En bref : ce guide examine comment la fabrication additive transforme le développement et la production des drones de défense, des aéronefs VTOL (décollage et atterrissage verticaux) et des drones VTOL imprimés en 3D. Découvrez comment les fabricants du secteur aéronautique utilisent l'impression 3D pour réduire le poids, réaliser la consolidation de pièces, accélérer le développement, produire des composants prêts à voler et industrialiser la production grâce à des matériaux de pointe et à des processus de travail certifiés pour l'aéronautique.
Tous les programmes de drones n'ont pas les mêmes exigences en matière de fabrication. Un petit drone tactique peut privilégier la rapidité, une production nécessitant peu d'intervention humaine, la disponibilité des matériaux et des itérations rapides. Un drone plus grand, de groupe 4 ou 5, peut quant à lui nécessiter une rigueur de niveau aéronautique en matière de navigabilité, de qualification des matériaux, de contrôle des processus, de traçabilité et de fiabilité tout au long du cycle de vie.
La fabrication additive offre bien plus qu’un simple prototypage rapide pour les programmes de drones de défense et d’appareils VTOL. Qu’il s’agisse d’accélérer le développement des aéronefs, de réduire leur poids, d’améliorer la résilience de la chaîne d’approvisionnement ou de garantir une production conforme, elle aide les constructeurs à relever certains des défis techniques les plus urgents du secteur.
L’une des principales opportunités de la fabrication additive dans les programmes de drones et d’aéronefs à décollage et atterrissage verticaux ne réside pas simplement dans l’impression plus rapide des pièces. Il s’agit de réduire le nombre de pièces devant être fabriquées, assemblées, inspectées, stockées et entretenues. Plusieurs composants peuvent souvent être regroupés en une seule pièce imprimée, ce qui réduit la complexité de l’assemblage et les besoins en outillage. Par consolidation, on regroupe les supports, les boîtiers, les conduits, les fixations et les éléments structurels en un nombre réduit de composants, ce qui réduit également la main-d’œuvre nécessaire à l’assemblage, les contrôles qualité et la complexité logistique.
Les programmes de défense doivent souvent adapter les aéronefs à de nouvelles charges utiles, à de nouveaux capteurs, à de nouvelles exigences de mission et à de nouveaux environnements d’exploitation. La FA permet aux équipes de tester, d’affiner et de produire des composants mis à jour sans avoir à attendre la fabrication de nouveaux outillages. Par exemple, Aurora Flight Sciences a utilisé la FA pour développer le premier drone à réaction imprimé en 3D au monde, réduisant ainsi de moitié le temps de développement, alors que certaines pièces ont subi plus de 20 itérations de conception avant le vol.
La FA permet de créer des structures légères et des géométries optimisées qui peuvent améliorer l’autonomie, l’endurance, la capacité de charge utile et les performances globales de l’aéronef. En plaçant le matériau uniquement là où il est nécessaire, les ingénieurs peuvent réduire le poids superflu tout en respectant les exigences mécaniques.
À mesure que les programmes de drones passent à la phase de production, le défi ne consiste plus à imprimer une seule pièce réussie, mais à produire des milliers de pièces répétables, indépendamment des imprimantes, des machines, des opérateurs et des sites de production. Dans une étude de production menée par Stratasys, le remplacement de six imprimantes de bureau réparties sur plusieurs sites par une seule imprimante industrielle FDM® a permis de réduire le temps de production total d’environ 51 %, tout en diminuant le nombre de pièces et la main-d’œuvre nécessaire à l’assemblage.
La fabrication additive renforce la résilience des chaînes d’approvisionnement en permettant de produire des pièces FA, des outillages et des composants de rechange certifiés à proximité immédiate de leur lieu d’utilisation. Pour les programmes de drones de défense, cela permet de réduire l’exposition aux longs délais d’approvisionnement, aux sources d’approvisionnement tierces fragiles ou non conformes à la NDAA, ou aux contraintes de stock, en particulier lorsque les pièces sont produites en faibles volumes, spécifiques à une mission ou difficiles à se procurer par les canaux conventionnels. Dans ce contexte, les pièces de rechange imprimées en 3D ont permis de réduire les coûts de 88 % tout en contribuant à mettre en place un processus répétable pour la fabrication d’autres composants aéronautiques certifiés.
