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DOSSIER SPECIAL : Les formidables promesses de la fabrication rapide (1/4)

Industrie et Technologies
Fabriquer directement des produits à l'aide de systèmes de prototypage rapide sera l'une des principales évolutions industrielles des prochaines années. Premier d'une série de quatre, cet article présente la technologie r

Apparus industriellement vers la fin des années 80, les procédés de prototypage rapide (PR) ont évolué de la simple réalisation rapide d'une pièce pour analyser sa conception ou son aspect esthétique vers d'autres applications. Exemples : les procédés de fonderie rapide ou la fabrication rapide d'outillages (moules d'injection) nécessaires à la production en série de pièces plastique.

Cette dernière application, appelée 'outillage rapide' (ou Rapid tooling chez les Anglo-saxons) dans le jargon des aficionados du PR, reste toujours valable et ne cesse de se perfectionner, une autre voie se dessine actuellement. Celle de la fabrication rapide (Rapid manufacturing ou RM).

L'opération de fabrication rapide peut être directe, sans aucun moule ou modèle intermédiaire. Dans ce cas la pièce est fabriquée en petite série grâce au système de PR. Elle peut également être indirecte. Le moule ou modèle intermédiaire sont alors réalisés avec les machines de PR qui serviront ensuite à fabriquer les pièces finies.

C'est ainsi qu'est définie la fabrication rapide par le 'pape' du PR, Terry Wohlers, directeur du cabinet américain Wohlers Associates spécialisé dans les analyses technico-économiques de ce marché.

De très sérieux atout en conception et en fabrication

Encore à ses premiers balbutiements, cette démarche révolutionnaire peut s'appliquer avantageusement à des nombreux domaines industriels : du médical, le précurseur, à l'automobile, l'aéronautique, l'électroménager, l'appareillage électrique, etc. Avantageusement, car il suffit de penser que grâce au RM la mise au point et la fabrication d'un moule par les moyens classiques gourmandes en temps et en argent devient inutile.

Directeur du développement des applications d'outillage et de fabrication rapides chez 3D Systems, Mervyn Rudgley a fait l'inventaire de bénéfices du RM .

Ainsi en conception il pointe les avantages suivants :

- les pièces peuvent être plus complexes sans poser des problèmes en fabrication (pour les pièces moulées ou réalisées en fonderie on n'a pas besoin de concevoir les angles, les chemins de contraction due à l'épaisseur variable des parois sont éliminés, la finition des certains éléments du moule est évitée, etc.) ;
- le nombre de composants d'un assemblage complexe est réduit ;
le modèle de conception peut être modifié autant de fois que nécessaire ;
- avec le paramètrage CAO certains assemblages peuvent être réalisés en une seule partie ; des structures non-homogènes avec différentes propriétés d'une zone à l'autre peuvent être conçues...

En fabrication, les atouts sont tout aussi probants :

-la géométrie du produit peut varier sans influencer l'efficacité de la production ; l'élimination de l'outillage réduit le cycle de fabrication et les coûts de production ;
-le processus se déroule en flux tiré (juste-à-temps) sans en-cours et avec moins de stocks ; une production plus flexible ;
- la fabrication en petite série et sur mesure  est très économique;
- l' adaptation aux fluctuations de la demande  est meilleure qu'avec les procédés classique;
- enfin, le RM offre la possibilité de fabrication locale, ce qui réduit les coûts d'emballage, de transport et d'emmagasinage...

Bref, malgré le fait que le RM n'est en qu'à ses premiers pas industriels et qu'on ne puisse encore recenser que très peu d'applications, son potentiel est énorme.  'Son champ d'application est pratiquement sans fin, dès lors que l'on envisage une autre conception des produits ou l'application de ce procédé aux produits existants en modifiant certains paramètres, affirme Terry Wohlers Mais il ne se développera pas pas avant quelques années encore, parce que la plupart des obstacles étant que les industriels ignorent a peu près tout de ce sujet. A leur grand tort, évidemment...'

Cela est d'autant plus regrettable que, l'évolution des procédés, des performances des machines et des matériaux, rend désormais possible cette approche.

