Selon SmarTech, société de conseil en technologies de fabrication, l'aérospatiale est le deuxième secteur industriel, après le secteur médical, à bénéficier de la fabrication additive. Pourtant, le potentiel de la fabrication additive de matériaux céramiques pour la production rapide de composants aérospatiaux, l'amélioration de la flexibilité et la réduction des coûts reste encore méconnu. La fabrication additive permet de produire des pièces en céramique plus résistantes et plus légères, plus rapidement et de manière plus durable, réduisant ainsi les coûts de main-d'œuvre, minimisant l'assemblage manuel et optimisant l'efficacité et les performances grâce à une conception basée sur la modélisation, ce qui contribue à alléger les aéronefs. De plus, la fabrication additive de céramique offre un contrôle dimensionnel précis des pièces finies, avec des détails inférieurs à 100 microns.
Cependant, le terme « céramique » peut évoquer à tort la fragilité. En réalité, les céramiques fabriquées par impression 3D permettent de produire des pièces plus légères et plus fines, présentant une grande résistance structurelle, une ténacité remarquable et une excellente tenue à une large plage de températures. Les entreprises innovantes se tournent de plus en plus vers la fabrication de composants en céramique, tels que des tuyères et des hélices, des isolateurs électriques et des pales de turbines.
Par exemple, l'alumine de haute pureté présente une dureté élevée, une excellente résistance à la corrosion et une large plage de températures de fonctionnement. Les composants en alumine sont également isolants électriques aux hautes températures courantes dans les systèmes aérospatiaux.
Les céramiques à base de zircone répondent à de nombreuses applications exigeant des propriétés extrêmes et soumises à de fortes contraintes mécaniques, comme le moulage de pièces métalliques de haute précision, les vannes et les roulements. Les céramiques en nitrure de silicium présentent une résistance mécanique et une ténacité élevées, ainsi qu'une excellente résistance aux chocs thermiques et une bonne résistance chimique à la corrosion par divers acides, bases et métaux en fusion. Le nitrure de silicium est utilisé pour les isolateurs, les turbines et les antennes à faible constante diélectrique fonctionnant à haute température.
Les céramiques composites présentent plusieurs qualités intéressantes. Les céramiques à base de silicium, additionnées d'alumine et de zircon, ont démontré leur efficacité dans la fabrication de pièces monocristallines pour aubes de turbines. En effet, le noyau céramique constitué de ce matériau possède un coefficient de dilatation thermique très faible (jusqu'à 1 500 °C), une porosité élevée, une excellente qualité de surface et une bonne lixiviation. L'impression de ces noyaux permet de concevoir des turbines capables de résister à des températures de fonctionnement plus élevées et d'améliorer le rendement du moteur.
Il est bien connu que le moulage par injection ou l'usinage de la céramique est très difficile, et que l'usinage offre un accès limité aux composants fabriqués. Les parois minces, par exemple, sont également difficiles à usiner.
Cependant, Lithoz utilise la fabrication de céramique basée sur la lithographie (LCM) pour fabriquer des composants en céramique 3D précis et de forme complexe.
À partir du modèle CAO, les spécifications détaillées sont transférées numériquement à l'imprimante 3D. La poudre céramique, formulée avec précision, est ensuite déposée sur la surface supérieure d'une cuve transparente. La plateforme de construction mobile est immergée dans la pâte et exposée sélectivement à la lumière visible par le dessous. L'image de chaque couche est générée par un dispositif à micro-miroirs numériques (DMD) couplé à un système de projection. La répétition de ce processus permet de générer une pièce crue tridimensionnelle, couche par couche. Après un post-traitement thermique, le liant est éliminé et les pièces crues sont frittées – un procédé de chauffage spécifique permettant leur assemblage – afin d'obtenir une pièce céramique parfaitement dense, présentant d'excellentes propriétés mécaniques et une qualité de surface irréprochable.
