VOCUS fournit des composants certifiés pour échappements d'avions grâce à une ingénierie inverse avancée et à l'impression 3D

Dans le secteur de la fabrication aérospatiale, la disponibilité imprévisible et les irrégularités de qualité des composants critiques peuvent compromettre à la fois la disponibilité opérationnelle et la sécurité. La société VOCUS GmbH, basée à Augsbourg, un fournisseur aérospatial innovant spécialisé dans la rétro-ingénierie et la fabrication additive (FA), s'est vu confier un projet à haut risque : la refonte et la certification d'une pièce coulissante pour un système d'échappement d'avion.

Afin de mettre en place un processus de fabrication additive entièrement certifiable et reproductible, VOCUS a travaillé en étroite collaboration avec Materialise. Ensemble, les deux partenaires ont établi une chaîne de processus numérique fluide, allant de la préparation des données de conception et de la stratégie de construction à la traçabilité de la production, formant ainsi la base de l'homologation aérospatiale. La production métallique a été réalisée sur un système métallique industriel EOS, offrant la stabilité de processus requise pour des constructions aérospatiales reproductibles.

La pièce d'origine, traditionnellement soudée à partir d'acier de qualité aéronautique, souffrait de variations dimensionnelles, de zones de contrainte induites par le soudage, d'inefficacités opérationnelles causées par le soudage manuel et d'une durée de vie limitée. La mission était claire : développer un processus de fabrication prévisible, contrôlé numériquement et certifiable, qui offrirait des performances améliorées tout en répondant aux exigences strictes du certificat de type supplémentaire (STC) de l'AESA.

Solution

VOCUS a adopté une approche en plusieurs étapes combinant la rétro-ingénierie par tomodensitométrie, l'optimisation numérique, le processus FA , des tests rigoureux et une certification aérospatiale complète.

Dans le cadre de la mise en œuvre de cette approche, Materialise a apporté son soutien à VOCUS grâce à son environnement logiciel éprouvé dans le domaine aérospatial. Cette collaboration a permis d'assurer une préparation fiable de la construction, un traitement standardisé des données et une documentation complète, autant d'éléments essentiels pour répondre aux exigences de certification.

1. Rétro-ingénierie par tomodensitométrie : l'utilisation d'une tomodensitométrie industrielle haute résolution a permis de capturer les géométries internes et externes avec une grande précision, garantissant ainsi une base numérique exacte pour la reconception.
   
   
2. Reconstruction et optimisation CAO : À partir des données CT, les ingénieurs ont recréé la géométrie dans CATIA et ont apporté des améliorations qui ne sont possibles qu'avec FA, telles que :
   - Réduction des points de concentration des contraintes et élimination des zones de transition induites par les soudures
   - Optimisation des rayons de charge
   - Renforcement des zones soumises à des contraintes élevées
   - Réduction ciblée du poids dans les zones non critiques
   - Structure homogène et sans soudure pour résister aux charges thermiques et mécaniques cycliques
   
   
3. Validation du prototype en polymère : un prototype en polymère a été imprimé en 3D afin de vérifier la précision dimensionnelle et l'ajustement, garantissant ainsi la fidélité CAO avant de passer à la fabrication métallique.
   
   
4. Production métallique à l'aide EOS NickelAlloy et PBF/LB-M : le modèle final a été construit sur un système métallique EOS à l'aide de Materialise Magics pour la préparation de la construction et EOS Build pour l'intégration du système. La stabilité et la répétabilité de la plateforme EOS ont été essentielles pour obtenir un comportement constant du bain de fusion et des résultats de construction fiables. Six pièces coulissantes ont été produites par construction, ainsi que des coupons d'essai de matériaux pour une vérification continue.
   
   
5. Post-traitement et contrôle qualité : le processus de post-traitement comprenait un traitement thermique de détente, le retrait des supports, un usinage de précision et un grenaillage à billes céramiques. De plus, VOCUS a introduit une signature unique pour chaque pièce (lot + numéro de série) afin de garantir une traçabilité complète tout au long du cycle de vie du composant. En collaboration avec Materialise, VOCUS a mis en place un système de traçabilité numérique rationalisé basé sur Streamics. Cette base de données centrale relie les paramètres des machines, les informations sur les matériaux, les enregistrements de post-traitement et les résultats d'inspection, créant ainsi une structure de documentation unifiée prête pour la certification aérospatiale.
   