Un bémol toutefois : le RM n'est pas universellement valable. Selon les spécialistes du domaine, il n'est rentable (en prix et en délais) que pour certaines pièces comme celles de forme complexe, difficiles à fixer et à usiner avec les machines-outil conventionnelles. Ou celles de petite taille.

Reste que les constructeurs de machines de PR, 3D Systems (qui a repris DTM, un autre acteur important du domaine) et EOS en particulier, s'engagent sur cette nouvelle voie.

Par exemple, la machine SLA 7000 de 3D Systems est un véritable équipement de production, rapide et précis. Le numéro un du marché du PR, qui a aussi jeter son dévolu sur la start-up française OptoForm ne cache d'ailleurs pas ses ambitions. 'Nos concurrents ne se trouvent plus dans le domaine du PR mais dans celui des équipements d'usinage à grande vitesse', précisait ainsi Jim Tuttle, le vice-président marketing de 3D Systems. 'La reprise d'OptoForm et de DTM s'inscrit donc tout naturellement dans cette stratégie qui nous oblige à avoir plusieurs fers au feu.'

Un marché de 100 milliards de dollars !

Pour Jim Tuttle, en tout cas, il n'y a pas de doute : 'L'avenir c'est de pouvoir fabriquer en petite série, avec les moyens de PR, des pièces sur mesure.'  Et pour ce vieux routier du contrôle qualité et de la gestion de performances, le marché est colossal. ' La simple comparaison de différents marchés du PR le prouve, insiste-t-il. Les applications de niche du PR représentent un chiffre d'affaires potentiel d'un milliard de dollars annuellement ; le marché de l'outillage rapide pèse le double, tandis que la fabrication rapide a une envergure de tout autre ordre puisqu'on peut chiffrer son marché à 100 milliards de dollars'.

Pour l'utilisateur en tout cas, l'avantage est clair. Le RM supprime, sur la chaîne conception-fabrication, des étapes gourmandes en temps et en argent. Aujourd'hui il faut concevoir, tester, modifier, tester à nouveau, rémodifier si besoin... et fabriquer un produit nouveau. Avec la fabrication rapide les tests et les modifications ne sont plus des étapes distinctes.

La machine Vanguard HS (pour high speed ou grande vitesse) que commercialise 3D Systems a été ainsi spécialement conçue pour les applications de fabrication rapide. Cet équipement commercialisé déjà depuis plus d'un an, met en œuvre le même procédé que les précédentes machines : le SLS ou Selective Laser-Sintering (frittage de poudre).

Cette quatrième génération de machine s'inscrit sans ambiguïté dans la démarche : de la fabrication rapide. Elle ajoute en effet, aux impératifs de vitesse, de flexibilité et de réduction de coûts, ceux de précision et de constance dans la qualité de production indispensables pour réaliser des petites séries de pièces finies.

Vanguard HS fabrique ainsi rapidement des pièces de précision, avec finesse de détail et une bonne qualité de surface. Les tests industriels ont démontré que cette machine améliore la précision de pièces d'environ 20% par rapport aux précédentes machines Sinterstation 2500.

La rapidité de fabrication a elle aussi été améliorée. Ainsi, testée sur la réalisation d'une pièce mécanique de dimensions 144 x 323 x 267 mm, la Sinterstations 2500, a mis 15 heures tandis que la Vanguard HS a s'est contentée de moins de 7 heures. 

Améliorée aussi la qualité de surface, grâce à un système de scanerisation spécial, ce qui réduit les opérations de finition. Enfin, la machine fabrique des pièces fragiles ou avec des parois minces, de 0,5 à 0,6 mm.

D'autres projets de développement menés actuellement par les fabricants de machines visent aussi le RM. La start-up française Phenix Systems a mis en chantier par exemple, l'étude et la réalisation d'un système de fabrication rapide de petites pièces complexes utilisant son procédé breveté et intégrant les fonctions de post-traitement.

Mirel Scherer
avec Claude Barlier (directeur du Cirtes)

- Article 2  la semaine prochaine : 'Des obstacles sur la route de la fabrication rapide'
- Article 3 la semaine suivante :'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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