Les progrès de l’impression 3D sont à l’origine des tendances actuelles en matière de solutions réelles pour des applications concrètes dans la fabrication aérospatiale et spatiale. Bien que les industries aéronautique et aérospatiale aient été parmi les premières à adopter la fabrication additive (FA) pour les initiatives de recherche et développement et à l’échelle de la production, le secteur spatial accélère l’adoption de l’impression 3D. En outre, en réalisant des avancées qui ont permis de créer des pièces complexes, personnalisées et uniques, voire des moteurs de fusée entiers, le secteur spatial ouvre la voie à l’avenir de l’impression 3D au-delà de la Terre.
Qu’il s’agisse de géants comme Boeing, Lockheed Martin et SpaceX ou d’entreprises en phase de démarrage, les sociétés du monde entier tirent parti du matériel, des matériaux et des logiciels d’impression 3D, tout en stimulant les investissements technologiques dans l’AM. En conséquence, en 2021, nous avons vu des industries entières adopter la technologie d’impression 3D, mise en place par la pandémie, et 2022 est en bonne voie pour en récolter les fruits.
3DPrint.com s’est entretenu avec cinq experts du secteur pour en savoir plus sur les tendances en 2021 et sur ce que réserve l’AM dans l’aéronautique et l’espace en 2022. Le fil numérique, la poursuite de la perturbation du secteur spatial, les collaborations industrielles et la préoccupation accrue pour la durabilité sont autant de sujets qui préoccupent les experts de l’AM.
L’impression 3D est en train de révolutionner la production aéronautique. Par conséquent, en 2021, nous avons vu les fabricants d’équipements originaux (OEM) de l’aérospatiale investir dans des machines et des projets AM à grande échelle afin d’améliorer les composants métalliques critiques de haute performance pour atteindre des exigences de consolidation des pièces jusqu’alors inconnues pour les avions de nouvelle génération.
” En 2021, nous avons vu l’industrie de l’AM reconnaître que la modélisation prédictive est essentielle à la qualité du premier coup, tandis que l’activation du fil numérique est essentielle pour l’échelle et le contrôle de la qualité “, a déclaré Melissa Orme, vice-présidente de Boeing AM. “Cette reconnaissance a conduit à une augmentation de la maturation et de l’émergence de sociétés de logiciels pour la modélisation du processus AM, pour la création du jumeau numérique et des plateformes d’archivage des données pour le fil numérique.”
Comme bon nombre de ses concurrents, Boeing a maintenu sa division AM très active en 2021, en établissant un réseau d’impression 3D distribué entièrement contrôlé pour produire à distance et en toute sécurité des pièces sur des imprimantes 3D EOS directement et en imprimant en 3D des matériaux de qualité aérospatiale pour fabriquer des composants pour ses avions. Orme souligne que l’entreprise reste concentrée sur les aspects numériques de l’AM, ayant déjà connecté environ 40 % de son flux de valeur au fil numérique et guidant les constructions AM avec des simulations pour une première réussite.
“Notre flux de données automatique est archivé dans notre base de données AM dans un format commun qui le rend accessible et utilisable pour effectuer nos analyses AM afin d’optimiser en permanence notre flux de valeur.”
Liberté de conception de l’impression 3D : la possibilité d’imprimer des pièces ouvre la voie à des conceptions mécaniques plus efficaces. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Boeing.
Les matériaux d’impression 3D pour l’aérospatiale ont connu d’immenses progrès. Avi Reichental, PDG et cofondateur de Nexa3D, a expliqué que, si l’impression 3D de métaux occupe le devant de la scène dans l’aérospatiale, les polymères représentent un marché important et en pleine croissance. Il a expliqué que de nombreux fabricants aérospatiaux qui intègrent l’AM métal dans leurs opérations investissent également dans des solutions polymères, car l’AM dans son ensemble leur devient plus familier. Plus encore, le fait de disposer d’un portefeuille plus large de solutions de fabrication avancée ouvre davantage de possibilités pour la prochaine génération de fabrication aérospatiale.
“Nous continuerons à voir les capacités d’allègement de l’AM entrer en jeu dans l’aérospatiale, y compris pour la cabine et les composants internes qui ont plus de contact humain”, estime Reichental.
Le centre d’expérience client de Nexa3D avec les systèmes 3D NXE 400. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Nexa3D.