Dans la production de drones et d’appareils à décollage et atterrissage verticaux (VTOL), le choix des matériaux, le contrôle des processus, la documentation, l’inspection et la traçabilité sont essentiels. Stratasys répond à ces exigences grâce à des matériaux de production, des flux de travail de fabrication additive contrôlés et les fonctionnalités du logiciel GrabCAD, qui permettent aux fabricants de documenter les impressions, de gérer les données de production et d’assurer la traçabilité tout au long du processus de fabrication. Ensemble, ces fonctionnalités offrent aux équipes des secteurs de l’aéronautique et de la défense un processus contrôlé pour la production de composants durables destinés à une utilisation finale, avec la répétabilité et la fiabilité requises pour la production.
Les drones multirotors utilisent plusieurs rotors pour générer à la fois la portance et la propulsion. À la fois simples sur le plan mécanique et très maniables, ils sont donc parfaitement adaptés aux missions de reconnaissance, de surveillance et aux missions à courte portée.
Comme les multirotors dépendent entièrement de la portance générée par leurs rotors, chaque gramme compte. Des structures légères permettent d’optimiser l’autonomie de vol, la capacité d’emport et la productivité globale. La fabrication additive permet également d’optimiser les cellules en termes de répartition du poids, d’intégration de la charge utile et de comportement vibratoire des composants clés tels que les boîtiers de batterie, les supports de charge utile et les baies avioniques, tous adaptés à la mission de l’appareil.
Les aéronefs de type « Lift plus Cruise » utilisent des moteurs dédiés à la portance verticale et des systèmes de propulsion distincts pour le vol vers l’avant. Les conceptions « QuadPlane » en sont un exemple courant, combinant la portance des multirotors avec la productivité des conceptions à voilure fixe.
Ces drones nécessitent souvent de multiples boîtiers, supports, compartiments de batterie et fixations de charge utile, ainsi que des structures aérodynamiques géométriquement complexes. La fabrication additive permet de réaliser la consolidation de ces composants, ce qui réduit la complexité de l’assemblage et facilite la production de composants légers et spécifiques à chaque mission, pouvant être rapidement adaptés à différentes charges utiles et exigences opérationnelles.
Les aéronefs à rotors basculants et à ailes basculantes passent du vol vertical au vol horizontal en faisant pivoter soit les rotors, soit l’aile elle-même. Cela leur permet de combiner un décollage et un atterrissage de type hélicoptère avec des vitesses élevées et des autonomies plus longues que de nombreux autres modèles VTOL.
Leur complexité mécanique accroît le besoin de structures, de boîtiers et de supports légers, et nécessite souvent de nombreuses itérations de prototype rapide. La fabrication additive s’avère utile lorsque les équipes doivent tester rapidement des modifications de conception ou réaliser la consolidation de géométries complexes qui seraient difficiles ou coûteuses à fabriquer de manière conventionnelle.
Les aéronefs de type « tailsitter » décollent et atterrissent verticalement sur leur queue avant de basculer en vol horizontal. Ils ne sont pas aussi courants que les autres architectures VTOL, mais leur conception mécanique est plus simple, ce qui permet parfois de réduire le poids et la complexité du cycle de production.
Il est possible d’imprimer des structures intégrées et des cellules légères qui combinent plusieurs fonctions en un nombre réduit de pièces. Il convient également de mentionner l’itération rapide, qui constitue l’un des principaux avantages de la FA, car elle permet aux ingénieurs d’affiner la stabilité, l’équilibre et les performances aérodynamiques du drone dans les modes de vol verticaux et horizontaux.
La conception en vue d'une fabrication additive certifiée ne se limite pas à l'optimisation des performances de l'aéronef. Les ingénieurs doivent également tenir compte de la manière dont les pièces seront fabriquées, homologuées et produites de manière uniforme tout au long du cycle de vie du programme.
Les meilleures applications de la fabrication additive ne se limitent souvent pas à réduire le poids des pièces. Elles allègent la charge de production globale : moins d’assemblages, moins de fixations, moins d’étapes de collage, moins de posages, moins de points de contrôle et moins d’articles à gérer en stock. Pour les programmes de drones, cela peut s’avérer aussi important que les performances de la pièce imprimée elle-même.
Les aéronefs VTOL doivent embarquer des systèmes de propulsion, des batteries, des charges utiles et de l’avionique tout en restant aussi légers et productifs que possible. L’optimisation topologique et la conception générative aident les ingénieurs à placer le matériau uniquement là où il contribue à la résistance et aux performances globales.
La fabrication additive permet de produire plus facilement ces géométries optimisées, sans les contraintes d’outillage auxquelles vous êtes peut-être habitués avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Aurora Flight Sciences, par exemple, a utilisé l’optimisation topologique pour éliminer le matériau superflu, créer une cellule rigide et légère, et regrouper plusieurs composants en une seule pièce.
