L’un des principaux facteurs à l’origine de l’utilisation accrue des alliages de titane est l’application généralisée des composites en fibre de carbone dans la fabrication aérospatiale. Les alliages de titane et les composites de fibres de carbone présentent une excellente compatibilité, offrant non seulement une résistance élevée et une résistance à la corrosion, mais également une réduction de poids efficace, ce qui les rend particulièrement adaptés aux zones à fortes contraintes et aux composants critiques en contact avec des matériaux composites. Cependant, cette augmentation de l'utilisation des alliages de titane présente un double défi pour les fabricants de l'aérospatiale : premièrement, les alliages de titane sont des métaux de grande valeur, et les processus de forgeage traditionnels entraînent une utilisation extrêmement faible des matériaux, avec jusqu'à 80 à 95 % des matières premières potentiellement gaspillées lors de l'usinage, ce qui pose un défi à la poursuite de l'industrie aérospatiale en matière de fabrication au plus juste et de développement durable. Deuxièmement, l’optimisation continue des performances des avions repose de plus en plus sur une conception structurelle plus efficace et plus légère, alors que les processus de fabrication traditionnels sont souvent confrontés à des limites telles que des coûts élevés, des délais de livraison longs ou une infaisabilité technique lors de la réalisation de structures intégrées complexes. Alors, existe-t-il une méthode de fabrication qui puisse simultanément résoudre le problème urgent du gaspillage de matériaux et libérer le potentiel futur des conceptions structurelles complexes ? Airbus, un constructeur aérospatial, a répondu à ces questions avec sa technologie de fabrication additive par dépôt d'énergie dirigé par fil (w-DED), qu'il pratique depuis de nombreuses années.
Comment fonctionne le w-DED ?
Airbus explique que la technologie utilise un bras robotique multi-axes équipé d'une bobine de fil en alliage de titane, qui se déplace avec précision selon un modèle numérique. En focalisant de l'énergie telle qu'un laser, un plasma ou des faisceaux d'électrons sur le fil, celui-ci fond instantanément et se dépose couche par couche sur un substrat. À première vue, le processus ressemble à du soudage, mais il est en réalité entièrement contrôlé par un modèle tridimensionnel-, capable d'"imprimer" le matériau de bas en haut dans ce qu'on appelle une "partie vierge". Cette pièce brute est déjà très proche de la forme finale souhaitée, atteignant un état "proche-de la forme nette-", et seule une finition rapide est requise pour répondre aux exigences dimensionnelles précises de la pièce.
Libérer le potentiel des composants structurels en alliage de titane pour gros avions
Libérer le potentiel des composants structurels en alliage de titane pour gros avions
Si la technologie d’impression 3D métal est utilisée dans le domaine aérospatial depuis une dizaine d’années, elle se limitait auparavant principalement aux petites pièces. Les systèmes d’impression 3D « sur lit de poudre » sont généralement utilisés pour fabriquer des pièces de moins de 60 centimètres (environ deux pieds). En revanche, la technologie w-DED a permis à Airbus de surmonter les limitations de taille, en produisant de grands composants structurels en alliage de titane pouvant atteindre sept mètres (plus de 23 pieds) de longueur. Le nouveau procédé promet des vitesses de production de plusieurs kilogrammes de matériau par heure. Cela rend possible la production à grande échelle-à l'échelle industrielle de la technologie d'impression 3D pour les composants structurels des gros avions commerciaux.
Contribuer à réduire les déchets de matières premières en titane
Dans la quête actuelle d'une fabrication durable et allégée, les processus de forgeage traditionnels ont du mal à répondre aux exigences strictes des fabricants du secteur aérospatial en matière de contrôle des coûts et d'efficacité des ressources. L’une des principales raisons pour lesquelles Airbus a introduit la fabrication additive DED est d’éviter dès le départ le gaspillage de matériaux lors du traitement. En effet, dans la fabrication additive DED, les pièces sont cultivées couche-par-couche dans une forme proche-nette-, ressemblant étroitement à la forme de conception finale, ne nécessitant qu'un usinage ultérieur minimal.
Améliorer l’agilité du développement des avions
Les procédés traditionnels de matriçage nécessitent la fabrication de moules grands et complexes, un processus qui peut prendre jusqu'à deux ans et nécessite un investissement initial important. En revanche, la forme des pièces imprimées en 3D-est entièrement définie par des programmes informatiques, ce qui réduit les cycles de livraison à quelques semaines seulement. L'agilité offerte par w-DED est particulièrement bénéfique pour la fabrication fluide et dans les délais du premier prototype-même si les conceptions détaillées sont encore en cours de peaufinage et d'optimisation-, la technologie prend en charge une itération rapide des composants physiques jusqu'à ce que l'avion entier entre dans l'assemblage final.