   
6. Essais au sol et en vol : l'AESA a imposé 10 heures d'essais au sol. VOCUS a effectué 20 heures d'essais chez Binder Motorenbau et SOLO Aero Engines. Les cycles de charge comprenaient : démarrage à froid, démarrage du moteur, 5 minutes à pleine charge, 3 minutes au ralenti et refroidissement, puis répétition. Les essais en vol ont été réalisés sur un avion Arcus par DreamWings, qui a effectué 35 heures de vol sans incident. Aujourd'hui, les pièces FA sont utilisées en Allemagne, en Suisse et en Australie.
   
   
7. Certification et mise en série : l'ensemble de la chaîne de production et de documentation (rétro-ingénierie, FA, post-traitement et assurance qualité) a été approuvé dans le cadre d'un certificat de type supplémentaire (STC) de l'AESA. À notre connaissance, VOCUS est l'une des rares entreprises à détenir un STC de l'AESA pour une pièce FA en Inconel et à être autorisée à la fabriquer et à la fournir pour une utilisation opérationnelle dans les avions. 

Résultats

Grâce à ce projet, VOCUS a mis en place un processus de production certifié conforme aux normes EN 9100/ISO 9001 et approuvé par l'EASA STC. Les principaux résultats sont les suivants :

• Précision dimensionnelle et reproductibilité considérablement améliorées
• Structure homogène, sans soudure, présentant un comportement supérieur sous des charges cycliques
• Processus de fabrication prévisible et contrôlé numériquement
• Réduction de la dépendance aux processus de soudage manuels et aux dispositifs de fixation spécialisés
• Durée de vie prolongée - estimée à environ 10 fois plus longue que la version soudée
• Traçabilité complète tout au long du cycle de vie et protection contre les pièces non autorisées ou contrefaites

La combinaison de FA des flux de travail numériques a permis à VOCUS de fournir un composant plus sûr, plus durable et plus certifiable que son équivalent fabriqué de manière conventionnelle. La robustesse de la plateforme EOS a contribué à une grande répétabilité du processus et a facilité les efforts de certification grâce à des conditions de fabrication stables et prévisibles.

« Même les petites entreprises peuvent mettre en œuvre des technologies de fabrication de pointe telles que la fabrication additive, soit en investissant elles-mêmes, soit en collaborant avec les bons partenaires, en particulier lorsqu'elles sont soutenues par des partenaires technologiques expérimentés fournissant des infrastructures numériques évolutives. »

Stefan Gorkenant, chef de projet, VOCUS GmbH

Impact plus large

Le succès de ce projet souligne une évolution plus large au sein de l'industrie aérospatiale : la fabrication additive n'est plus l'apanage des grands équipementiers disposant de budgets de R&D considérables. Des entreprises telles que VOCUS démontrent qu'avec la bonne combinaison d'expertise technique, d'intégration des flux de travail numériques et de contrôle qualité rigoureux, même les petites et moyennes entreprises peuvent obtenir des résultats de qualité aérospatiale.
Grâce à sa collaboration avec Materialise et à l'utilisation de systèmes EOS de qualité industrielle, VOCUS a démontré comment les chaînes de processus assistées numériquement peuvent accélérer cette transition et rendre FA certifiable FA aux PME.

En tirant parti FA accessible et de parcours de certification conformes aux normes industrielles, VOCUS a non seulement fourni un composant d'échappement essentiel, mais a également créé un précédent quant à la manière dont les petites entreprises peuvent rivaliser au plus haut niveau de précision de fabrication. Cette approche permet aux fournisseurs régionaux de moderniser les composants existants, de prolonger la durée de vie des avions et de renforcer la résilience des chaînes d'approvisionnement, tout en maintenant la rentabilité et la flexibilité de conception.

En fin de compte, le projet de pièce coulissante sert d'étude de cas sur la manière dont l'accès démocratisé à des outils d'ingénierie de pointe et à la fabrication additive peut ouvrir de nouvelles possibilités d'innovation dans le secteur aérospatial. Il démontre que l'excellence dans la fabrication aéronautique ne se définit pas par la taille de l'entreprise, mais par sa vision, sa précision et son engagement en faveur de l'amélioration continue.

« Le fait que VOCUS ait obtenu la certification de production en série pour l'aéronautique montre à quel point un flux de travail numérique structuré peut être puissant. Ensemble, nous avons prouvé que la certification est possible lorsque l'expertise technique et l'assurance qualité pilotée par des logiciels vont de pair. »

Tim Domagala, ingénieur R&D, Materialise

À propos de l'entreprise

VOCUS GmbH