondial de la FA métal et polymère de 18 % par an jusqu’à 2025 ( ).

En aéronautique, la première innovation technologique offerte par la FA se concrétise par la grande liberté de conception et les possibilités de création de formes jusqu'alors impossibles à réaliser auparavant sans avoir besoin d'outillages coûteux.

La FA permet également de réduire les étapes d'assemblage, de limiter les passes d’usinage, ce qui aboutit à des composants très compétitifs par rapport aux pièces produites avec les technologies traditionnelles (moulage, forgeage, usinage). Certaines pièces complexes sont particulièrement attrayantes en réduisant le nombre total d'éléments à assembler d’un facteur dix, voire plus.

En outre, une fabrication proche des cotes permet de minimiser les étapes de traitement ultérieures.

Les deux marchés d’introduction industriels de la FA en aéronautique concernent la réparation de pièces en service usagées et la fabrication de moules de plus grande précision. La FA s’est introduite dans le marché de la réparation de pièces en utilisant les techniques de rechargement de matière par projection de poudre ou par dépose de fil (§ 4.4.6).

Quant aux moules céramiques obtenus par les procédés additifs, ils sont avantageusement utilisés pour le moulage à la cire perdue d’aubes creuses refroidies (§ 2.4).

Un changement récent s’opère avec un nouveau marché, celui de la production de pièces complexes en petites/moyennes séries qui sont difficilement réalisables par les procédés conventionnels de fabrication.

Le mot d’ordre pour le secteur aérospatial étant l’allègement des structures, une mutation est en cours avec la flexibilité offerte en conception (optimisation topologique), ce qui doit permettre de faire des économies de carburant.

Il faut noter un impact économique et environnemental très important : la réduction d’un kilogramme à la masse de chaque appareil d’une flotte commerciale composée de 200 avions de ligne, permettrait d’économiser chaque année environ 30 000 litres de carburant et aboutirait à réduire les émissions de CO₂ dans l’atmosphère de près de 80 tonnes.

L’intérêt économique pour le secteur aéronautique réside aussi dans le gain de matière première puisqu’en additif pratiquement toute la matière consommée est utilisée pour la création de la pièce, sachant aussi que les poudres peuvent être recyclées pour une réutilisation ultérieure.

Il est par ailleurs possible de réduire la consommation « matière » en fabriquant des pièces évidées ou des structures treillis pour lesquelles la répartition des efforts subis par la pièce est optimisée préalablement par la conception assistée par ordinateur (CAO) associée à des calculs par éléments finis.

Grâce à la FA, un autre bénéfice économique est lié à la possibilité de réduire le nombre de pièces de rechange, et ainsi les coûts de gestion des stocks.

Cet article a pour objectif de donner, par le biais de nombreuses illustrations, une vision d’ensemble de la FA vis-à-vis des applications aérospatiales, en la plaçant dans un contexte technico-économique de recherche et de développement et permettant de faire un état des lieux de la stratégie des grands groupes et des partenariats et centres spécialisés en FA.