Fabrication additive dans les composants militaires

Fabrication additive dans les composants militaires : révolutionner les chaînes d'approvisionnement et les performances de l'aérospatiale

La fabrication additive (FA), communément appelée impression 3D, transforme fondamentalement la façon dont les composants militaires et aérospatiaux sont conçus, produits et entretenus. Cette technologie va au-delà du prototypage traditionnel pour permettre la production de pièces d'utilisation finale avec une liberté de conception, une réduction de poids et une résilience de la chaîne d'approvisionnement sans précédent. Ce guide explore l'application stratégique de la FA pour les pièces critiques telles que les boîtiers de capteurs d'aviation , les supports légers pour les relais de l'aviation militaire et les géométries complexes des systèmes de moteurs d'avion . Pour les responsables des achats axés sur l'innovation, le coût du cycle de vie et la rapidité de réponse, comprendre le rôle de la FA est essentiel pour la prochaine génération d' avions , de drones et de plates-formes au sol.

Dynamique de l'industrie : du prototypage rapide à la production certifiée et à l'entreposage numérique

L'adoption de la fabrication additive par le secteur de la défense s'accélère, sous l'impulsion d'initiatives stratégiques telles que la stratégie de fabrication additive du ministère de la Défense américain et d'efforts similaires de l'OTAN. L'accent est passé du simple prototypage à la production certifiée de pièces critiques pour le vol . Cela permet une fabrication à la demande dans les bases d’opérations avancées ou à bord des navires, réduisant ainsi l’empreinte logistique. En outre, le concept d' « entrepôt numérique » – stockage de fichiers CAO au lieu de pièces de rechange physiques telles que des boîtiers de fusibles d'aviation spécialisés ou des supports obsolètes – devient une réalité, ce qui a un impact considérable sur la gestion des stocks et l'atténuation de l'obsolescence des flottes de trains et d'avions existantes.

Nouveaux matériaux et procédés pour des applications exigeantes

La technologie AM progresse rapidement en termes de matériaux et de précision. Le développement de superalliages de nickel à haute température (par exemple, Inconel 718) et d'alliages de titane adaptés à la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) permet la production de pièces qui résistent aux environnements extrêmes des composants de moteurs d'aviation de haute qualité . Simultanément, des processus tels que la photopolymérisation en cuve et le jet de liant permettent la production de caractéristiques complexes à haute résolution pour des composants tels que des boîtiers de compteurs d'aviation personnalisés pour drones ou des supports de capteurs avec canaux de refroidissement intégrés impossibles à usiner de manière conventionnelle.

Priorités d'approvisionnement : 5 préoccupations clés en matière de FA des acheteurs de défense russes et de la CEI

Pour les équipes d’approvisionnement évaluant les composants produits par FA, l’évaluation s’étend au-delà de la pièce à l’ensemble de la chaîne de processus numérique-physique :

1. Qualification des matériaux et certification des processus : les fournisseurs doivent fournir une certification complète des matériaux pour les matières premières de fabrication additive (poudre, résine) et démontrer que leur processus de fabrication additive (y compris les paramètres de construction, le post-traitement et le traitement thermique) est entièrement qualifié et reproductible conformément aux normes pertinentes (par exemple, série AMS7000 , normes NASM ). Ceci n’est pas négociable pour toute application structurelle ou critique en vol.
2. Données sur les propriétés mécaniques et gestion de l'anisotropie : des données d'essai complètes (traction, fatigue, ténacité) pour l'orientation telle que construite doivent être fournies. Les acheteurs sont parfaitement conscients de l'anisotropie potentielle (propriétés dépendant de la direction) des pièces de fabrication additive et exigent la preuve que le fournisseur la comprend et la contrôle lors de la phase de conception et de construction.
3. Sécurité numérique et contrôle ITAR/Export des fichiers de conception : le fichier CAO est désormais un actif critique et contrôlé. Les fournisseurs doivent mettre en place des mesures de cybersécurité robustes pour protéger les données de conception contre le vol ou la falsification. Pour les composants contrôlés par l'ITAR comme certains contacteurs de l'aviation militaire ou pièces de capteurs, le fichier numérique lui-même est soumis à des contrôles à l'exportation, nécessitant des protocoles de transfert de données sécurisés.
4. Analyse coûts-avantages pour la production à faible volume par rapport à la production à haut volume : une justification claire de l'utilisation de la fabrication additive par rapport à la fabrication traditionnelle (forgeage, moulage, usinage) est requise. La fabrication additive doit démontrer une valeur claire en termes de consolidation des pièces, de gains de poids, d'amélioration des performances ou de réduction des délais, en particulier pour la production initiale à faible cadence (LRIP) ou le maintien en puissance.
5. Post-traitement, inspection et traçabilité : une documentation détaillée de toutes les étapes de post-traitement (retrait du support, HIP, usinage, traitement de surface) et des méthodes d'inspection non destructives (NDI) (tomodensitométrie, ressuage) est requise. Chaque pièce AM doit avoir un journal d'empreintes digitales/traçabilité la reliant à son lot de fabrication et à son lot de poudre spécifiques.

Capacité et stratégie de fabrication additive avancée de YM

Nous avons intégré la FA en tant que pilier de fabrication stratégique au sein de notre usine et de nos installations . Notre centre de fabrication additive dédié abrite des imprimantes 3D en métal de qualité industrielle (LPBF) et en polymère (SLS, MJF), ainsi que des cellules complètes de post-traitement et d'inspection. Cela nous permet non seulement de prototyper, mais également de produire des composants certifiés et aptes au vol. Par exemple, nous fabriquons des supports de montage de capteurs légers et personnalisés et des conduits complexes pour les assemblages de capteurs d'aviation , consolidant plusieurs pièces en unités uniques et optimisées qui réduisent le temps d'assemblage et améliorent la fiabilité.

