Méthodes de fabrication dans l'aérospatiale pour le prototypage et la production

L'industrie aérospatiale est depuis longtemps à l'avant-garde de l'innovation en matière de fabrication, les entreprises cherchant continuellement à réduire les coûts, à améliorer l'efficacité, à accroître l'utilisation de l'équipement, à améliorer la rentabilité et à satisfaire et dépasser les attentes. Les pratiques de fabrication avancées ont permis de faire progresser la capacité à développer des prototypes et des pièces de production.

Cet article traite des méthodes de fabrication dans l'aérospatiale pour le prototypage et la production, du procédé de pré-production et de prototypage, des méthodes, de la production, des matériaux et de la qualité.

En 2022, l'industrie aérospatiale a été stimulée par l'augmentation des commandes d'avions et de matériel militaire et par la demande supplémentaire de voyages aériens. Bien que le prix du carburant ait une incidence sur les voyages aériens et les coûts globaux, la croissance des nouvelles technologies améliore l'efficacité, l'industrie cherchant à concevoir des produits plus économes en carburant et moins polluants.

D'après les enquêtes menées auprès des chefs d'entreprise de l'aérospatiale, les perspectives commerciales générales pour l'aérospatiale l'année prochaine vont de "plutôt positives à très positives". L'agilité est nécessaire pour éviter l'instabilité potentielle du marché, et la croissance technologique est au premier plan des tendances qui devraient guider l'industrie dans les années à venir. En plus de la nécessité d'ajouter plus de talents à la main-d'œuvre, les tendances de l'industrie aérospatiale comprennent de nombreux programmes de pointe qui sont définis ci-dessous :

• Impression 3D - Composante de la fabrication additive, l'impression 3D consiste à construire des pièces en assemblant des matériaux couche par couche à partir d'une conception 3D telle qu'un fichier CAO.
• Fabrication additive (AM) - Le procédé AM permet de créer un objet en ajoutant de la matière. L'inverse est appelé "fabrication soustractive", où la matière est retirée par découpe et autres méthodes. Elle se distingue de l'impression 3D, qui ajoute de la matière par couche.
• Intelligence artificielle (IA) - L'IA comprend des systèmes ou des machines qui imitent l'intelligence humaine pour effectuer des tâches et qui peuvent s'améliorer de manière itérative en fonction des informations qu'ils recueillent.
• Informatique en nuage - L'informatique en nuage utilise un réseau de serveurs distants hébergés sur Internet pour stocker, gérer et procéder au traitement des données plutôt qu'un serveur local ou un ordinateur personnel.
• Fabrication de composites - Les composites sont constitués de deux ou plusieurs matériaux distincts, ce qui permet d'améliorer les performances des produits et de réduire les coûts de production. Ces matériaux sont développés pour des performances supérieures dans certaines applications spécifiques.
• Fabrication distribuée (DM) - La DM est une forme de fabrication décentralisée utilisant un réseau de fabricants localisés. Ces fabricants offrent des services sous contrat basés sur leur expertise en matière de fabrication. Ces services sont coordonnés à l'aide de technologies de l'information avancées et de plateformes en nuage.
• Fil numérique - Un fil numérique est une architecture axée sur les données qui relie les informations générées par le cycle de vie d'un produit. Il est envisagé comme la plateforme de données et de communication principale ou faisant autorité pour les produits d'une entreprise à un moment donné. 
• Industrie 4.0 - L'industrie 4.0 est la prochaine étape dans la façon dont les entreprises fabriquent, améliorent et distribuent leurs produits. Les fabricants intègrent de nouvelles technologies, notamment l'Internet des objets (IoT), le cloud computing et l'analytique, ainsi que l'IA et l'apprentissage automatique, dans leurs installations et opérations de production.
• Internet des objets (IoT) - L'Internet des objets (IoT) est le réseau d'objets physiques, " choses ", dotés de capteurs, de logiciels et d'autres technologies permettant de se connecter et d'échanger des données avec d'autres appareils et systèmes sur Internet.
• Usine intelligente - L'usine intelligente est un réseau interconnecté de machines, de mécanismes de communication et de puissance de calcul qui constitue un système cyber-physique. Ce système utilise des technologies avancées telles que l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique pour analyser les données, piloter des procédés automatisés et apprendre à s'améliorer en permanence.
• Apprentissage automatique - L'apprentissage automatique est l'utilisation et le développement de systèmes informatiques qui peuvent apprendre et s'adapter sans suivre d'instructions explicites, en utilisant des algorithmes et des modèles statistiques pour analyser et tirer des conclusions à partir de modèles dans les données.
• Chaîne d'approvisionnement - Les activités impliquées dans la fourniture d'un produit à toutes les étapes, de la matière première aux produits finis. 
• Durabilité - La durabilité consiste à répondre aux besoins des générations actuelles sans compromettre les besoins des générations futures tout en assurant un équilibre entre la croissance économique, la protection de l'environnement et le bien-être social.

