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La fabrication directe fait son chemin...

Mirel Scherer

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- L'utilisation des machines de prototypage rapide pour fabriquer des pièces finies progresse grâce à leur amélioration et surtout à celle des matériaux.

Lentement mais sûrement, la fabrication rapide de produits s'invite dans les ateliers. La raison de cette évolution, que les analystes de marché comme le consultant américain Terry Wohlers considèrent comme irréversible, est simple. La perpétuelle recherche de la baisse des coûts pousse les industriels à essayer de nouvelles voies qui éliminent l'une des étapes les plus consommatrices de temps et d'argent : la fabrication d'outillages (moules).

La fabrication rapide consiste à utiliser des machines de prototypage qui réalisent des pièces par l'addition de couches, pour la production de produits finis. Ou, étape intermédiaire, pour la fabrication rapide de l'empreinte de moules qui serviront à la production en grande série des pièces.

Bien sûr, le réel intérêt de cette approche est de fabriquer directement les biens que l'on peut utiliser immédiatement. « La démarche s'applique aussi bien aux produits qui existent qu'aux pièces difficiles à fabriquer par les moyens conventionnels », précise l'expert américain.

Déjà utilisé dans l'automobile...

Pour le moment, il s'agit encore d'une technologie futuriste pour la plupart des industriels. Mais elle est déjà une réalité pour quelques happy few. MG Rover, par exemple, a fait fondre les délais de fabrication de certaines pièces pour ses automobiles, dans son usine anglaise. Un élément de fixation en plastique, nécessitant un délai de six semaines pour la fabrication du moule et l'injection plastique, a constitué l'objet d'une application intéressante. Quelque 1 800 pièces (deux par véhicule) ont été fabriquées par frittage de poudre en 48 heures. Gain de l'opération : 81 000 dollars.

Une visite au Centre de recherches de l'industrie des fabrications (Crif) à Seraing, près de Liège (Belgique), l'un des plus réputés au monde dans le domaine de la fabrication rapide, confirme cette vision. Le centre travaille depuis une bonne quinzaine d'années dans le domaine du prototypage rapide et compte une douzaine de spécialistes de la technologie. Ses travaux mettent à profit un parc exceptionnel de machines : stéréolithographie sur SLA de 3D Systems, frittage métal et plastique sur des machines EOS, dépose de fil en ABS avec la machine Stratasys, des imprimantes 3D de Z Corp et de 3D Systems, des machines Optoform qui traitent les matériaux pâteux, la fonderie métal avec une machine MCP... Le Crif est, par ailleurs, le seul à posséder en Europe une machine R10 de Prometal, un équipement capable de fabriquer par impression 3D des pièces métalliques d'une longueur d'un mètre, qui repousse les limites actuelles (vitesse, etc.) de la fabrication rapide. La vitesse de fabrication de cette machine, que le Crif a améliorée en ajoutant différents dispositifs, peut atteindre de 2 000 à 4 000 cm3/h. Un exploit quand on sait que la vitesse moyenne des autres technologies est de 10 cm3/h.

«La précision des machines s'améliore continuellement et les matériaux évoluent sans cesse, mais le temps de fabrication est encore loin de ce qui se pratique dans l'industrie », tempère toutefois Thierry Dormal, responsable du département fabrication rapide au Crif. Pour cette raison, la technique restera, pour un bon moment encore, le domaine privilégié de la production de pièces unitaires ou en petites séries, jusqu'à 200 pièces. « On peut néanmoins fabriquer parfois 2 000 pièces si elles sont de petites dimensions », précise l'expert du Crif.

Cela dit, les applications réalisées dans différents matériaux par le Crif illustrent le potentiel de ce mode de fabrication : joint d'étanchéité haute performance pour le médical réalisé sur la machine Optoform (grande dimension, pas de porosité, remplacement de céramiques actuelles trop coûteuses et trop difficiles à usiner) ; élément de perfusion (cent pièces en résine fabriquées en cinq jours avec une précision équivalente à la pièce injectée finale) ; fabrication de cent maquettes de véhicules militaires pour un salon (coût de 6 000 euros, réalisés en sept jours)...