Cette capacité est portée par notre équipe R&D et notre innovation en matière de conception pour la fabrication additive (DfAM). Nos ingénieurs sont spécialistes de l’optimisation topologique et de la conception de structures en treillis, ce qui nous permet de créer des pièces répondant aux exigences de résistance avec une masse minimale. Nous avons développé des paramètres de processus de FA exclusifs pour des alliages hautes performances spécifiques, ce qui entraîne une amélioration de la durée de vie en fatigue et des propriétés des matériaux pour des applications exigeantes, telles que les composants non structurels dans les systèmes d'actionneurs pour les contacteurs d'avions .

Étape par étape : le flux de travail de fabrication additive pour un composant militaire certifié

La production d’une pièce FA qualifiée nécessite un processus discipliné et axé sur le numérique. Voici un flux de travail typique :

1. Étape 1 : Conception et simulation (DfAM) :
   • Repensez le composant à l'aide d'un logiciel d'optimisation de topologie pour minimiser le poids tout en conservant la fonction.
   • Effectuez une simulation du processus de construction AM pour prédire et atténuer la distorsion thermique et les contraintes résiduelles.
   • Générez des structures de support et orientez la pièce pour une construction optimale.

• Utilisez de la poudre métallique certifiée et tamisée provenant d'un fournisseur qualifié. Documentez le numéro de lot et les certificats de matériaux.
• Chargez le fichier de build dans la machine AM dans un environnement contrôlé et propre.
1. Étape 3 : Construire l'exécution et la surveillance en cours :
   1. Exécutez la construction avec les paramètres enregistrés (puissance laser, vitesse de numérisation, épaisseur de couche).
   2. Utiliser des systèmes de surveillance in situ (par exemple, surveillance des bassins de fusion) pour détecter les anomalies en temps réel.
2. Étape 4 : Post-traitement et inspection :
   • Retirez la plaque de construction et effectuez un soulagement du stress.
   • Supprimez les structures de support et effectuez l’usinage nécessaire sur les interfaces critiques.
   • Effectuer une inspection non destructive (NDI) à 100 % , telle qu'une tomodensitométrie pour détecter les défauts internes.
   • Appliquer des traitements de surface ou des revêtements finaux.
3. Étape 5 : Vérification finale et documentation : Effectuer l’inspection dimensionnelle et fonctionnelle finale. Générez un dossier de construction numérique contenant toutes les données de processus, les rapports d'inspection et les certifications des matériaux, offrant une traçabilité complète. Ces données font partie intégrante de notre gestion de la qualité numérique .

Normes de l'industrie : création du cadre de certification pour les pièces de fabrication additive

Évolution des normes pour la fabrication additive dans l’aérospatiale

Le paysage de la normalisation pour la fabrication additive se développe rapidement pour garantir la qualité et la sécurité :

• SAE AS9100 : la norme QMS pour l'aérospatiale, avec de nouveaux avis traitant spécifiquement des contrôles des processus de fabrication additive.
• Série SAE AMS7000 : spécifications des matériaux aérospatiaux pour les métaux de fabrication additive (par exemple, AMS7003 pour Ti-6Al-4V).
• NASA STD-6030 : Exigences de fabrication additive pour les systèmes de vols spatiaux. Une norme rigoureuse souvent référencée pour les applications de haute fiabilité.
• ASTM F42 / ISO TC 261 : comités qui développent les méthodes d'essai fondamentales et les normes terminologiques pour la FA (par exemple, ASTM F3122 pour les essais mécaniques).
• Normes spécifiques aux clients : les grandes entreprises (Lockheed Martin, Boeing, Airbus) ont développé leurs propres normes de qualification AM détaillées que les fournisseurs doivent respecter, impliquant souvent des tests approfondis devant des témoins et des audits de processus.

Analyse des tendances du secteur : impression multimatériaux, optimisation basée sur l'IA et fabrication distribuée

L'avenir de la fabrication additive dans le domaine de la défense s'oriente vers trois tendances de transformation : l'impression multi-matériaux et fonctionnellement graduée permettra d'obtenir des composants uniques aux propriétés variables, comme un boîtier de capteur rigide dans une zone et absorbant les chocs dans une autre. L'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique sont utilisés pour optimiser les paramètres de construction en temps réel, prédire les défauts et générer automatiquement des structures de support, poussant ainsi la qualité et l'efficacité à de nouveaux niveaux. Enfin, le modèle de fabrication distribuée et sous licence émerge, dans lequel une autorité centrale qualifie plusieurs installations d'impression dispersées géographiquement pour produire la même pièce certifiée à partir d'un fichier numérique sécurisé, révolutionnant ainsi la logistique des pièces de rechange telles que les carrosseries de fusibles d'aviation personnalisées ou les composants d'UAV.

Foire aux questions (FAQ) pour les achats et l'ingénierie

Références et sources techniques

• Département américain de la Défense. (2021). Stratégie de fabrication additive du ministère de la Défense .
• Gibson, I., Rosen, D. et Stucker, B. (2021). Technologies de fabrication additive : impression 3D, prototypage rapide et fabrication numérique directe (3e éd.). Springer. (Référence académique complète).
• SAE Internationale. (2022). AMS7000, Spécification des matériaux aérospatiaux pour les pièces en alliage de titane fabriquées de manière additive .
• NASA. (2021). NASA-STD-6030, Exigences de fabrication additive pour les systèmes de vols spatiaux .
• Contributeurs de Wikipédia. (12 mars 2024). "Fabrication additive." Dans Wikipédia, l'Encyclopédie libre . Récupéré de : https://en.wikipedia.org/wiki/Additive_manufacturing