Comment garder une longueur d'avance sur la concurrence grâce à l'innovation dans la conception de pièces aéronautiques

Dans l'aéronautique, la course à la domination du ciel commence par des pièces d'avion plus intelligentes. L'innovation dans la conception des pièces occupe une place centrale chez les fabricants. Les entreprises repensent la forme, le poids, la fonction et la construction des composants critiques.

Une attention accrue portée à la conception des pièces peut réduire considérablement les coûts. Environ 70 à 80 % du coût du cycle de vie d'un produit est déterminé lors de la phase de conception, ce qui en fait l'étape de production la plus rentable. Les ingénieurs réduisent les grammes, transforment les ailes en cabines modulaires et conçoivent des avions de nouvelle génération axés sur la performance, l'efficacité et la durabilité.

Pourquoi la conception des pièces est le nouveau champ de bataille de l'innovation dans l'aviation

Les leaders de l’aviation misent fortement sur une conception de pièces plus stratégique pour gérer les coûts etincertitude de la chaîne d'approvisionnement.

Delta et Airbus ont récemment élargi leur partenariat de plusieurs décennies afin d'accélérer l'innovation en matière de pièces et de systèmes. Grâce aux laboratoires UpNext d'Airbus, ils testent des solutions aussi variées que des conceptions d'ailes avancées ou des systèmes d'assistance à la navigation aérienne, dans le but d'améliorer l'efficacité énergétique et la réactivité structurelle des flottes nouvelles et existantes.

Delta est fortement impliquée dans les processus d’ingénierie d’Airbus à travers sa participation aux tests et ses boucles de rétroaction de conception continues.

Parallèlement, Delta s'associe à JetZero pour commercialiser une structure d'avion radicalement différente. Cette nouvelle structure, de type « aile-corps mixte » (BWB), offre le potentiel de réduire la consommation de carburant jusqu'à 50 %. Point crucial, ces conceptions BWB utilisent des moteurs actuels, preuve que les gains ne nécessitent pas toujours de révisions majeures de la propulsion.

De l'héritage au décollage : aller au-delà de la conception traditionnelle

La plupart des avions traditionnels n'ont pas été conçus en tenant compte des coûts de carburant ou des objectifs d'émissions actuels. Les avions d'hier étaient optimisés pour la production de masse, mais la conception des cellules d'aujourd'hui est en pleine mutation.

Le modèle BWB de JetZero abandonne le fuselage étroit et tubulaire au profit d'un châssis large intégré directement aux ailes. Cette conception exploite les moteurs et les infrastructures aéroportuaires existants tout en offrant une portance accrue, une traînée réduite et une répartition homogène du poids.

Parallèlement, Airbus a lancé le projet « eXtra Performance Wing » afin d'explorer de nouvelles ailes à forme variable, capables de s'ajuster en plein vol pour une efficacité aérodynamique maximale. Le comportement des oiseaux en vol est à l'origine de ces nouvelles ailes performantes, conçues pour réagir dynamiquement aux conditions d'écoulement de l'air.

Dans les deux cas, ce ne sont pas les nouveaux matériaux ou systèmes de propulsion qui sont à l'origine des avancées majeures, mais plutôt une réflexion nouvelle sur les capacités et les fonctions des pièces.

La fabrication additive change la donne en matière de pièces détachées

En théorie, la fabrication additive (FA) permet aux ingénieurs d'imprimer presque tout, de réduire les déchets, de supprimer l'outillage et d'accélérer les itérations. En pratique, Boeing a déjà imprimé plus de 70 000 pièces pour ses avions grâce à la FA, dont certaines volent aujourd'hui avec un meilleur rapport résistance/poids que leurs homologues usinées.

Cette technologie offre des avantages qui vont bien au-delà du poids et du coût. La fabrication additive permet de concevoir des pièces fonctionnelles, notamment des géométries complexes comme des structures en treillis, des intérieurs creux et des canaux de refroidissement internes, autrefois considérées comme impossibles avec l'usinage traditionnel. Avec la fabrication additive, ces solutions sont désormais possibles. Ces innovations améliorent les performances thermiques, l'amortissement des vibrations et la résistance à la fatigue, notamment dans les environnements de vol difficiles.

Les conduits de contrôle environnemental imprimés de Boeing en sont un exemple remarquable. Les ingénieurs ont repensé la structure interne grâce à l'impression 3D, réduisant ainsi le nombre total de pièces de plusieurs dizaines à une seule, réduisant ainsi la main-d'œuvre d'assemblage, diminuant le poids et améliorant l'efficacité du flux d'air.

Largement déployée, la fabrication additive donne aux équipes de conception d’aujourd’hui la liberté de repenser ce qui est possible.

