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Designs, matériaux et standardisation : les trois clés de la mise en production de l'impression 3D

Alexandre Couto
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Designs, matériaux et standardisation : les trois clés de la mise en production de l'impression 3D

Le 25 juin s'est tenu le salon virtuel Additiv digital qui rassemblait de nombreux acteurs de la fabrication additive. L'utilisation de ce procédé pour la production industrielle de pièces fonctionnelles était à l'honneur. A travers leurs retours d'expérience, les industriels utilisateurs présents ont souligné les points clés d'une mise en production réussie de l'impression 3D.

Les multiples initiatives lancées en un temps record par les acteurs de l’impression 3D dans le monde depuis le début de la crise du Covid-19 étaient sur toutes les lèvres le 25 juin, à l’occasion du salon virtuel Additiv digital. Pour les participants à cet événement, organisé par le média professionnel 3DNatives, les confinements et l'arrêt de nombreux sites industriels ont mis en avant les atouts de la fabrication additive. Un constat que beaucoup espère voir jouer en faveur d'une plus grande adoption du procédé.

Selon la dernière étude annuelle de Sculptéo, sous-traitant spécialisé dans la fourniture de pièce en 3D, publiée début juin, la production de pièces finies réalisées en fabrication additive a nettement progressé depuis cinq ans dans l’industrie. La proportion d’utilisateurs interrogés disant utiliser cette technologie dans un cadre de production est ainsi passé de 17 % en 2015 à 52 % en 2020.

Pour autant, l’impression 3D tâtonne encore à trouver ses marques en moyenne et grande série. Elle s’oriente d’avantage vers des usages de niches, dans lesquels le procédé apporte une valeur ajoutée, que ce soit au niveau des fonctionnalités ou propriétés de la pièce, ou de l’organisation de la chaîne de production afin de répondre rapidement à un besoin.

Lors d’une série de conférences, constructeurs de machines, membres de bureaux d’étude, fournisseurs de matière et industriels ont partagé leur expérience dans la mise en place réussie d’une production en fabrication additive – polymère ou métal- ainsi que les voies d’amélioration pour intégrer encore d’avantage le procédé au secteur industriel.

Prendre en compte la chaîne de valeur dès la conception

Une table ronde sur la conception des pièces a ainsi permis de mettre en lumière la nécessité de « revoir la manière dont on pense une pièce », selon Marc Desbois, responsable du programme impression 3D chez Michelin. « Il y a un changement de « mindset » - de mentalité - à acquérir. L’ensemble de la chaîne de création de valeur de l’objet doit être pris en compte au moment de la conception. Ce n'est pas une chose acquise pour les équipes de conception », ajoute-t-il.

Le groupe Michelin, qui imprime depuis 2016 des inserts de moules pour ses pneumatiques, a choisi de mettre en avant une conception qui privilégie la réduction du nombre d’opérations nécessaires sur la chaîne de production. « C’est un levier très fort pour nous. On s’est lancé dans l’impression pour aller chercher des formes que l’on ne savait pas faire avec les procédés traditionnels, essentiellement pour gagner en performance sur le produit. Mais il y a aussi l’aspect économique que nous devons équilibrer. Le passage à l’impression 3D a un coût, notamment au niveau des équipements, mais il peut être compensé par des gains sur d’autres postes de la chaîne de production. »

Un point de vue partagé par Pierre Kraus, dirigeant de la société Aereco, qui produit des systèmes de ventilation. « Dès l’étape de CAO, il faut prendre en compte le coût global de l’objet », explique-t-il. La société qui produit des pièces en polymères grâce au procédé Multijet Fusion mis au point par le fabricant de machines HP optimise ses coûts en maximisant le nombre de pièces dans le volume de production. « Nous avons repensé le design de certaines pièces pour qu’elles s’emboîtent parfaitement sur le plateau d’impression. Nous tirons ainsi parti de toute la surface disponible pour nos pièces. », précise Pierre Kraus. Cette technique dite de « nesting » permet ainsi de réduire les temps de cycles et « de diviser les coûts par deux sur certaines pièces ».

Plus surprenant, Aereco produit également des pièces de petites dimensions sous la forme de « grappes », semblables aux kits des modèles réduits dont il faut détacher les éléments avant de les assembler. Si cette disposition est naturelle dans le procédé d’injection plastique, où le polymère fondu est injecté dans des cavités reliées par des canaux, créant ainsi des« carottes » d’injection qu’il faut retirer, son utilisation dans le cadre de la fabrication additive répond à une attente particulière : « Nous les disposons ainsi pour faciliter les opérations de post-traitement. La grappe permet par exemple de peindre toutes les pièces en même temps ou encore de les soumettre d'un seul tenant à des opérations de finition, comme un sablage. Nous les détachons ensuite de leur support. »


Trois étapes de l'optimisation d'une structure de satellite : à gauche la pièce d'origine, au centre la pièce après une optimisation topologique simple, à droite après optimisation topologique et ajout de fonctions supplémentaires (nouvelles fixations).