L’impression 3D permet aux ingénieurs de réaliser une consolidation de supports, de boîtiers, de conduits et d’éléments de fixation en un nombre réduit de composants, créant ainsi des assemblages plus simples avec moins de joints collés et d’étapes d’assemblage. Ces conceptions sont plus faciles à fabriquer de manière uniforme et favorisent la répétabilité nécessaire à une production aéronautique certifiée.
Le choix du matériau approprié est crucial dans le secteur aéronautique, où les composants doivent résister aux carburants, aux fluides hydrauliques, aux températures extrêmes et à d’autres conditions de fonctionnement exigeantes, tout en permettant une fabrication validée et adaptée à la production.
À mesure que la fabrication additive s’intègre à la production, la validation des matériaux, le contrôle des processus et la traçabilité deviennent essentiels pour produire des composants prêts à voler et pour assurer la documentation, la traçabilité et le contrôle des processus requis par les flux de travail de production et de qualification.
Comme on peut s’y attendre, la conception d’une pièce pour la fabrication additive ne se limite pas au choix d’un matériau. Il convient de prendre en compte l’orientation de l’impression dès les premières étapes du processus de conception, car celle-ci influe sur les besoins en supports, les canaux internes, la qualité de surface, l’exactitude dimensionnelle et les performances mécaniques. Concevoir en tenant compte de l’orientation permet de simplifier le retrait du support et le post-traitement, ce qui se traduit par une uniformité des pièces.
Vous devez également réfléchir à la manière dont les pièces seront nettoyées, inspectées et finies dès la phase de conception, car anticiper ces processus permet de simplifier la fabrication, de réduire la variabilité et de favoriser une production répétable.
Nous abordons la réduction du poids dans une autre section ; pour éviter toute répétition, j’ai donc recentré cette partie sur la consolidation des pièces
Comme nous aborderons le post-traitement plus en détail par la suite, j’ai souhaité consacrer cette partie à l’orientation de l’impression dès la phase de conception.
Il n’existe pas de matériau unique adapté à toutes les applications des drones (UAV) ou des appareils à décollage et atterrissage verticaux (VTOL). Le choix du matériau dépend de la fonction de la pièce, des conditions de charge, de l’environnement d’exploitation, des exigences de qualification et du volume de production. Pour les programmes de défense, la meilleure stratégie en matière de matériaux est souvent pragmatique : utiliser des matériaux éprouvés, disponibles et bien caractérisés, qui permettent une fabrication répétable et répondent aux exigences du programme.
est l’un des matériaux de fabrication additive les plus largement utilisés dans les secteurs de l’aéronautique et de la défense. Il allie un rapport résistance/poids élevé à d’excellentes performances thermiques et à d’excellentes caractéristiques en matière de résistance au feu, de dégagement de fumée et de toxicité (FST), ce qui le rend particulièrement adapté aux intérieurs d’appareils, aux boîtiers, aux conduits, aux supports et aux composants structurels.
Pour les programmes militaires de drones (UAV) et d’appareils à décollage et atterrissage verticaux (VTOL), le filament ULTEM™ 9085 est souvent choisi lorsque la légèreté, la durabilité et l’expérience dans le secteur aéronautique constituent les principales priorités. Grâce à ses performances mécaniques et à son utilisation bien établie dans l’aéronautique, il constitue un choix solide pour les applications de production et les applications prêtes à voler.
Le matériau Nylon 12CF pour les systèmes FDM associe du nylon renforcé par des fibres de carbone courtes afin de produire des composants légers, à haute résistance et à grande rigidité destinés aux structures de cellule, aux supports de montage et aux supports de charge utile. Il est idéal pour les applications nécessitant un rapport résistance/poids élevé afin d’optimiser les performances de l’aéronef.
Le matériau Antero® 840CN03 pour FDM est un thermoplastique à base de PEKK développé pour les applications exigeantes des secteurs de l’aéronautique et de la défense. Il allie une résistance mécanique élevée, de bonnes performances thermiques, une résistance chimique et des propriétés dissipatives électrostatiques (ESD), ce qui le rend particulièrement adapté aux boîtiers avioniques, aux connecteurs, aux supports, aux conduits et aux composants de systèmes de mission susceptibles d’être exposés à des carburants, des fluides hydrauliques ou des composants électroniques sensibles.
