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<strong>De premières applications significatives</strong>

<strong>FABRICATION ADDITIVE</strong> <strong>L'ESPACE SEMBLE ÊTRE UN DOMAINE D'APPLICATION TRÈS PORTEUR POUR LA FABRICATION ADDITIVE, LUI PERMETTANT DE GAGNER EN MATURITÉ INDUSTRIELLE. DEUX EXEMPLES DE RÉALISATIONS RÉCENTES ET HOMOLOGUÉES VOL, RESP

La fabrication additive, on le sait, bouleverse de nouveau complètement la façon de concevoir et de réaliser des pièces mécaniques, que celles-ci soient élaborées à partir de poudres métalliques ou de polymères. Ce procédé vient notamment concurrencer la fonderie, qui avait pourtant déjà fait de gros efforts d'innovation pour récupérer son image de marque face à l'ascension des composites. Celle-ci avait avancé de nouveaux arguments qui avaient pourtant (de nouveau) séduit plusieurs donneurs d'ordre : avantages de coûts et de légèreté, auxquels s'ajoutait une bonne adaptabilité aux formes complexes, ainsi que souplesse et rapidité de mise en oeuvre… Par suite, la fonderie avait pu récupérer des marchés pour quelques pièces spécifiques telles que des pièces d'environnement moteur (en partie froide), des pièces de structure non travaillante et des composants de systèmes (air ou carburant). C'est d'ailleurs par le biais de la fonderie (dite « numérique ») qu'avaient été utilisés les premiers procédés d'« impression 3D » pour fabriquer les moules à l'aide de sable… Autant de qualités et d'arguments qui pourraient donc être surpassés par la fabrication additive métallique, si ce n'est l'impérative nécessité pour celle-ci de maîtriser parfaitement la métallurgie des poudres pour assurer à la pièce finale les caractéristiques requises. D'où l'initiative stratégique de collaboration récemment prise par AGS Fusion et le CTIF qui font de la fonderie et de la fabrication additive non plus des procédés concurrents mais complémentaires, et ce en alliant leurs deux expertises (voir encadré p. 38).

DE LA POUDRE À LA FORME FINALE. Rappelons tout d'abord rapidement que, quelle que soit la déclinaison du procédé utilisée, la fabrication additive permet de réaliser en même temps le matériau et sa mise en forme. Elle consiste en une fusion de matière (métallique ou polymère) progressivement déposée sous forme de poudre ou de fil afin d'obtenir une forme préétablie. Le dépôt, automatiquement piloté par des données de CAO 3D, et la fusion, réalisée au moyen de laser ou par faisceaux d'électrons en atmosphère qui peut être contrôlée, sont effectués au sein de machines spéciales, ayant souvent gardé l'appellation d'imprimante 3D.

La fabrication additive requiert de nombreuses opérations spécifiques, effectuées au cours de différentes phases nouvelles telles que : la préparation des poudres, un « détensionnement thermique », la séparation des pièces de leurs supports (nécessaires pour les surfaces nouvellement créées). Sa pratique nécessite ainsi la maîtrise de trois domaines que sont la science des matériaux, la métallurgie et la mécanique. En outre, le résultat brut demande encore souvent des opérations de finition, qui peuvent être réalisées sur une nouvelle génération de machines hybrides assurant également des fonctions d'usinage.

COMME DES OS HUMAINS. Les nombreuses années de R&T déjà consacrées à la fabrication additive ont confirmé que celleci demandait de reconsidérer complètement le processus même de conception des pièces, du fait de cette extraordinaire possibilité de ne mettre de la matière que là où c'est nécessaire… « On a pu assister ainsi à une évolution de la démarche même de fabrication : auparavant, la conception et la définition de nos premiers prototypes étaient assurées par un ingénieur avant la phase de fabrication additive proprement dite; maintenant, la définition des pièces s'automatise, le concepteur se contentant de définir les interfaces mécaniques (formes et dimensions, niveaux d'effort en charge) ainsi que le volume autorisé pour la pièce ; ces données constituent les entrées d'un logiciel de modélisation spécialisé qui va engendrer la forme répondant au besoin; avec parfois des surprises quant à l'apparence finale ! » souligne Jean-Philippe Jahier, directeur de l'innovation et du déploiement des nouvelles technologies chez Thales Alenia Space.