... Et dans le médical pour les prothèses

La fabrication rapide profite aujourd'hui du formidable boom du frittage tant plastique que métallique. Plusieurs fournisseurs de machines (voir IT n° 874) bataillent sur ce marché avec des applications qui se développent aussi bien dans l'industrie automobile que dans l'aéronautique. Elle connaît également un essor considérable dans le domaine médical, surtout celui des prothèses. La raison ? « Cette technique permet de fabriquer rapidement des pièces sur mesure », répond Thierry Dormal.

La combinaison entre des machines qui améliorent leur précision et leur temps de cycle et des matériaux évolués explique cette évolution qui ne fait que commencer. Le constructeur français Phenix Systems a équipé plusieurs laboratoires dentaires avec son système de fabrication rapide de prothèses dentaires par frittage laser de poudres. Destiné à la fabrication directe dans les laboratoires de chapes, couronnes et bridges jusqu'à 14 éléments, ce système comporte un scanner 3D par projection de franges, un logiciel de CAO dentaire et une machine de frittage laser pour la fabrication d'éléments en chrome cobalt "céramisables". « Notre solution divise les coûts de production par quatre pour une production d'environ 15 000 unités par an », précise François Reymondet, directeur de Phenix Systems, fournisseur de la machine.

Le chrome cobalt fait d'ailleurs l'unanimité côté fabricants de machines de frittage. Dureté et résistance à la température et à la corrosion sont les principaux atouts de cet alliage biocompatible qui, outre les prothèses, peut s'utiliser également dans la fabrication des pièces pour les moteurs d'automobiles, la bijouterie... La machine Realizer II de MCP a été testée par les chercheurs de l'Université de Liverpool pour la fabrication directe de prothèses en chrome cobalt et aussi en titane ou en Inox. Des pièces extrêmement précises (épaisseur de la couche de 0,03-0,01 mm) et dont la porosité assure une baisse sensible de densité : on passe ainsi des 7,83 g/cm3 d'un composant en Inox classique à 0,6 g/cm3 pour celui réalisé par fusion sur cette machine.

Même approche pour EOS qui annonce plusieurs nouveaux matériaux, dont le chrome cobalt, pour réaliser les prothèses de genou. Le constructeur lance également le CarbonMide, une poudre polyamide à fibre de carbone qui marie une densité très faible avec une rigidité à toute épreuve. Ce qui la destine à la fabrication directe de pièces pour l'industrie aérospatiale ou la Formule 1. Sa conductivité électrique en fait également un matériau de choix pour les boîtiers électroniques.

Le chrome cobalt est aussi l'un des derniers matériaux mis sur le marché par le constructeur suédois Arcam qui propose des machines utilisant un processus de fusion par faisceaux d'électrons.

VERS L'OUTILLAGE RAPIDE

Le Crif mène un projet européen destiné à valider la fabrication d'un moule métallique complexe sur différentes machines de frittage de poudre métallique. À savoir : > DMLS d'EOS avec les matériaux DM20 (Direct Metal), DS20 (Direct Steel) et H20 (Tool steel) > SLS de 3D Systems avec l'acier A6 infiltré bronze > Prometal avec l'acier Inox S4 et S4H infiltré bronze

LES PROGRÈS ACCOMPLIS

- Des machines plus précises (0,3 à 0,05 mm) - Des gains de productivité (vitesse de 1 000 à 4 000 cm3/h) - Des matériaux proches de ceux utilisés dans l'industrie Reste à améliorer - La vitesse de fabrication - La finition des pièces - Le post-traitement - La précision - Le coût des machines et des matériaux

VERS LA PRODUCTION

Ce ne sont plus seulement les prototypes qui en bénéficient

- Implant mandibulaire composite réalisé avec la machine Realizer de MCP. Avantage : la possibilité de fabriquer rapidement et sur place des implants adaptés à la configuration des patients.

- 3D Systems dévoilait à Euromold une poudre plastique, la Duraform EX, qui donne des nouvelles perspectives à la fabrication rapide. Avantage : Une résistance extrême et des applications dans l'industrie aéronautique ou la Formule 1.

- Réalisé en chrome cobalt avec le procédé frittage DMLS d'EOS. Avantage : Plusieurs implants personnalisés pour le genou peuvent être réalisés sans surveillance.

- Roue de turbine en Inconel réalisée avec le procédé de fusion laser de Trumpf. Avantage : Une optimisation du poids des composants.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0875

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