Boeing : son moteur GE9X et ses 300 pièces imprimées en 3D certifiés par la FAA

Moteur GE9X testé sur une plate-forme d'essai de GE Aviation

Moteur GE9X testé sur une plate-forme d’essai de GE Aviation à Peebles, Ohio (crédits photo Ge Aviation)

C’est une nouvelle étape importante qui vient d’être franchie par Boeing, mais aussi la fabrication additive dans la reconnaissance de sa fiabilité et sa capacité à faire progresser l’industrie aéronautique. La FAA (Federal Aviation Administration) qui est l’agence gouvernementale chargée des réglementations et des contrôles concernant l’aviation civile aux États-Unis, a certifié son GE9X, le plus gros moteur à réaction commercial jamais construit. Fort de cette certification, son constructeur GE Aviation peut maintenant commencer la production du moteur pour sa mise en service commercial.

Conçu pour le Boeing 777X, le plus grand avion au monde à deux moteurs, le GE9X est un monstre de performance. Avec ses 3,4 mètres de diamètre et ses 110000 livres de poussée au décollage, soit environ deux fois la puissance de deux moteurs sur un 747, ce réacteur dispose de la plus grosse soufflante jamais construite pour un avion de ligne. Les 16 pales composites qui composent son ventilateur de plus de 3m40, seraient selon GE Aviation, le nombre le plus bas pour un moteur à réaction commercial.

Au total ce sont 304 pièces dont 7 différentes, qui ont été produites de manière additive pour ce moteur. GE qui développe et teste le GE9X depuis 2013, utilise l’impression 3D pour fabriquer des pièces avec des géométries qui n’auraient pu être réalisées avec des méthodes de fabrication traditionnelles. Il est question de composants composites à matrice céramique (CMC), d’injecteurs et de mélangeurs de carburant, de capteurs de température mais aussi des pièces plus grandes, comme des aubes de turbine basse pression, des échangeurs de chaleur et des séparateurs. À l’exception des aubes de turbine basse pression et de l’échangeur de chaleur qui sont imprimés dans un alliage de titane et d’aluminium (TiAl), les autres pièces proviennent de machines à fusion laser sur lit de poudre Concept Laser M2 à partir d’un alliage de cobalt-chrome.

La production a principalement lieu en Italie sur le site d’Avio Aero à Cameri, un centre spécialisé dans la fabrication additive (fusion par faisceau d’électrons), et les usines d’Auburn de GE Aviation dans l’Alabama. Ce site de 3 000 m 2 emploie 230 personnes au total pour une quarantaine d’imprimantes 3D métal. En 2018, 30 000 injecteurs de carburant y avaient déjà été imprimés en 3D.

« Nous avons développé une combinaison avion-moteur qui, je pense honnêtement, sera imbattable sur le marché »

Aubes de turbine du puissant moteur à réaction GE9X

Aubes de turbine du puissant moteur à réaction GE9X (crédits photo GE Aviation)

Les gains de performance obtenus grâce la fabrication additive sont très significatifs. On peut citer l’exemple des injecteurs de carburant, qui d’une vingtaine de pièces auparavant, sont désormais fabriqués en une seule. Le résultat est sans appel : une réduction de poids des injecteurs de 25%, et une résistance multipliée par cinq. L’utilisation de fibres de carbone pour l’impression 3D des pales, a également permis d’alléger le moteur, tout en offrant un meilleur refroidissement.

La fabrication additive démontre ici sa capacité à répondre aux nombreux défis de l’aéronautique, sur le plan économique d’une part, en réduisant les coûts par apport aux méthodes traditionnelles de moulage, mais aussi sur le plan écologique en faisant voler des avions plus propre. En effet, selon Boeing les émissions de carburant de son 777X seraient 10% inférieures à ses concurrents.

« Nous avons développé une combinaison avion-moteur qui, je pense honnêtement, sera imbattable sur le marché, » a déclaré Karl Sheldon, cadre supérieur en ingénierie chez GE Aviation. « Nous nous sommes appuyés sur de nombreux développements technologiques qui nous ont précédés. Nous avons vraiment pu capitaliser sur les leçons tirées de ce qui était nouveau il y a seulement quelques années. »

« Imaginez une zone presque aussi grande qu’un terrain de football où chaque petite pièce est posée sur une table »

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Injecteur de carburant du moteur GE9X imprimé en une seule pièce

Très exigeant, le processus de certification de la FAA pour le nouveau moteur s’appuie sur neuf moteurs différents. Ces tests comportent l’utilisation de différents outils de mesures, ainsi que de canons à air comprimé pour évaluer la résistance des matériaux aux différents impacts de grêle, de glace, de cailloux ou d’oiseaux.

L’avion a également dû subir un test de « sortie de pale », au cours duquel on fait exploser une pale à l’intérieur du moteur alors que celui-ci était en marche. Le moteur doit également subir des milliers de décollages et d’atterrissages simulés dans diverses conditions, après quoi l’équipe de GE l’a démonté et a inspecté chaque composant. « Nous disposons de tout ce qui peut être physiquement séparé », explique Karl Sheldon. « Imaginez une zone presque aussi grande qu’un terrain de football où chaque petite pièce est posée sur une table, nettoyée, inspectée et fait l’objet d’un rapport. »

Pour sa dernière phase d’évaluation enfin, le moteur GE9X a été testé en conditions réelles sur le site de GE Aviation en Californie sur son banc d’essai volant. Sa nouvelle certification de la FAA en poche, General Electric révèle avoir déjà reçu plus de 600 commandes pour son moteur. Pour soutenir sa production estimée à 60 000 aubes par an, en 2022 et 2023, Avio Aero prévoit d’investir dans une dizaine de nouvelles machines de fusion par faisceau d’électrons Arcam EBM. Le long courrier 777X devrait être mis en service le premier semestre 2022, et pourra transporter entre 384 et 436 passagers selon sa configuration.