Benny Buller, fondateur et PDG de Velo3D, a une vision très particulière de l’évolution de l’impression 3D pour l’aérospatiale l’année prochaine. Selon l’expert en AM, la conception pour la fabrication additive, ou DfAM – le processus d’ajustement d’une conception pour la rendre moins chère, plus rapide ou plus efficace – a obligé les ingénieurs aérospatiaux à faire des concessions au nom de la fabricabilité plutôt que de concevoir la meilleure pièce possible pour les systèmes de nouvelle génération. Il souligne que la promesse de la GA a toujours été de permettre la liberté de conception plutôt que de la restreindre, aidant ainsi les organisations aéronautiques et spatiales à atteindre de nouveaux sommets en matière d’innovation. Cependant, il estime que cette promesse n’a pas été tenue.
“En 2022, ces ingénieurs verront les entraves de la DfAM supprimées, ce qui leur permettra d’imprimer les pièces qu’ils veulent et dont ils ont besoin, notamment des pièces plus légères, des pièces plus performantes et des pièces qui regroupent de nombreuses pièces en un seul composant. Cela permettra également aux entreprises aérospatiales de reproduire des pièces héritées qui ne peuvent être obtenues par leur chaîne d’approvisionnement traditionnelle sans avoir à les concevoir pour la fabrication additive. Une fois que nous aurons supprimé ces limitations, les ingénieurs pourront créer de toutes pièces de nouveaux systèmes aérospatiaux qui optimiseront les performances et ne seront pas limités par les contraintes de ce qui était autrefois impossible”, révèle M. Buller.
Pour faire progresser l’impression 3D dans le domaine de l’aérospatiale et de l’espace, il est essentiel de tirer parti de toute la puissance de la conception de la meilleure pièce possible, et M. Buller n’est pas le seul à considérer la Dfam comme une contrainte pour ce secteur. En 2021, d’autres experts du secteur ont également exprimé la nécessité d’abandonner la Dfam et d’embrasser la liberté de conception.
Le XB-1 volera avec des composants en titane imprimés en 3D et fabriqués sur le système Sapphire de Velo3D. Image courtoisie de Boom Supersonic et Velo3D
Outre la liberté de conception dont Buller a besoin, Omren prévoit également qu’en 2022, la durabilité sera au centre de l’attention. De plus en plus de fabricants adoptent des pratiques d’impression 3D durables, mais beaucoup espèrent passer à la vitesse supérieure. Par exemple, Boeing a récemment lancé une initiative de durabilité de l’AM afin d’examiner quantitativement les avantages en termes de durabilité de différents scénarios de processus de fabrication et de types de pièces.
Elle redouble également d’efforts pour recycler sa poudre et le condensat des filtres, étudie le recyclage des structures de support, devient plus intelligente dans la conception des pièces afin que les structures de support ne soient pas nécessaires, et utilise des simulations pour réduire les itérations de construction qui consomment de l’énergie et créent des déchets. Selon Omren, la demande des clients et des organismes de réglementation en faveur d’une fabrication plus durable conduira à une technologie d’impression 3D encore plus verte.
“L’AM utilise beaucoup moins de matériaux que la plupart des procédés de fabrication traditionnels, de sorte que la partie amont du flux de valeur – extraction de la matière première, conversion en matériau imprimable et transport jusqu’au point d’impression – est considérablement réduite, ce qui diminue l’empreinte carbone de ces aspects du flux de valeur”, explique M. Omren. “L’AM permet également d’optimiser la pièce afin qu’elle soit plus légère et qu’elle puisse remplir la fonction prévue dans un espace volumétrique plus petit, ce qui signifie que l’AM peut être utilisé pour optimiser le véhicule afin qu’il soit plus profilé, qu’il réduise la traînée et qu’il consomme moins de carburant en service.”
Dans l’aérospatiale, des entreprises comme Boeing, Airbus, Northrop Grumman et Raytheon récoltent les fruits de la production de dizaines de milliers de pièces imprimées en 3D pour les avions, tout comme les entreprises spatiales. L’impression 3D peut résoudre des problèmes d’ingénierie complexes et fabriquer des pièces spécialisées, et nous avons assisté en 2021 à une montée en puissance de la GA pour l’espace. Par exemple, Jordan Noone, cofondateur de Relativity Space, estime que chaque nouveau moteur de fusée qui entrera sur le marché en 2021 comportera des composants imprimés en 3D. C’est la nouvelle base de référence pour les moteurs, dit-il.
L’ingénieur aérospatial a également vu de nombreuses start-ups se lever pour s’attaquer au développement de la prochaine génération d’imprimantes à lit de poudre et aux éléments de l’écosystème de l’impression sur lit de poudre, comme le développement des matériaux, le post-traitement et l’inspection.