« Les concepts issus de ces logiciels de modélisation pourraient même se comparer avec des systèmes biologiques comme les charpentes osseuses, résultats d'une véritable optimisation évolutive du point de vue de la densité et de la texture de matière constituante », ajoute-t-il.

Il faut également rappeler que l'utilisation de la CAO permet un prototypage rapide, concept duquel la fabrication additive est d'ailleurs issue en partie, permettant, s'il en était besoin, d'affiner encore les plans du projet de la pièce. Que celle-ci ait été conçue de façon classique ou sur la base d'un produit existant, elle pourra encore être revue par calculs et simulation. C'est notamment la vocation de nombreux bureaux d'études spécialisés dont fait partie la société Ametra Ingénierie, filiale du groupe Deroure.

Pertinence de la conception, possibilité de mélanger différentes poudres (pour optimiser les performances), emploi de la juste quantité de matière, configuration de la pièce d'un seul tenant (supprimant la nécessité d'assembler plusieurs composants), automatisation complète de la fabrication expliquent ainsi les principales qualités de la fabrication additive en termes de flexibilité de conception, de réduction de masse, d'augmentation de fonctionnalité, de reproductibilité, et de diminution des délais de production ainsi que, par suite, des coûts globaux de développement. Bref, une pièce véritablement optimisée à tous points de vue !

RESTER VIGILANT.« Mais attention, si la fabrication additive est un procédé complémentaire offrant certains avantages, il ne remplacera certainement pas tout… Il faut rester vigilant face aux faux espoirs, par exemple en termes de précision géométrique : il subsistera une obligation de réusiner. En fait, le résultat est comparable à un forgé ou à un brut de fonderie, avec des critères normaux de finition et de reprise », alerte Hervé Michel, directeur commercial de Volum-e. Et puis elle engendre de nouveaux défauts, ne manquent pas de souligner plusieurs professionnels : elle nécessite naturellement de nouvelles méthodes de contrôle, notamment effectuées au fur et à mesure de la fabrication de la pièce. Des progrès sont également possibles en matière de procédés de fabrication, pour en améliorer la facilité et la flexibilité. Plus en amont, des recherches sont certainement à poursuivre au niveau des matières premières utilisables, notamment les poudres pour fusion par laser couche par couche de type polymères, les polyamides et les composites pour renforcer leurs caractéristiques de résistance mécanique et thermique. Enfin, se pose la problématique des normes devant régir ce nouveau secteur (voir encadré ci-dessous).

La porte reste donc encore ouverte à la recherche et à l'innovation !

LE PASSAGE D'UN CAP.Jusqu'à présent, la fabrication additive a trouvé des applications pour la réalisation d'outillages (de production, de contrôle ou de maintenance) et de pièces embarquées, peu travaillantes, à bord d'avions et de satellites. Celles-ci constituent en effet déjà pour des grands donneurs d'ordre (Airbus, Thales, Safran) une alternative intéressante pour certains éléments d'aménagement de cabines ou de support d'équipements. Mais peu bénéficient encore de ce statut dans le domaine des structures ou des moteurs, avec une vraie fonction technique.

« En outre, les limites dimensionnelles de ces éléments sont dues aux propres dimensions des imprimantes à poudre, dont la limite actuelle est de l'ordre de 70 cm avec des machines de toute dernière génération », précise Jean-Philippe Jahier. Mais la fabrication additive est en train de passer le cap de la production en série de pièces fonctionnelles en vol.

Le premier exemple est la production chez Volum-e du carter de turbomachine du futur démonstrateur Prométhée codéveloppé avec le Cnes, Airbus Safran Launchers, et Snecma (Safran). « Il s'agit de l'une des plus grandes pièces réalisées à ce jour en une seule fois - c'est-àdire sans rechargement - en fabrication additive métallique, en l'occurrence à base de poudre Inconel, sur une machine de type M400 », précise Hervé Michel.

« Le projet Prométhée est issu d'une initiative du Cnes relayée par Airbus Safran Launchers. L'objectif est de réaliser un moteur bas coût, LOX-méthane et réutilisable. Pour réussir ces challenges, l'arrivée d'une nouvelle génération de machines en fabrication additive plus grande et plus robuste que les machines actuellement en service constitue un jalon important dans ce projet », explique Emmanuel Edeline, chef de programme avant projets Airbus Safran Launchers.