Première validation en production de l'A350
Airbus a récemment commencé l'intégration en production de masse de composants de grande taille fabriqués à l'aide de la technologie w-DED dans la structure périmétrique des portes cargo de l'avion A350. Dans cette phase exploratoire, ces pièces spécifiques, conçues par Airbus, sont imprimées à l'aide de la technologie plasma w-DED par des fournisseurs qualifiés, puis testées par ultrasons par Testia Bremen, et enfin finies et assemblées dans les propres usines d'Airbus. Ces pièces sont fonctionnellement et géométriquement identiques aux pièces forgées traditionnelles qu'elles remplacent, mais permettent de réaliser d'importantes économies de coûts. Pour l'avenir, Airbus prévoit d'utiliser les composants w-DED de l'A350 comme point de départ pour étendre progressivement cette technologie à d'autres projets et à des parties plus critiques de l'avion (à long terme, notamment les ailes et le train d'atterrissage).
Conçu pour le DED
Plus important encore, cette technologie a donné naissance au nouveau concept de « conçu pour le DED ». Les ingénieurs n'ont plus besoin de décomposer les composants complexes en plusieurs parties indépendantes pour une fabrication et un assemblage séparés ; au lieu de cela, ils peuvent les concevoir comme un seul composant intégré structurellement optimisé et les imprimer en une seule fois. Cette capacité à intégrer plusieurs pièces en un seul composant simplifiera efficacement la chaîne d'approvisionnement, réduira les étapes d'assemblage et raccourcira les cycles de production, réalisant ainsi pleinement le potentiel des avions de nouvelle-génération basés sur des concepts de conception 3D.
Promouvoir l'application de fabrication de composants clés
Actuellement, Airbus et ses partenaires font de grands progrès en accumulant de l'expérience dans la fabrication de composants clés à l'aide de la technologie w-DED (wafer-to-trouver), et ont réalisé des progrès encourageants. Les ingénieurs testent diverses sources d'énergie, notamment le plasma, le soudage à l'arc, les faisceaux d'électrons et les faisceaux laser, et évaluent simultanément les stratégies d'« externalisation » (sous-traitance de l'impression à des fabricants externes) et de « fabrication en interne » (production interne). De plus, cette technologie sera standardisée au niveau du groupe Airbus pour assurer son application et sa promotion dans toute l'entreprise.
Faire progresser systématiquement la logique de la navigabilité
L'aspect le plus long-et le plus difficile de la certification de navigabilité est la reconnaissance de la sécurité, c'est-à-dire comment prouver que les matériaux sont sûrs. L’industrie manufacturière de l’aviation civile internationale a accumulé une expérience au fil de nombreuses années de pratique. Lorsque nous parlons de certification de navigabilité, nous faisons en réalité référence à la certification des pièces d’avion, qui implique trois aspects : les matériaux, les processus et la conception. La fabrication additive-la technologie d'impression 3D-implique les trois éléments. Premièrement, la fabrication additive est un processus de fabrication. Parallèlement, maximiser la valeur de cette technologie nécessite une conception adaptée à la fabrication additive. L’utilisation de nouveaux matériaux dans la fabrication additive de pièces ajoute un autre élément nécessitant une vérification de sécurité. Par conséquent, l’approche la plus sûre consiste à résoudre ce problème étape par étape, en minimisant les risques. L'approche d'Airbus en matière de fabrication additive DED d'alliages de titane reflète la logique de navigabilité en « trois -étapes » évoquée dans l'interview ci-dessus. Tout d'abord, en commençant par les structures porteuses secondaires-comme les portes cargo de l'A350, la fiabilité du processus w-DED lui-même a été vérifiée tout en conservant les matériaux et la conception inchangés. Ensuite, il s'est progressivement étendu aux structures porteuses principales-, favorisant une optimisation « conçue pour le DED ». Actuellement, l’accent est mis sur la libération du potentiel des matériaux traditionnels avec de nouveaux processus, plutôt que de défier simultanément des voies entièrement nouvelles en matière de matériaux, de processus et de conception. Cette approche progressive et contrôlée des risques-reflète non seulement le rythme nécessaire de l'industrialisation, mais révèle également l'essence de la fabrication additive aérospatiale-il ne s'agit pas seulement d'une innovation technologique mais aussi d'un projet systématique de « construction de la confiance ». La manière de transformer l'innovation technologique en une valeur fiable pouvant être certifiée et produite en masse dans le cadre de la navigabilité, ainsi que la logique sous-jacente en matière de calendrier, de stratification des risques et de vérification, méritent peut-être plus d'être examinées en profondeur par l'industrie que des détails techniques spécifiques.