La technologie LCM offre un procédé innovant, économique et plus rapide pour le moulage à cire perdue des composants de moteurs à turbines, en évitant la fabrication coûteuse et laborieuse des moules nécessaires au moulage par injection et au moulage à cire perdue.
La LCM permet également de réaliser des conceptions impossibles à obtenir par d'autres méthodes, tout en utilisant beaucoup moins de matières premières.
Malgré le grand potentiel des matériaux céramiques et de la technologie LCM, il existe encore un fossé entre les fabricants d'équipement d'origine (OEM) de fabrication additive et les concepteurs aérospatiaux.
L'une des raisons pourrait être la résistance aux nouvelles méthodes de fabrication dans les industries aux exigences particulièrement strictes en matière de sécurité et de qualité. La fabrication aérospatiale exige de nombreux processus de vérification et de qualification, ainsi que des tests approfondis et rigoureux.
Un autre obstacle réside dans la croyance que l'impression 3D ne convient qu'au prototypage rapide ponctuel, et non à des applications concrètes. Or, il s'agit là d'une idée fausse : l'impression 3D de composants en céramique a fait ses preuves en production de masse.
La fabrication d'aubes de turbines en est un exemple : le procédé de fabrication additive céramique produit des noyaux monocristallins (SX), ainsi que des aubes de turbines en superalliage par solidification dirigée (DS) et coulée équiaxe (EX). Il est possible de produire rapidement et à moindre coût des noyaux présentant des structures ramifiées complexes, des parois multiples et des bords de fuite inférieurs à 200 µm. Les composants finaux offrent une précision dimensionnelle constante et un excellent état de surface.
L'amélioration de la communication peut rapprocher les concepteurs aérospatiaux et les équipementiers de fabrication additive et instaurer une confiance totale dans les composants céramiques fabriqués par LCM et d'autres technologies. La technologie et l'expertise existent. Il est nécessaire de changer de perspective : il ne s'agit plus seulement de considérer la fabrication additive comme un outil de R&D et de prototypage, mais comme la voie à suivre pour les applications commerciales à grande échelle.
Outre la formation, les entreprises aérospatiales peuvent également investir dans le personnel, l'ingénierie et les essais. Les fabricants doivent maîtriser les différentes normes et méthodes d'évaluation des céramiques, et non des métaux. Par exemple, les deux normes ASTM clés de Lithoz pour les céramiques structurales sont la norme ASTM C1161 pour les essais de résistance et la norme ASTM C1421 pour les essais de ténacité. Ces normes s'appliquent aux céramiques produites par tous les procédés. En fabrication additive céramique, l'impression 3D n'est qu'une étape de mise en forme, et les pièces subissent le même type de frittage que les céramiques traditionnelles. Par conséquent, la microstructure des pièces en céramique est très similaire à celle obtenue par usinage conventionnel.
Grâce aux progrès constants des matériaux et des technologies, nous pouvons affirmer avec confiance que les concepteurs disposeront de davantage de données. De nouveaux matériaux céramiques seront développés et adaptés aux besoins spécifiques de l'ingénierie. Les pièces fabriquées par fabrication additive céramique seront certifiées pour une utilisation dans l'aérospatiale. Des outils de conception plus performants, tels que des logiciels de modélisation améliorés, seront également disponibles.
En collaborant avec les experts techniques de LCM, les entreprises aérospatiales peuvent intégrer en interne les procédés de fabrication additive céramique, ce qui permet de réduire les délais et les coûts, et de développer leur propre propriété intellectuelle. Grâce à une vision à long terme, les entreprises aérospatiales qui investissent dans la technologie céramique peuvent en retirer des bénéfices considérables pour l'ensemble de leur production au cours des dix prochaines années et au-delà.
En établissant un partenariat avec AM Ceramics, les fabricants d'équipements d'origine du secteur aérospatial pourront produire des composants auparavant inimaginables.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan interviendra sur les difficultés de communiquer efficacement les avantages de la fabrication additive céramique lors du salon Ceramics Expo à Cleveland, dans l'Ohio, le 1er septembre 2021.