Pour réaliser ces pièces, la division des moteurs spatiaux de Snecma (Safran) est partenaire de la société Volum-e depuis 2011. « Le design de la pièce a été pensé entre les équipes techniques afin d'éviter au maximum les "supportages" qui ajoutent du temps de fabrication et qui peuvent être longs à détacher de la pièce », commente Clément Barret - responsable du secteur FAM chez Volum-e. Le contrat de production va prochainement être signé; il prévoit une cadence annuelle de six moteurs par an, pouvant aller jusqu'à onze.

QUALIFICATION INDUSTRIELLE. En fait, Volum-e a été la première (et a priori encore la seule à ce jour) société française qui ait été qualifiée pour la fabrication additive de pièces de vol dans le domaine spatial par des groupes comme Thales et Safran. « Cette homologation implique au moins sept facteurs : la maîtrise des poudres, des produits, des procédés, la sécurité de fabrication, la maintenance des moyens, le respect de l'environnement et la formation des personnels », souligne encore Hervé Michel.

Filiale du groupe MMB, Maquettes et Modèles de la Bresle, Volum-e (ex-MB Proto) figure parmi les plus anciennes sociétés travaillant sur la fabrication additive, et ce depuis 2004… « Non sans avoir subi les écueils des premiers développements, notamment en matière de répétabilité », rappelle en toute franchise Hervé Michel. Elle participe aux grands projets de recherche européens, Direct Tools, Compolight, Sasam et Nano-Master, qui ont fait évoluer les connaissances dans le domaine de la fusion laser des poudres métalliques à base d'Inconel, titane, aluminium, cobalt-chrome, inox et bronze. Après avoir investi dans ses premières machines en 2005, la société possède désormais l'un des plus importants parcs français (machines Eos M 280, la première qualifiée production en octobre 2014, M 290, et la première M 400 en France, offrant une enveloppe de 400 × 400 × 400 mm).

Volum-e produit quelque 1000 pièces annuelles pour différents clients (Snecma-Safran, Thales et Dassault). A noter parmi celles-ci la première pièce Dassault à avoir volé sur Rafale en décembre 2004 : une pièce en titane, placée sur l'arrière de l'avion, et destinée à surveiller la position du casque du pilote. Avant le développement du carter de moteur pour Prométhée, la position du casque du pilote. Avant le développement du carter de moteur pour Prométhée, la société bénéficiait de l'expérience acquise avec la fabrication du collecteur de carburant pour le moteur Vinci d'Ariane, fait en alliage nickel-chrome.

A BORD DES SATELLITES.Un autre exemple de (petite) production de série, toujours dans le domaine spatial, est celui des pièces légères et de dimensions moyennes (10 à 50 cm), à vocation de support et/ou de fixation d'équipements, qui sont embarquées sur les satellites de Thales Alenia Space. « On ne peut pas vraiment les qualifier de "peu travaillantes" du fait des efforts importants que subissent ces pièces, comme l'ensemble de la structure, au moment du décollage, même si elles ne sont plus sollicitées par la suite », souligne Jean-Philippe Jahier. « Le succès du procédé de fabrication additive est dû ici aux formes géométriques requises, complexes et très changeantes, associées à des volumes de production somme toute assez restreints », ajoute-t-il.

Les fournisseurs de ces pièces sont Poly-Shape et 3DS Layer-Wise, sociétés avec lesquelles est soulignée l'importance du travail collaboratif, base essentielle de la réussite des projets de fabrication additive.

Les cadences de productions sont très variables, en relation avec les temps de cycle des satellites qui vont de vingt-quatre à trente mois pour un gros satellite de télécommunications et pourraient se réduire à quelques jours dans le cadre de mégaconstellations de plusieurs centaines de satellites. Pour ce type d'application, deux catégories de matériaux sont utilisées : en majorité des métaux, aluminium et titane aujourd'hui, en fonction des propriétés mécaniques et thermoélastiques requises; mais aussi des polymères comme le polyamide PA12, pour des supports de tuyauteries de fluides.

Selon Jean-Philippe Jahier, les qualités essentielles de la fabrication additive illustrées par ces éléments, simples et monoblocs ainsi réalisées, courts entre la conception et la production (exemples récents cités de deux pièces complexes en titane qui ont pu être refaites en une semaine - contre au moins un mois avec des procédés classiques); la suppression de toute opération d'assemblage; et donc une diminution des coûts.