Pour certains composants de drones, les matériaux PA12 dotés de la technologie SAF™ constituent une solution économique pour les volumes de production élevés. Grâce à une imbrication efficace, une qualité répétable des pièces et une productivité élevée, ils conviennent parfaitement à la fabrication de boîtiers, de capots, de posages et d’autres composants polymères légers, en fonction des exigences de performance et de qualification.
Passer d'un prototype réussi à la production ne se résume pas simplement à ajouter davantage d'imprimantes. Les fabricants de drones et d'appareils VTOL ont besoin de processus de fabrication répétables (souvent sur plusieurs sites), de flux de travail contrôlés, d'un post-traitement productif, de matériaux certifiés et d'un modèle de production capable d'évoluer sans entraîner de prolifération inutile de machines, de charge de travail excessive ou de complexité d'assemblage.
Les systèmes FDM® industriels permettent de produire des assemblages plus volumineux en un nombre réduit de cycles de production, ce qui réduit le nombre de pièces, les efforts d’assemblage et la durée globale de production. Cela améliore également l’Uniformité des pièces, la variabilité de la production et la productivité. Cela facilite la transition entre des cycles de production de prototypes fragmentés et des flux de travail de production en série répétables.
En production, l’orientation d’impression doit être standardisée et documentée. L’orientation peut avoir une incidence sur les performances mécaniques, l’exactitude dimensionnelle, la qualité de surface, les besoins en supports et la productivité. Une stratégie de fabrication uniforme aide les fabricants à améliorer la répétabilité entre plusieurs cycles de production, machines et opérateurs.
Les drones de défense et les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) doivent souvent faire face à des environnements hostiles où les composants peuvent être exposés à l’humidité, à la poussière, aux rayons UV, à des températures extrêmes et à l’usure opérationnelle. Le post-traitement permet de préparer les composants imprimés à ces conditions.
Selon votre application, cela peut inclure le retrait du support, l’état de surface, l’étanchéification, le revêtement, l’inspection ou les essais de qualification. L’objectif est de concevoir des pièces et des flux de travail garantissant une manipulation minimale, une productivité prévisible et une qualité répétable, afin de réduire l’effort de fabrication tout en améliorant la durabilité opérationnelle et la préparation au déploiement sur le terrain.
L’un des avantages de la fabrication additive réside dans le fait qu’un même flux de travail numérique peut prendre en charge l’itération de conception, l’outillage, la production de transition et certaines pièces destinées à l’utilisation finale. Les modifications de conception peuvent être apportées directement à partir des fichiers CAO, ce qui permet aux équipes d’affiner les composants tout en progressant vers une production à faible cadence, sans attendre la mise en place d’un nouvel outillage physique.
Pour de nombreux programmes de drones, la question de la production est également une question de « faire ou acheter ». Certaines équipes peuvent souhaiter imprimer en interne. D’autres peuvent avoir besoin d’une production externe, d’une fabrication de transition ou d’une capacité de production supplémentaire. Un modèle « plateforme + production » permet aux programmes de passer d’une capacité de fabrication additive interne au soutien de fabrication de Stratasys Direct à mesure que la demande, la qualification ou les exigences de capacité évoluent.
General Atomics a utilisé cette approche pour l’ensemble de ses programmes d’aéronefs sans pilote, imprimant en 3D des milliers de pièces, dont environ 240 pour le MQ-9B SkyGuardian.
La fabrication additive ne convient pas à tous les composants d’UAV ni à tous les volumes de production. Elle est particulièrement adaptée lorsque le poids, la complexité, la rapidité d’itération, la production en petite série, les risques liés à la chaîne d’approvisionnement ou les variations spécifiques à la mission priment sur le coût unitaire le plus bas possible.
Parmi les applications les plus adaptées, on peut citer :
Que vous développiez une nouvelle plateforme VTOL, que vous développiez un programme de drones tactiques ou que vous recherchiez un soutien qualifié pour la production, Stratasys peut vous aider à évaluer dans quels domaines la fabrication additive peut réduire le nombre de pièces, simplifier les assemblages, accélérer les itérations et favoriser une production répétable.
Commencez par un composant, un assemblage ou un frein de production typique d’un drone. Notre équipe peut vous aider à déterminer si la fabrication additive est la solution adaptée et si la production doit être réalisée en interne, via notre service de fabrication sous contrat américain certifié et sécurisé, Stratasys Direct, ou selon un modèle hybride de fabrication/achat.
Contactez dès aujourd’hui l’un de nos experts pour en savoir plus, que ce soit pour discuter d’applications spécifiques ou pour trouver des réponses à vos questions sur l’impression 3D.