L'additif rencontre l'hybride : l'essor de la fabrication de pièces multi-processus

Si la fabrication additive a ouvert la voie aux géométries complexes, elle n'est pas toujours la solution miracle. De plus en plus, les fabricants associent procédés additifs et techniques soustractives comme l'usinage CNC pour obtenir des tolérances strictes, des finitions plus lisses ou des renforts structurels.

Cette approche hybride, parfois appelée « fabrication additive-soustractive », est utilisée pour les pièces nécessitant des structures en treillis internes pour alléger la pièce, mais aussi des surfaces usinées pour les assemblages boulonnés ou l'assemblage avec des composants existants. Ce modèle offre une grande flexibilité de conception.etprécision dans l'ajustement.

Boeing et d'autres équipementiers investissent déjà dans des machines-outils hybrides qui basculent entre le dépôt laser et le fraisage dans la même configuration, constatant des taux de rebut plus faibles et la possibilité d'itérer plus rapidement sur des pièces auparavant impossibles à construire.

Les équipes de conception aérospatiale qui adoptent des méthodes hybrides peuvent utiliser la fabrication comme tremplin pour des idées encore plus audacieuses.

Le rôle de la simulation dans la conception de pièces de nouvelle génération

La conception de pièces plus intelligentes commence par le logiciel de modélisation. Les leaders de l'aéronautique s'appuient fortement sur les outils de simulation pour tester virtuellement les pièces avant leur mise en production. Ces évaluations numériques, qu'il s'agisse de contraintes thermiques, de dynamique des fluides ou de fatigue au fil du temps, offrent aux ingénieurs davantage de possibilités pour anticiper les défaillances, itérer rapidement et éviter les coûteux cycles de prototypage physique.

Des entreprises comme Boeing et Airbus utilisent déjà des outils comme Siemens NX, Ansys et Dassault Systèmes pour valider de nouvelles pièces, prédire la fatigue des matériaux et modéliser les performances de l'ensemble du système. Pour les pièces complexes fabriquées par fabrication additive, cette simulation est essentielle. L'équipe de fabrication additive de Boeing utilise la modélisation pour tester des pièces à topologie optimisée (géométries hautement efficaces et allégées) qu'il serait impossible d'évaluer avec les méthodes traditionnelles.

Ces outils sont également essentiels à la mise à l'échelle. À mesure que les pièces deviennent plus complexes, la simulation réduit le recours à de multiples constructions et tests physiques coûteux, ce qui permet d'innover plus rapidement et à moindre coût, sans compromettre la sécurité ni les normes de certification.

Mince, agile et testé en vol

La conception de pièces innovantes n'a d'importance que si elle est évolutive. C'est pourquoi les équipes de conception modernes combinent développement agile, validation par simulation et boucles de rétroaction concrètes pour accélérer les cycles en toute sécurité.

La collaboration de Delta avec Airbus comprend des essais en vol réels du « fello’fly », une technique qui imite la formation en V des oies en migration. L'avion de tête génère un courant ascendant que l'avion suiveur peut exploiter pour réduire la traînée et économiser du carburant. Cette optimisation aérodynamique est rendue possible par une conception rigoureuse des systèmes et une simulation approfondie avant même le début des vols d'essai.

Parallèlement, des entreprises comme JetZero appliquent les principes du Lean à l'ensemble des processus de conception d'avions. En se concentrant sur un nombre réduit de pièces multifonctionnelles et en construisantjumeaux numériquesEn développant leurs avions plus tôt, ils sont capables d’itérer plus rapidement et de collaborer plus profondément avec des partenaires comme Delta et l’US Air Force.

Cette approche, qui consiste à concevoir rapidement, tester souvent et échouer en amont, devient de plus en plus la norme dans les programmes aérospatiaux avancés.

Inspiration intersectorielle : emprunts à l'automobile et à la défense

L'aéronautique repousse peut-être les limites du vol, mais certaines de ses stratégies de conception de pièces les plus intelligentes proviennent de l'extérieur de l'industrie. Les connaissances des secteurs de l'automobile et de la défense, pionniers de longue date de l'allègement, de la modularité et des pratiques de conception pour la fabrication, se diffusent désormais dans l'aviation.

Par exemple, l'utilisation de logiciels de conception générative par l'industrie automobile a ouvert la voie à des pièces d'avion privilégiant l'efficacité des matériaux. Le support de ceinture de sécurité imprimé en 3D de GM – une pièce unique remplaçant huit composants – est conceptuellement similaire à la façon dont Boeing a réduit des dizaines de pièces de conduit en une seule pièce fabriquée par fabrication additive.

Parallèlement, la longue expérience du secteur de la défense en matière d'armes modulaires et de systèmes de drones a inspiré une réflexion sur l'intérieur des avions et les protocoles de maintenance. L'exploration par Airbus de zones de fret et de passagers modulaires s'inspire directement de la conception militaire, où une reconfiguration rapide des missions est nécessaire.