Thales Alenia Space attend aujourd'hui de pouvoir réaliser des pièces actuellement faites en céramique selon des procédés de Fabad, et ce avec la même stabilité dimensionnelle et avec un moindre coût, annonce encore Jean-Philippe Jahier. Enfin, une autre piste serait la réalisation de composants passifs de radiofréquence.

STRUCTURATION DU PAYSAGE.La collaboration indispensable, déjà évoquée, que requiert la fabrication additive entre fabricants de machines et utilisateurs, mais aussi les partenariats entre prestataires, structurent actuellement de façon très active le paysage industriel de la fabrication additive.

C'est ainsi qu'est apparue à la fin de l'année dernière la nouvelle société Lisi Aerospace Additive Manufacturing, filiale commune détenue à 60 % par Lisi Aerospace et 40 % par Poly-Shape. Selon ses promoteurs, l'objectif de cette entreprise, basée en Aquitaine, et qui combinera les savoir-faire de ses deux partenaires, est de porter la fabrication additive à une échelle industrielle compatible avec les exigences techniques et économiques des grands donneurs d'ordre. Par ailleurs, Fives, fabricant français de machines-outils 5 axes de fraisage ou dédiées à la dépose de composites, s'est associé pour moitié en septembre 2015 à Michelin, pour développer et commercialiser des machines et ateliers de production en fabrication additive métallique. Basée à Clermont-Ferrand, la nouvelle entité a été baptisée Fives Michelin Additive Solutions (FMAS). Certaines de ces entreprises bénéficient de soutiens, parfois substantiels, de la part d'instances régionales, tel le conseil régional d'Auvergne, réuni pour la dernière fois avant sa fusion avec la région Rhône-Alpes, qui a voté une subvention de 6,3 M€ en faveur de la future filière 3D de fabrication additive métal en Auvergne. Une partie serait précisément destinée à FMAS. Rappelons enfin que, de son côté, la start-up française BeAM, premier constructeur européen de machines de fabrication additive par dépôt de poudres métalliques par laser, bénéficiant de la confiance de Safran, a récemment effectué avec succès son deuxième « tour de table », de 3 M€ après une levée de fonds initiale réalisée en décembre 2014. L'auteur du projet « I am sure » de détection de défauts sur pièces réalisées en fabrication additive, va ainsi pouvoir accélérer son développement, tant en France qu'à l'étranger. ¦

L'importance des normes

Les problèmes auxquels se heurtent parfois des utilisateurs français concernant la qualité des poudres, notamment importées, soulignent l'importance d'une caractérisation normée de ces poudres », souligne Philippe Grognet, responsable des marchés de la métallurgie du groupe Messer. Dans le but de fiabiliser les technologies de fabrication additive et de diffuser leur maturité,

«

Volum-e anime depuis 2012 les travaux du comité UNM 920 (Union de normalisation de la mécanique) fabrication additive de l'Afnor (Association française de normalisation). « La normalisation favorise le dialogue et le consensus entre des acteurs économiques au niveau national comme à l'international, c'est pourquoi Volum-e travaille activement dans les comités technique (ISO 261) et européen (CEN TC 438) Additive Manufacturing où s'élaborent les futures normes d'industrialisation de la fabrication additive. Les niveaux d'exigence augmentent et la normalisation rassure et valorise les productions associées », déclare Hervé Michel (Volum-e).

En outre, Volum-e collabore étroitement avec l'INSA de Rouen dans le domaine du développement des matériaux.

moteur chrome

VOLUM-E

AGS Fusion s'allie au CTIF

AGS Fusion - société spécialisée dans la fabrication additive métallique et en usinage - et le CTIF - centre technique industriel expert en fonderie, matériaux et produits métalliques - viennent d'annoncer un accord de collaboration permettant de joindre leurs compétences et leurs moyens au sein d'une filière industrielle de référence en fabrication additive aluminium.

« Nous avons très vite compris que le nouveau métier de la fabrication additive était plus proche des enjeux de la fonderie que ceux de la mécanique de précision, et un rapprochement avec CTIF nous permettra d'accéder à des compétences et des moyens dont nous ne disposons pas, notamment en ce qui concerne la maîtrise de la santé matière et les champs d'optimisation des outillages de moulage aluminium. L'un des enjeux majeurs est en effet de maîtriser la métallurgie de la pièce pour la doter de propriétés conformes aux exigences du client », a déclaré à cette occasion Godefroy Capron, directeur général d'AGS Fusion.

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