Dans le secteur spatial, les composants de propulsion figurent parmi les éléments les plus critiques d’un lanceur. Les lignes d’échappement, en particulier, doivent répondre à des exigences élevées en termes de tenue mécanique, de résistance thermique, de précision géométrique et de qualité matière. Traditionnellement réalisées par assemblage de tôles roulées et soudées, ces méthodes et process complexes présentent néanmoins des limites en matière de temps de fabrication, de coût et de robustesse procédé.
Dans le cadre du projet ENLIGHTEN-ED, IREPA LASER a exploré une alternative basée sur la fabrication additive laser DED (Direct Energy Deposition)-poudre afin de proposer une approche plus intégrée et mieux maîtrisée pour la fabrication de ces composants de grande dimension.
Lignes d’échappement spatiales : entre complexité géométrique et limites des approches par assemblage
Les lignes d’échappement pour applications spatiales sont des pièces de grande taille, pouvant atteindre environ 1 m de hauteur pour plusieurs centaines de millimètres de diamètre, avec des géométries évolutives et complexes.
Les approches conventionnelles reposent sur :
- Le roulage de tôles métalliques,
- L’assemblage par soudage,
- Des opérations de reprise et de contrôle multiples.
Ces méthodes impliquent :
- Un grand nombre d’étapes de fabrication,
- Des interfaces soudées sensibles,
- Des risques de défauts localisés,
- Des délais et coûts élevés,
- Une complexité accrue pour garantir la répétabilité.
Par ailleurs, la maîtrise des déformations et de la tenue géométrique devient particulièrement critique sur des pièces de cette taille, notamment lorsqu’elles sont soumises à des gradients thermiques importants et à des contraintes mécaniques élevées.
Dans ce contexte, l’enjeu est de réduire la dépendance aux assemblages tout en garantissant un haut niveau de qualité dès la fabrication.
Vers une fabrication plus intégrée grâce à la fabrication additive DED laser-poudre
Pour répondre à ces contraintes, IREPA LASER a mis en œuvre une approche basée sur les procédés de fabrication additive laser (Laser Metal Deposition) en l’occurrence ici le procédé DED laser-poudre, particulièrement adapté aux pièces métalliques de grande dimension.
L’objectif : produire des composants plus intégrés, avec une logique de fabrication directe, limitant le recours aux opérations de soudage.
Cette démarche repose sur une chaîne complète de développement incluant :
- Le « redesign » de la pièce en tenant compte des spécificités du procédé,
- La simulation thermomécanique pour anticiper les contraintes et déformations,
- La définition de stratégies de dépôt adaptées aux différentes zones de la pièce,
- La qualification des paramètres sur des sous-géométries représentatives,
- La validation progressive via du prototypage rapide de pièces à échelle réduite ou de parties critiques et sensibles de la pièce
- Des contrôles dimensionnels et métallurgiques,
- Un traitement thermique dédié à l’alliage utilisé (Inconel 625) sur préconisation du client final,
- Des contrôles non destructifs pour sécuriser la qualité finale.
Cette approche permet d’aborder la fabrication non pas comme une simple production, mais comme un processus global maîtrisé dès les premières étapes.
Anticiper les déformations et sécuriser la qualité matière dès le développement
L’un des points clés du projet réside dans la capacité à anticiper et compenser les déformations liées aux cycles thermiques du procédé DED laser.
Des outils de simulation thermomécanique ont été utilisés pour :
- Prédire les tendances de déformation,
- Identifier les zones sensibles,
- Ajuster les stratégies de fabrication,
- Développer des modèles de compensation géométrique.
En complément, la qualification par sous-géométries a permis d’adapter finement les paramètres procédé en fonction des variations locales de la pièce.
La validation a été réalisée à plusieurs niveaux :
- Prototypes à échelle réduite puis échelle 1,
- Contrôles par scan 3D pour vérifier la géométrie et nourrir la modélisation et la simulation numérique,
- Analyses métallurgiques pour caractériser la matière,
- Contrôles non destructifs pour détecter d’éventuels défauts internes.
Un traitement thermique spécifique généralement proposé par le client final peut également être envisagé pour maîtriser les contraintes thermo mécanique induites lors de la fabrication de la pièce
Des validations concrètes sur des pièces de propulsion de grande dimension
Cette approche a permis de démontrer la faisabilité de la fabrication de lignes d’échappement complexes en fabrication additive DED laser-poudre, avec :
- Une réduction significative du nombre d’opérations d’assemblage,
- Une meilleure intégration des fonctions dans la pièce,
- Une maîtrise des déformations grâce à la simulation,
- Une validation de la stratégie de fabrication sur prototypes représentatifs.
Les travaux menés dans le cadre d’ENLIGHTEN-ED illustrent également la capacité à produire des pièces de grande dimension en Inconel 625 avec une approche structurée combinant conception, procédé, modélisation-simulation métallurgie et contrôle.
Au-delà de la démonstration technologique, l’intérêt industriel réside dans la capacité à envisager des chaînes de fabrication plus directes, plus flexibles et potentiellement plus compétitives pour des composants critiques.
Une expertise intégrée pour accompagner les applications industrielles les plus exigeantes
Ce type de développement met en évidence l’expertise d’IREPA LASER dans la mise en œuvre de procédés laser pour des applications complexes, en intégrant l’ensemble des dimensions nécessaires à leur industrialisation : conception, modélisation-simulation, fabrication, traitement et contrôle.
Dans des secteurs comme le spatial, où les exigences de fiabilité et de performance sont particulièrement élevées, la fabrication additive DED laser-poudre ouvre des perspectives nouvelles pour repenser la manière de concevoir et de produire des composants métalliques de grande dimension.
Au-delà des gains techniques et économiques, cette approche contribue également à renforcer la maîtrise industrielle de la fabrication de pièces critiques. IREPA LASER contribue ainsi à renforcer l’autonomie technologique et la souveraineté industrielle sur des composants stratégiques, en apportant des solutions maîtrisées de la conception à la fabrication pour toutes les branches du secteur de l’aérospatial.
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Le projet ENLIGHTEN-ED a reçu un financement du programme Horizon Europe de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention n° 101135156.