Bien que le développement des systèmes de vol hypersoniques existe depuis des décennies, il est désormais devenu la priorité absolue de la défense nationale américaine, propulsant ce domaine dans une phase de croissance et d'évolution rapides. En tant que domaine multidisciplinaire unique, le défi consiste à trouver des experts possédant les compétences nécessaires à son développement. Or, le manque d'experts engendre un déficit d'innovation, par exemple en privilégiant la conception pour la fabrication (DFM) dès la phase de R&D, ce qui se traduit par un déficit de production lorsqu'il est trop tard pour apporter des modifications rentables.
Les alliances, telles que la toute nouvelle Alliance universitaire pour l'hypersonique appliquée (UCAH), offrent un environnement propice au développement des talents nécessaires à l'avancement du domaine. Les étudiants peuvent collaborer directement avec des chercheurs universitaires et des professionnels de l'industrie pour développer des technologies et faire progresser la recherche hypersonique.
Bien que l'UCAH et d'autres consortiums de défense aient autorisé leurs membres à exercer diverses fonctions d'ingénierie, il reste encore beaucoup à faire pour développer des talents diversifiés et expérimentés, de la conception au développement et à la sélection des matériaux, en passant par les ateliers de fabrication.
Afin d'apporter une valeur ajoutée plus durable dans le domaine, l'alliance universitaire doit faire du développement de la main-d'œuvre une priorité en s'alignant sur les besoins de l'industrie, en impliquant ses membres dans des recherches adaptées à l'industrie et en investissant dans le programme.
Lorsqu'il s'agit de transformer la technologie hypersonique en projets industrialisables à grande échelle, le principal obstacle réside dans la pénurie de main-d'œuvre qualifiée en ingénierie et en production. Si les premières recherches ne franchissent pas ce fameux « gouffre de la mort » – le fossé entre la R&D et la production, et de nombreux projets ambitieux ont échoué –, alors nous perdons une solution applicable et réalisable.
L'industrie manufacturière américaine peut accélérer sa croissance à une vitesse supersonique, mais le risque de prendre du retard réside dans l'augmentation de la main-d'œuvre nécessaire pour suivre le rythme. Par conséquent, le gouvernement et les consortiums de développement universitaires doivent coopérer avec les fabricants pour concrétiser ces plans.
L'industrie souffre d'un manque de compétences, des ateliers de fabrication aux laboratoires d'ingénierie ; ce manque ne fera que s'accentuer avec la croissance du marché hypersonique. Les technologies émergentes nécessitent une main-d'œuvre émergente pour développer les connaissances dans ce domaine.
Les travaux sur l'hypersonique couvrent plusieurs domaines clés, impliquant divers matériaux et structures, chacun présentant ses propres défis techniques. Ils exigent des connaissances pointues et, en l'absence de l'expertise requise, le développement et la production risquent d'être entravés. Faute de personnel suffisant, il nous sera impossible de répondre à la demande croissante de production à grande vitesse.
Par exemple, nous avons besoin de personnes capables de fabriquer le produit final. L'UCAH et d'autres consortiums sont essentiels pour promouvoir la fabrication moderne et veiller à ce que les étudiants intéressés par le rôle de la production industrielle soient inclus. Grâce à des efforts transversaux et ciblés de développement des compétences, l'industrie sera en mesure de conserver un avantage concurrentiel dans les programmes de vols hypersoniques au cours des prochaines années.
En créant l'UCAH, le ministère de la Défense offre l'opportunité d'adopter une approche plus ciblée pour développer les compétences dans ce domaine. Tous les membres de la coalition doivent collaborer pour former les étudiants aux compétences spécifiques dont ils ont besoin, afin de maintenir la dynamique de la recherche et de l'amplifier pour obtenir les résultats attendus par notre pays.