Ces stratégies croisées démontrent que l'innovation en matière de conception de pièces ne doit pas nécessairement être inventée de toutes pièces. Parfois, l'avantage réside dans l'adaptation de ce qui a déjà fait ses preuves dans des environnements à enjeux élevés.

Comment pérenniser votre propre processus de conception de pièces

Nul besoin d'être Airbus ou Delta pour moderniser votre approche. Il suffit d'adopter une approche intégrative de la conception. Les équipes aéronautiques les plus avant-gardistes abordent la conception, les essais, la fabrication et le développement durable comme une seule et même conversation dès le départ.

Cela signifie :

Le facteur humain : comment les opérateurs et les responsables de la maintenance façonnent la conception

Les conceptions de pièces les plus intelligentes dans l'aéronautique sont aérodynamiques, économiques et respectueuses de l'environnement. De plus en plus, les fabricants accordent la priorité aux besoins des équipes de maintenance, des pilotes et des exploitants lors de la conception de leurs composants, car même les pièces les plus avancées peuvent tomber en panne si elles sont trop difficiles à utiliser ou à réparer en conditions réelles.

Les ingénieurs de la division TechOps de Delta ont travaillé en étroite collaboration avec leurs partenaires de conception pour réduire le nombre de fixations et simplifier les points d'accès aux systèmes critiques. Un changement apparemment mineur, comme la réorientation d'un loquet ou l'ajout d'indicateurs visuels, peut permettre d'économiser des milliers d'heures de travail par an sur l'ensemble d'une flotte.

Les pilotes influencent également la conception. L'introduction par Airbus des mini-manches et des affichages tête haute est née du retour d'expérience du poste de pilotage, visant à réduire la charge cognitive et à améliorer le temps de réaction dans les situations de stress intense.

À mesure que les cabines deviennent plus modulaires et technologiques, les employés des compagnies aériennes sont de plus en plus consultés sur l'expérience utilisateur. L'implication de Delta dans l'aménagement intérieur de JetZero ne se limitait pas à l'esthétique. La contribution des employés a permis aux équipages d'accéder efficacement aux rangements, d'accompagner les passagers à mobilité réduite et de se déplacer en toute sécurité à bord.

Les entreprises qui impliquent leurs utilisateurs finaux vont au-delà des performances théoriques pour concevoir des solutions adaptées aux conditions réelles. Cette boucle de rétroaction humaine, souvent négligée, constitue souvent un avantage concurrentiel décisif.

Concevoir une propulsion alternative

La transition vers l’hydrogène, l’électricité et les carburants d’aviation durables (SAF) modifie ce que les concepteurs doivent prévoir dès le premier jour.

La propulsion à l'hydrogène, par exemple, nécessite un stockage cryogénique et un confinement à haute pression. Cela modifie tout, du centre de gravité à l'emplacement des renforts structurels. Le programme ZEROe d'Airbus, qui comprend un avion commercial à hydrogène, a stimulé les premières innovations en matière de conception de pièces, du blindage thermique aux matériaux résistants aux cycles de refroidissement intenses.

Les avions électriques impliquent des compromis différents. Les batteries sont lourdes et sujettes à la surchauffe, ce qui nécessite des composants plus légers et une conception plus intelligente du flux d'air. Les exigences de gestion thermique et de redondance poussent également les équipes de conception à repenser l'emplacement traditionnel des moteurs, des conduits et même des équipements de cabine.

Dans l’ensemble, concevoir une propulsion plus écologique signifie repenser ce qui l’entoure, et cela commence au niveau des pièces.

Les plats à emporter pour les fabricants compétitifs

Si vous considérez toujours la conception des pièces comme une étape fixe d’un processus linéaire, vous avez une formidable opportunité de repenser l’ensemble du cycle de vie de votre produit, de réduire les coûts, d’accélérer le développement et de construire des avions plus résilients et prêts pour l’avenir à partir de zéro.

Boeing conçoit des pièces qui n'auraient pas existé il y a cinq ans. Airbus utilise le vol d'oies sauvages comme modèle d'efficacité des itinéraires. Et JetZero repense la notion d'avion.estIl ne s’agit pas de projets secondaires ; il s’agit de l’acte principal rendu possible par une culture interfonctionnelle, axée sur la simulation, qui donne la priorité à la sécurité et à la durabilité.

L'avenir de l'aviation se construit dans les détails. Les anciennes méthodes s'essoufflent. De nouvelles conceptions, perfectionnées par des outils intelligents et des leçons durement acquises, créent un avantage concurrentiel. C'est ainsi que les avions résisteront à l'épreuve : allégés, efficaces et prêts à l'emploi.

Prêt à construire pour la suite ?Réservez une conversation rapide ;parlons-en aujourd'hui.

Ressources:

Annales du CIRP

Delta News

Delta News

Boeing QI

Pôle d'innovation Airbus

Airbus ZEROe