Jordan Noone (à droite), cofondateur de Relativity Space. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Relativity Space.
Comme de nombreuses technologies spatiales utilisent désormais l’impression 3D dans le cadre de leurs processus de fabrication, nous avons également assisté à de nombreuses collaborations avec des sociétés d’AM pure-player. L’année dernière, cela a conduit à une plus grande adaptation de l’impression 3D dans l’industrie spatiale, déclare Ankit Saharan, directeur principal de la technologie des métaux chez EOS North America. En interne, EOS a connu une activité considérable du point de vue des achats, et M. Saharan s’attend donc à une croissance continue de l’utilisation des adaptations spatiales à l’aube de la nouvelle année.
“Nous constatons une diversification dans des domaines d’application et des secteurs verticaux plus récents, tels que les semi-conducteurs, l’électronique grand public et les énergies renouvelables, avec un regain d’intérêt pour le développement et la production de produits – ce qui peut être attribué en partie aux préoccupations relatives à la chaîne d’approvisionnement découlant de la pandémie. Nous nous attendons à ce que les tendances de 2021 se poursuivent en 2022, avec quelques opportunités de croissance supplémentaires, notamment grâce à la mise en service de nouveaux matériaux. Par exemple, le cuivre et les alliages de cuivre sont en train de devenir un matériau clé et leur importance ne fera que croître dans l’industrie de l’AM, car ils sont essentiels pour de nombreuses applications de haute technicité”, explique M. Saharan.
Si le cuivre peut être délicat à travailler, EOS affirme avoir perfectionné les processus nécessaires à la réussite de l’impression 3D. D’ici 2022, l’entreprise prévoit un regain d’intérêt pour les aciers à outils comme le H13 et les métaux purs comme le nickel et le tungstène purs pour diverses applications.
Ankit Saharan, directeur principal de la technologie des métaux chez EOS Amérique du Nord. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’EOS.
D’une manière générale, M. Noone s’attend à ce que le marché des lancements soit sursaturé et que de nombreux acteurs se disputent leur place dans la hiérarchie en 2022. Cela signifie que de nombreux lanceurs voleront pour la première fois et que l’impression pourrait constituer un avantage déterminant pour nombre d’entre eux.
“L’industrie de l’impression 3D va continuer à disposer d’outils d’ingénierie numérique de qualité médiocre pour la conception de pièces, en particulier pour l’impression. En tant qu’industrie, nous utilisons des formats de fichiers conçus pour des ordinateurs des années 1970, nous utilisons des outils de CAO développés avant l’invention de l’impression, et le flux de travail pour amener une pièce de la conception au chargement dans l’imprimante est immensément laborieux et manuel”, explique Noone.
Constatant que les outils actuels sont insuffisants, l’expert s’est lancé dans une nouvelle aventure avec la société de capital-risque Embedded Ventures – qu’il a cofondée avec Jenna Bryant – en concentrant un tiers du portefeuille de start-ups sur les outils d’ingénierie numérique afin de fournir des solutions pour la conception avancée de matériel, notamment la société qu’il a incubée, KittyCAD. Ces avancées contribueront à favoriser l’adoption de l’impression 3D dans le secteur.
“L’impression 3D est inévitable, surtout dans l’espace, où l’alignement des valeurs est si fort. Les pièces spatiales doivent être légères, et plus les pièces imprimées sont légères, moins elles sont chères et plus elles sont rapides à fabriquer. Plus un produit est optimisé, plus les coûts et les délais diminuent. C’est du jamais vu ailleurs”, déclare M. Noone. “Comme de plus en plus d’entreprises spatiales reçoivent des financements, la vitesse d’itération est essentielle. Investir dans la vitesse d’itération grâce à des outils flexibles comme l’impression deviendra encore plus essentiel, à mesure que le secteur se sature.”
À ce rythme, au cours de la prochaine décennie, l’industrie aérospatiale et spatiale continuera à se réimaginer tout en stimulant la croissance et en augmentant la valeur, en adoptant les tendances actuelles de l’AM et en suscitant de nouveaux investissements. Au fur et à mesure de son évolution, l’impression 3D alimentera l’innovation pour les fabricants d’avions et les visionnaires extra-terrestres. Pour en savoir plus sur ce sujet, vous pouvez assister à la verticale AM in Aviation and Space, sponsorisée par EOS, lors de l’événement Additive Manufacturing Strategies 2022 qui se déroule du 1er au 3 mars à New York et en ligne.
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