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DOSSIER SPECIAL : Des obstacles sur la route de la fabrication rapide (2/4)

Industrie et Technologies
Vitesse de fabrication, finition de surfaces, propriétés et coûts des matériaux... les freins au développement de la fabrication rapide ne manquent pas. Aucun n'est infranchissable et... il existe parfois des moyens astucieux de s

L'article précédent a montré les formidables atouts de la fabrication rapide. Pourquoi alors ne se développe-t-elle pas à une vitesse fulgurante, si c'est un outil si extraordinaire ?

Réponse : vitesse de fabrication, finition de surfaces, propriétés de matériaux, coût des machines, taille des pièces fabriquée... les barrières à franchir sont, selon les experts américains Terry Wohlers et Todd Grimm (directeur marketing d'Accelerated Technologies), nombreuses et bien réelles.

Aussi rapides soient-ils, aucun système de PR ne peut par exemple, se comparer avec la productivité d'un équipement classique d'injection plastique ou de fonderie. Leur temps de cycle de production le prouve : les uns se déroulent en minutes voire en secondes, les autres (le PR) en heures voire en jours.

 Le succès du RM passe donc obligatoirement par une réduction sensible du temps de fabrication de systèmes de PR.

Une solution: contourner les limitations de la technologie

Cela dit, plutôt que d'attendre l'avènement de futures générations de machines à grande vitesse, 'il faut envisager dès à présent les opportunités existantes ', conseillent les deux experts. Et pour cela se livrer a quelques calculs relativement simples pour trouver la bonne niche d'applications.

Ainsi, si on analyse l'ensemble du cycle nécessaire pour fabriquer un nouveau produit avec les moyens classiques, ils s'écoulera au moins trois mois avant de pouvoir fabriquer les 1000 premières pièces, car il faut concevoir l'outillage, le fabriquer, équiper et régler la machine d'injection, etc. Pendant ces trois mois, un système de PR peut produire une pièce de petites dimensions à raison de 30 unités par jour, soit... 6 300 produits finis. Et cela avec un avantage considérable car le produit sera sur le marché trois mois plutôt et, autre performance non négligeable, l'équipe de conception pourra modifier à sa guise grâce au PR le produit après chaque étape de création. Et le système de PR peut aussi amélioration sa vitesse de production en étant mieux adapté à l'application .

Mervyn Rudgley de 3D Systems abondait dans ce sens à la conférence uRapid 2 001 d'Amsterdam. 'Jusqu'ici on considerait les systèmes de PR trop coûteux et trop lents pour fabriquer les pièces finies. Sans parler des matériaux qui ne présentait pas les caractéristiques nécessaires pour ce type d'application. A première vue, il apparaît en effet, que le coût de la pièce fabriquée par PR est prohibitif : un composant plastique qui coûte 3 dollars en injection peut coûter jusqu'à huit fois plus quand il est fabriqué avec la SLA 7000. On oublie cependant que les coûts d'outillage représentent dans la fabrication par injection 100 000 dollars. Il résulte alors que pour une série de quelques 2 000 pièces, fabriquer avec le système de PR (si bien sûr tous les éléments du cahier de charges techniques sont respectés) s'avère plus rentable.'

Selon le responsable de 3D Systems il faut analyser les opportunités du RM pour la fabrication de tel ou tel produit en prenant en compte les propriétés des matériaux, les coûts et le temps de mise au point de l'outillage, le volume de production nécessaire... Et aussi le degré de difficulté pour les fabriquer.

'Il apparaît ainsi que de nombreux produits finis pourront être fabriqués dans les cinq à dix prochaines années directement avec les systèmes de PR ', prévoit le spécialiste américain, qui n'hésite pas à considérer les changements industriels que cela provoquera comme ' révolutionnaires. ' ' On peut imaginer à long terme, que la fabrication ne suivra plus les chemins logistiques traditionnels, longs et tortueux, de la commande à la livraison. Elle sera réalisée rapidement et localement : le modèle CAO de la pièce sera chargé sur Internet et celle-ci sera fabriquée sur un système de PR.'

Autre frein sur le chemin du RM : les opérations de post-traitement, parfois longues, toujours coûteuses. La stéréolithographie et la déposition de filaments nécessitent par exemple, des structures de support de la pièce pendant sa construction et qui doivent être éliminées à la fin.

La qualité de surface assez médiocre que fournissent de nombreux systèmes de PR et qui nécessite une finition manuelle est un autre obstacle. La surface d'une pièce réalisée grâce au PR ne peut pas être comparée à celle des pièces plastiques injectées ou à la fonderie métal. La nature de construction du PR, qui s'effectue couche par couche, est la cause de ce manque de finesse. Et même si certains systèmes sont capables de fabriquer des couches de 25 microns, l'effet ' escalier ' reste encore détectable à l'œil nu.