L'Alliance pour les composites avancés de la NASA, aujourd'hui dissoute, illustre la réussite d'une initiative de développement des compétences. Son efficacité repose sur la combinaison de la recherche et du développement avec les intérêts de l'industrie, favorisant ainsi l'innovation au sein de l'écosystème de développement. Des chefs d'entreprise ont collaboré directement avec la NASA et des universités sur des projets pendant deux à quatre ans. Tous les membres ont acquis des connaissances et une expérience professionnelles, appris à coopérer dans un environnement non concurrentiel et accompagné des étudiants afin de former les futurs acteurs clés de l'industrie.
Ce type de développement de la main-d'œuvre comble les lacunes du secteur et offre aux petites entreprises la possibilité d'innover rapidement et de diversifier leurs activités afin de favoriser une croissance accrue, ce qui est propice aux initiatives de sécurité nationale et de sécurité économique des États-Unis.
Les alliances universitaires, dont celle avec l'UCAH, constituent des atouts majeurs dans le domaine hypersonique et l'industrie de la défense. Si leurs recherches ont favorisé l'émergence d'innovations, leur plus grande valeur réside dans leur capacité à former la prochaine génération de professionnels. Le consortium doit désormais investir en priorité dans de tels projets. Ce faisant, il contribuera à assurer le succès à long terme de l'innovation hypersonique.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Les fabricants de produits complexes et de haute technologie (comme les composants d'aéronefs) visent la perfection à chaque étape. Aucune marge de manœuvre n'est tolérée.
La production aéronautique étant extrêmement complexe, les constructeurs doivent gérer rigoureusement le processus qualité, en accordant une grande attention à chaque étape. Cela exige une compréhension approfondie de la gestion et de l'adaptation aux évolutions constantes de la production, de la qualité, de la sécurité et de la chaîne d'approvisionnement, tout en respectant les exigences réglementaires.
La livraison de produits de haute qualité étant influant sur de nombreux facteurs, la gestion de commandes de production complexes et en constante évolution s'avère difficile. Le processus qualité doit être dynamique à chaque étape : inspection, conception, production et tests. Grâce aux stratégies de l'Industrie 4.0 et aux solutions de fabrication modernes, ces défis qualité sont devenus plus faciles à relever.
L'accent a toujours été mis traditionnellement sur les matériaux dans la production aéronautique. La plupart des problèmes de qualité peuvent provenir de la fragilité des matériaux, de la corrosion, de la fatigue des métaux ou d'autres facteurs. Cependant, la production aéronautique actuelle intègre des technologies de pointe et de haute ingénierie utilisant des matériaux résistants. La fabrication des aéronefs fait appel à des processus et des systèmes électroniques hautement spécialisés et complexes. Les logiciels de gestion des opérations classiques ne suffisent plus toujours à résoudre des problèmes aussi complexes.
L'acquisition de pièces plus complexes auprès de la chaîne d'approvisionnement mondiale exige une attention accrue quant à leur intégration tout au long du processus d'assemblage. L'incertitude engendre de nouveaux défis en matière de visibilité de la chaîne d'approvisionnement et de gestion de la qualité. Garantir la qualité d'un si grand nombre de pièces et de produits finis requiert des méthodes de qualité plus performantes et mieux intégrées.
L'Industrie 4.0 représente le développement du secteur manufacturier, et des technologies toujours plus avancées sont nécessaires pour répondre aux exigences de qualité strictes. Parmi les technologies de soutien figurent l'Internet industriel des objets (IIoT), les jumeaux numériques, la réalité augmentée (RA) et l'analyse prédictive.