Les technologies numériques et les méthodes de fabrication de pointe ont donné un avantage à la fabrication aérospatiale. La dépendance des entreprises aérospatiales à l'égard de ces technologies augmentera à mesure qu'elles continueront à rationaliser la conception et le développement des produits. L'approvisionnement devrait continuer à s'orienter vers des fournisseurs régionaux et des services de fabrication distribués pour économiser du temps et de l'argent et améliorer la qualité. L'industrie recherche également de nouvelles technologies de propulsion, notamment l'hydrogène et les modèles hybrides. L'énergie renouvelable est également une tendance constante dans l'industrie aérospatiale. 

Les technologies de fabrication additive ont joué un rôle déterminant dans ces tendances industrielles et poursuivent leur croissance rapide avec des matériaux nouvellement conçus. Les trois technologies clés sont l'impression 3D, la fabrication de composites et d'autres technologies de fabrication additive (FA).

Ces dernières comprennent la fusion sur lit de poudre, l'injection de matériaux et de liants, la polymérisation en cuve, le dépôt par énergie directe et l'extrusion de matériaux.

Ces technologies ont pris leur essor en raison de la fragilité de la chaîne d'approvisionnement mondiale et de la capacité des technologies de fabrication additive. Ces questions se sont avérées cruciales lorsque les entreprises ont besoin de méthodes plus agiles pour développer, s'approvisionner et fabriquer des produits.

Entre 2010 et 2020, le marché de la fabrication additive a doublé et devrait gagner plus de 20 % par an entre 2022 et 2028. L'industrie devrait continuer à développer de nouveaux matériaux composites et à intégrer et développer des technologies de fabrication avancées. L'industrie aérospatiale continue de chercher à fabriquer des produits de plus en plus grands et de plus en plus petits, à atteindre la production en série et à fabriquer des produits complexes qui étaient auparavant un assemblage de nombreuses pièces.

Les technologies additives permettent le prototypage rapide pour accélérer l'évaluation et l'essai de nouveaux produits et matériaux. Les produits sont rapidement conçus et évalués pour leurs caractéristiques de performance lorsqu'ils sont associés à un logiciel de simulation. Ce logiciel puissant optimise les conceptions de produits complexes en quelques heures au lieu de plusieurs semaines.

Le logiciel de simulation évalue les performances des matériaux dans le bureau. Les matériaux défaillants peuvent être facilement remplacés par des matériaux supérieurs. La conception du produit est rapidement améliorée pour obtenir des modèles plus légers, plus robustes et présentant des caractéristiques de performance exceptionnelles.

Ces simulations complexes peuvent prédire la microstructure du produit, les défauts des pièces et les caractéristiques de performance et guider le concepteur dans l'optimisation du procédé. En évitant cette perte de temps, la production de déchets est évitée, les équipements peuvent être utilisés au mieux et le délai de mise sur le marché est accéléré.

L'industrie aérospatiale n'a pas besoin de fabriquer de gros volumes comme les producteurs de matières premières.

Avec la production à la demande, les stocks sont réduits, tout comme les coûts de stockage et d'entreposage. Les économies peuvent s'accumuler rapidement avec des composants aérospatiaux coûteux. La production à la demande est idéale pour les technologies additives, qui nécessitent souvent une réduction du poids des pièces et un prototypage rapide.