'Ce n'est pas toutefois un véritable obstacle pour le RM car on peut facilement détecter des centaines de produits dans une automobile, un avion ou un appareil électrique qui n'ont pas besoin de cette superqualité de surface', réplique Terry Wohlers.

De son côté, un procédé comme la Stratoconception du Cirtes s'affranchit peu à peu de ces problèmes d'escalier puisqu'il réalise des couches 3D, sortes de tranches, très proches de la définition du volume CAO de base. Dans ce cas, le problème est plutôt la rugosité mais la qualité des pièces obtenues dans les matériaux durs se rapproche peu à peu de celle obtenue en usinage.

Utiliser à bon escient les matériaux existants

Même discours pour la précision dimensionnelle : les machines de PR sont incapables aujourd'hui d'égaler la précision fournie par les processus industriels habituels. Cela est particulièrement vrai quand on considère la précision de répétabilité pour toute la série des pièces fabriquées. On peut néanmoins envisager la fabrication avec le RM de nombreuses pièces dont la tolérance est conforme aux meilleures performances du PR, à savoir de +/- 0,125 mm.

Les matériaux disponibles pour le PR ne peuvent pas non plus égaler la large sélection de thermoplastiques et de métaux que les industriels extrudent, moulent, estampent ou forment. Pour la plupart de ces applications, trouver un matériau de PR qui offre les caractéristiques exactes du matériau de production classique n'est pas chose facile. Le développement de nouveaux matériaux fait donc partie à juste titre des demandes pressantes des utilisateurs.

Les fournisseurs ont reçu ce message et leurs produits ne cessent d'évoluer. Il suffit de citer dans ce domaine les derniers-nés de DSM Somos, qui ont hautement amélioré la résistance de leurs polymères pour la stéréolithographie. Ou Stratasys qui offre des ABS pour ses machines, de 3D Systems qui propose des matériaux fonctionnels comme le DuraForm....

 'La meilleure approche ce n'est pas cependant de créer à tout prix des nouveaux matériaux pour le RM mais d'utiliser à bon escient ceux qui existent', considère Terry Wohlers. Et les exemples sont légion, dont les plus parlants ces sont les photopolymères pour la dentisterie et les dispositifs pour les soins de la vue.

La taille des pièces fabriquées est une autre limite. Le volume de fabrication de machines et le temps de construction sont deux obstacles considérables. Les grandes pièces, spécialement celles qui sont hautes, nécessitent des heures voire des jours pour être fabriquées. Dès la naissance du PR, les constructeurs ont été peu enthousiastes à fabriquer des machines capables de construire de grandes pièces. Et cette situation n'est pas prête à changer.

A noter toutefois des exception, comme le procédé Stratoconception du Cirtes qui permet la fabrication de pièces de plusieurs mètres (en standard jusque 3000 mm) et non limitées en z (PSA réalise en interne par stratoconception des véhicule géométriques à l'échelle 1 depuis 1995, date d'acquisition du procédé) ou la machine Eosint P700 d'EOS dont la dimension de fabrication atteint un mètre en diagonale.

Là encore, le handicap n'est pas insurmontable car une grande pièce c'est, parfois un assemblage de... petites pièces. En fait, cela peut être aussi long à construire une seule pièce, comme une boîte de vitesses par exemple, que plusieurs centaines de prothèses auditives.

De plus dans l'industrie du moule qui est segmentée par la taille de pièces fabriquées les ateliers capables de réaliser des grandes pièces sont plus rares que ceux qui produisent des petites pièces avec des presses à injecter de moins de 300 tonnes. Et là, les systèmes de PR possèdent un autre atout pour fabriquer des pièces de taille variable : leur capacité à prendre en compte des petites séries. Même si cela nécessite des jours et coûte des milliers de dollars pour produire une seule pièce, il s'avère que le PR peut être une solution plus rapide et moins chère pour fabriquer 5 ou 10 pièces que de réaliser les outillages classiques.

Reste enfin, le coût important de machines et de matériaux PR. Il est prohibitif et décourage de nombreuses entreprises. Les spécialistes de ce marché ne prévoient pas hélas, une baisse sensible de ces coûts à court terme. Seule une croissance soutenue de la demande en systèmes de PR pourra inverser cette tendance.

Mirel Scherer
avec Claude Barlier (directeur du Cirtes)

- Article 3 la semaine prochaine :'Panorama des pionniers de la fabrication rapide'
- Dernier article le 2 mai : 'Les produits disponibles sur le marché' et tous les liens vers les sites qui comptent sur le sujet.

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