 

Explorer le potentiel des nouveaux matériaux

L’importance de la conception prend également de l’importance avec l’arrivée de nouvelles matières hautes performances, notamment des thermoplastiques avec le PEEK (polyétheréthercétone) et le PEKK (polyéthercétonecétone). « Ces matériaux peuvent remplacer le métal dans certaines applications », explique Yannick Willemin, responsable du développement chez 9T Labs, « Ils sont encore relativement nouveaux dans le domaine de l’impression 3D. Il faut apprendre à les maîtriser et mieux connaître leur comportement pendant l'impression mais aussi pendant les étapes de post-traitement. ». Chez Dassault Aviation, le passage de certaines pièces du métal vers le polymère est en cours. Mais le constructeur aéronautique préfère jouer la carte de la prudence.

« Nous évaluons au cas par cas, lors de campagnes de ré-évaluation, si des pièces sont éligibles à une nouvelle méthodes de production ou à un nouveau matériau.», explique Alexandre Ellies, cadre technique au centre de développement exploratoire de Dassault Aviation.

Les matériaux composites sont également suivis de près, notamment les résines chargées fibres de carbone, dont l'incorporation dans certaines pièces pourraient apporter un gain de poids tout en offrant une grande résistance mécanique. Cependant, le procédé d’impression des composites, même s'il commence à être proposé par certains constructeurs d'imprimantes, sous la forme de dépôt de fil polymère haute performance chargé de fibres courtes, n'est pas encore capable de produire industriellement des pièces de grandes dimensions chargées avec des fibres continues. « C'est une technique complexe qui nécessite un placement précis des fibres et des couches de résines. Elle doit encore gagner en maturité », lance Alexandre Ellies.

Face aux nombreuses technologies, définir des standards

Enfin, l’enjeu de la standardisation des pièces produites par la fabrication additive est essentiel pour l’industrialisation des pièces, notamment pour faciliter les relations avec les sous-traitants. En effet, dans le domaine de l’impression 3D métal, de nombreux industriels ont choisi de ne pas intégrer les équipements souvent très coûteux et de confier la production à des sous-traitants spécialisés sur cette technologies.

« A la question " make or buy ?", nous avons choisi l'option « buy ».  L'impression de pièces métal par fusion laser sur lit de poudre nécessite des équipements très lourds pour la sécurité pour les opérateurs. Donc, pour le moment, nous confions la production à d’autres. », pointe Aurélien Fussel responsable de la fabrication additive chez Alstom, qui possède depuis 2016 un programme dédié à la fabrication additive métal et polymère. Mais avec un large éventail de technologies disponibles et des marques d'imprimantes aux caractéristiques variées, il est impératif pour les industriels de qualifier ces équipements et d'établir des standards de production liés à la fabrication additive.

Alstom s’est ainsi organisée autour d’un « hub » de compétences en impression 3D, qui irrigue et met au diapason les autres divisions du groupe en terme de bonnes pratiques. « Nous faisons monter en compétences l’ensemble de nos bureaux d'études sur les technologies. Nous qualifions les sous-traitants pour nous assurer que les pièces répondent aux exigence du secteur, que ce soit pour le procédé SLM ou pour le procédé de dépôt métallique par arc (WAAM) que nous sommes en train de développer. », appuie Aurélien Fussel.

Même son de cloche du côté de l’agence spatiale européenne (ESA) qui s’intéresse depuis 2003 au procédé d’impression 3D pour alléger et réduire le nombre de pièces dans les satellites. « Nous finançons de nombreux partenaires dans ce domaine», met en avant Laurent Pambaguian ingénieur matériaux à l’ESA  « L'agence européenne est responsable de la standardisation pour le domaine du spatial. Aussi nous avons entamé un chantier majeur afin d'établir un standard lié à la fabrication additive dans notre secteur. Nous le faisons avec le concours des "Large System Integrators", c’est-à-dire les principaux constructeurs de satellites ».

Fertilisation croisée

Si les défis restent encore nombreux pour la production industrielle de pièces en fabrication additive, les participants de la journée ont toutefois salué la rapidité avec laquelle les compétences essaiment d’un secteur à l’autre. « Nous avons un avantage à l’ESA : chaque fois que l’industrie à un problème, elle vient en parler avec nous. Nous développons très rapidement des compétences de manières transverses, allant de l’approvisionnement de la poudre jusqu’à la validation finale de la pièce. Nous partageons les informations », explique Laurent Pambaguian.

Un point de vue partagé par Anne Debauge, directrice du digital chez l'Oréal.  « En matière d'impression 3D, il y a une véritable fertilisation croisée entre les secteurs. Nous apprenons beaucoup des autres industries. Nous avons tendance à évoluer en écosystème autour de la technologie et cela nous permet d'aller vite ».

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