Si l'on considère l'utilisation de matériaux coûteux dans les applications aérospatiales, la fabrication additive présente un avantage considérable par rapport aux technologies de fabrication soustractive, où une grande partie du matériau usiné est perdue. L'industrie aérospatiale accorde une grande importance à la réduction du poids des composants. Cela se traduit par une réduction de la consommation de carburant ou une augmentation de l'autonomie de l'appareil. La fabrication additive peut prendre plusieurs composants et développer un seul article tout en réduisant le poids et en maintenant la résistance et les performances globales.   

Récemment, des modèles de fabrication hybride ont été développés pour l'aérospatiale et d'autres industries. Le modèle hybride combine des équipements de fabrication soustractive avec des équipements de fabrication additive. Il peut s'agir de finition après traitement, de perçage de trous extrêmement précis ou d'autres procédés de fabrication soustractive.

Le développement des technologies d'additifs métalliques a été un facteur important de la croissance de l'ensemble du secteur de la fabrication additive. Les procédés additifs tels que le frittage laser dirigé des métaux (DMLS), la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), la fusion sur lit de poudre par faisceau d'électrons (EB-PBF) et le dépôt d'énergie dirigé (DED) permettent de créer des pièces avec des métaux. Ces procédés permettent de fabriquer des pièces en alliages d'aluminium, alliages de cuivre, superalliages de fer, alliages de nickel, métaux précieux, métaux réfractaires, alliages de titane, etc.

D'autres matériaux pour des applications non métalliques uniques comprennent le bore, la fibre de carbone et le caoutchouc de silicone liquide. Parmi les nouveaux matériaux, citons les métamatériaux, une nouvelle catégorie de matériaux spécifiques aux performances et dotés de propriétés que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels. Les systèmes d'échappement des avions peuvent utiliser des métamatériaux pour réduire le bruit.

Les produits aérospatiaux étant utilisés dans des environnements exigeants et dangereux, les produits doivent dépasser les exigences de performance des produits standard. Les produits finis sont évalués pour être testés afin de garantir la conformité et la certification de la qualité. Cela inclut souvent des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT), la tomographie assistée par ordinateur, l'analyse aux rayons X, les essais de performance et les méthodes d'essais destructifs. La traçabilité des lots et des enregistrements complets sont nécessaires en cas de défaillance du produit. Des certifications de matériaux et des données sur les essais de produits sont requises pour la plupart des produits.

Les certifications industrielles aident les entreprises à identifier les fabricants qui répondent aux normes de qualité rigoureuses de l'industrie aérospatiale. Les certifications les plus importantes pour les entreprises de l'aérospatiale et de la défense sont les suivantes : AS9100D, C et B, ISO-9001:2015, AS-5553 et ITAR. AS9100 D est la version ISO-9001 des exigences de qualité pour l'aérospatiale et a été développée par la Society of Automotive Engineers (SAE) et l'Association européenne des industries aérospatiales (EAAI). AS9100 D est la norme de qualité pour l'aérospatiale.

L'AS9100 fait référence à la maintenance et à la réparation des aéronefs. AS9100 B concerne le stockage et la distribution des pièces d'aéronefs. AS -5553 est la norme aérospatiale pour la prévention et l'utilisation des pièces contrefaites. ITAR (International Traffic in Arms Regulations) est spécifique à l'industrie de la défense et régit les exportations supervisées par le Département d'État américain (DOS). La fabrication de tout article destiné à des applications finales liées à la défense ou militaires nécessite une conformité ITAR. Ces certifications sont nécessaires pour opérer dans l'industrie aérospatiale.

Les pièces fabriquées par fabrication additive doivent également être certifiées par différentes agences telles que la Federal Aviation Administration (FAA), l'Agence spatiale européenne (ESA), la Direction générale de l'aviation civile (DGCA), le Center for Military Airworthiness & Certification (CEMILAC), etc. Ces agences vérifient les facteurs ayant un impact sur la qualité du produit et le contrôle du procédé. Ces organismes vérifient les facteurs ayant un impact sur la qualité des produits et le contrôle des processus. Ils recherchent des données concernant les propriétés de résistance des matériaux, les essais, les performances, le contrôle des procédés et la traçabilité des lots.