La Qualité 4.0 désigne une méthode de processus de production axée sur les données, englobant les produits, les processus, la planification, la conformité et les normes. Elle s'appuie sur les méthodes de qualité traditionnelles sans les remplacer, et utilise de nombreuses technologies émergentes similaires à celles du secteur industriel, telles que l'apprentissage automatique, les objets connectés, le cloud computing et les jumeaux numériques, afin de transformer les flux de travail et d'éliminer les défauts potentiels des produits et des processus. L'émergence de la Qualité 4.0 devrait modifier en profondeur la culture d'entreprise en renforçant l'utilisation des données et en intégrant davantage la qualité au processus global de création de produits.
L'Industrie 4.0 intègre les enjeux opérationnels et d'assurance qualité (AQ) dès la phase de conception. Cela concerne notamment la conceptualisation et la conception des produits. Une récente enquête sectorielle révèle que la plupart des marchés ne disposent pas d'un processus automatisé de transfert de conception. Ce processus manuel est source d'erreurs, qu'elles soient internes ou liées à la communication des modifications de conception à la chaîne d'approvisionnement.
Outre la conception, la Qualité 4.0 utilise l'apprentissage automatique centré sur les processus pour réduire le gaspillage et les retouches, et optimiser les paramètres de production. Elle permet également de résoudre les problèmes de performance des produits après livraison, d'exploiter les retours d'expérience sur site pour mettre à jour à distance les logiciels, de maintenir la satisfaction client et, en définitive, de fidéliser la clientèle. Elle devient ainsi un partenaire incontournable de l'Industrie 4.0.
Cependant, la qualité ne se limite pas à certains maillons de la chaîne de production. L'approche inclusive de la Qualité 4.0 permet d'instaurer une démarche qualité globale au sein des entreprises manufacturières, faisant du pouvoir transformateur des données une composante essentielle de leur stratégie. La conformité à tous les niveaux de l'organisation contribue à l'émergence d'une culture de la qualité partagée.
Aucun processus de production ne peut fonctionner parfaitement en permanence. Des conditions changeantes peuvent engendrer des événements imprévus nécessitant des mesures correctives. Les spécialistes de la qualité savent qu'il s'agit d'un processus continu visant à atteindre la perfection. Comment garantir l'intégration de la qualité dans le processus afin de détecter les problèmes le plus tôt possible ? Que faire lorsqu'un défaut est identifié ? Des facteurs externes sont-ils à l'origine de ce problème ? Quelles modifications apporter au plan d'inspection ou à la procédure de test pour éviter que ce problème ne se reproduise ?
Adoptez une approche où chaque processus de production est associé à un processus qualité. Imaginez un avenir où la qualité est mesurée en continu et où une relation directe existe entre chaque étape. Malgré les aléas, une qualité irréprochable peut être atteinte. Chaque centre de travail examine quotidiennement ses indicateurs et indicateurs clés de performance (KPI) afin d'identifier les axes d'amélioration avant même que les problèmes ne surviennent.
Dans ce système en boucle fermée, chaque processus de production bénéficie d'un contrôle qualité qui fournit un retour d'information permettant d'arrêter le processus, de le poursuivre ou d'effectuer des ajustements en temps réel. Le système est insensible à la fatigue et aux erreurs humaines. Un système qualité en boucle fermée conçu pour la production aéronautique est essentiel pour atteindre des niveaux de qualité supérieurs, réduire les temps de cycle et garantir la conformité aux normes AS9100.
Il y a dix ans, l'idée de concentrer l'assurance qualité sur la conception des produits, les études de marché, les fournisseurs, les services après-vente ou tout autre facteur influençant la satisfaction client était inconcevable. La conception des produits était alors perçue comme relevant d'une autorité supérieure ; la qualité, quant à elle, consistait à mettre en œuvre ces conceptions sur la chaîne de production, quelles que soient leurs imperfections.
Aujourd'hui, de nombreuses entreprises repensent leur modèle économique. Le statu quo de 2018 n'est peut-être plus viable. Les fabricants sont de plus en plus performants. L'abondance de connaissances disponibles permet une meilleure conception du produit idéal dès la première fois, avec une efficacité et des performances accrues.