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La fabrication directe, nouvel Eldorado

Mirel Scherer

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- Les constructeurs de machines partent à la conquête d'un nouveau territoire : la fabrication directe. Un moyen rapide et moins cher de produire sans outillages des pièces plastiques ou métalliques.

Les constructeurs de systèmes de prototypage rapide s'apprêtent aujourd'hui à surfer sur une très belle vague : celle de la fabrication rapide - ou directe - autrement dit la possibilité de fabriquer rapidement et directement, à partir de plans conçus en CAO, des pièces finies en plastique ou en métal.

La technique est des plus alléchantes. Les industriels cherchent en effet à réduire les délais et les coûts en délocalisant, par exemple, l'une des étapes les plus dispendieuses de leur production : la fabrication des outillages. Pourquoi ne pas faire encore mieux en éliminant carrément cette étape, chaque fois que l'application le permet ! Or, c'est effectivement l'un des principaux avantages de la fabrication directe.

Bien entendu, et pour le moment, les équipements ne peuvent produire que des pièces de petite dimension, comme le souligne à juste titre Thierry Dormal, spécialiste du Crif (le Centre de recherche des industries de fabrication à Liège, Belgique) et fin connaisseur du domaine. Et il faut encore améliorer la productivité et la précision des machines.

L'amélioration de la productivité et de la précision (pour atteindre le 1/100 de millimètre comme dans l'usinage), la disponibilité d'équipements capables de traiter des matériaux divers sont donc les pistes sur lesquelles les fournisseurs s'activent avec l'objectif d'aboutir rapidement. En attendant, les débuts sont prometteurs dans le médical avec les prothèses dentaires (Align Technology avec 3D Systems) et auditives en plastique (Phonak, Siemens, Widex avec EOS). La société française Iso Sonic a doublé le nombre de prothèses auditives fabriquées grâce à la machine SLA Viper de 3D Systems. Et les applications investissent déjà d'autres domaines comme l'aéronautique ou la mécanique générale.

La fabrication rapide vise à produire des pièces simples ou complexes par différents procédés utilisant soit des poudres (agglomérées par frittage, fusion, etc.), soit des moyens plus classiques (fraisage ou découpe suivis d'un assemblage par collage). Ces pièces peuvent être en plastique ou en métal, de structure ou non. Son champ est donc très vaste sauf dans les très grandes séries.

Des pièces de grande taille en un temps record

Pour la fabrication des pièces de grande dimension, on peut déjà faire appel au procédé de stratoconception du Cirtes et des machines associées de Rp2i à Saint-Dié des Vosges. L'éditeur de FAO (fabrication assistée par ordinateur) Sescoi annonce lui aussi une démarche intéressante pour la fabrication directe de pièces métalliques de grande taille. À la différence du procédé proposé par le Cirtes qui travaille par découpe de plaques - lesquelles sont ensuite assemblées -, le système proposé par l'éditeur français en collaboration avec le constructeur de machines-outils Zimmermann et le modeleur Pauser réalise les éléments par fraisage. Ces éléments sont ensuite collés les uns aux autres afin de réaliser une pièce complexe avec une grande précision. Le module LMP proposé par Sescoi génère automatiquement et simultanément les parcours d'outils nécessaires pour l'usinage de chaque couche sur la machine mise au point par Pauser et dont le prix avoisine les 450 000 euros.

La division ProMetal du constructeur américain Extrude Hone vient d'annoncer une machine, la R10, qui, tout en fabriquant des pièces de grande taille, pulvérise les temps de fabrication. Il s'agit d'un système qui travaille en 3D par jets de liant sur une poudre métallique. Grâce à 32 jets simultanés (le réglage des jets s'effectuant avec une précision de 170 µm), il peut construire une pièce dont les dimensions s'inscrivent dans un volume de 1 000 x 500 x 250 mm. Mais on peut bien sûr utiliser la machine pour construire plusieurs milliers de petites pièces à la fois. Ce procédé est comparable à celui de 3D Systems car on obtient une pièce qui comporte 60 % d'acier et 40 % de bronze, que l'on doit soumettre à un traitement thermique (une cuisson dans un four spécial). Malgré cet inconvénient, le temps de cycle total reste largement compétitif. « La vitesse des machines existantes sur le marché varie habituellement entre 4 cm3/h et 30 cm3/h, alors que la R10 offre une vitesse de 1 300 cm3/h et bientôt de 4 100 cm3/h », explique Thierry Dormal. Testée par le Crif, cette machine s'est montrée entre quatre et dix fois plus rapide que le procédé de frittage laser direct de métal (DMLS) d'EOS. Le composant obtenu est toutefois plus précis dans le cas de DMLS (cotes et état de surface). Le spécialiste de ProMetal travaille actuellement d'arrache-pied pour adapter leur procédé à d'autres matériaux, dont probablement l'aluminium.

Pour la production en grande série

Booster la productivité des machines fait l'objet de travaux intensifs chez tous les fournisseurs, au premier rang desquels 3D Systems, Stratasys et EOS, les trois leaders du classement mondial des constructeurs de machines de prototypage rapide. « Il est indéniable que le marché de la fabrication directe va se développer », assure André Surel, directeur commercial de la filiale française du constructeur allemand EOS. Y compris même pour certaines applications de production en grande série. Et de citer dans le secteur de la mécanique des éléments de systèmes de posages ou des pièces de montage pour le contrôle de qualité. « La poudre alumide (un polyamide chargé à 50 % d'aluminium) que nous fournissons est justement dédiée à ce type d'applications », ajoute-t-il.

L'évolution des équipements proposés par EOS illustre ce développement du marché. Entre l'Eosint P350 et la dernière machine du constructeur, l'Eosint P380, c'est 50 % de productivité qui a été gagnée. L'Eosint P700, de son côté, a multiplié la capacité de production de sa devancière par 2,5. Côté environnement des machines, des systèmes de recyclage de poudre ont été mis en place. Un logiciel spécifique limite les hauteurs de fabrication et génère des gains en temps et en consommables... On suit ainsi l'exemple de la machine-outil classique. Dans ce contexte, EOS n'hésite pas à introduire, comme il l'a fait au salon Euromold 2003, le terme d'e-manufacturing pour couvrir l'ensemble des étapes de la fabrication rapide. « Notre volonté est d'intégrer toutes ces étapes : depuis la réalisation de modèles en passant par les prototypes simples ou multiples, les maîtres modèles, les outillages rapides, la fabrication directe proprement dite, bref des données de CAO 3D jusqu'à la production dans une chaîne complète », indique l'expert.

La fabrication directe est aussi dopée aujourd'hui par l'apparition de procédés capables de traiter d'autres métaux que l'acier, tels le titane, le zinc, l'aluminium, le bronze, etc. C'est le cas du système de fusion par bombardement d'électrons EBM S12 conçu par Arcam, dédié aux pièces complexes en titane. Arcam vient d'ailleurs de signer un projet de développement d'applications avec un grand constructeur d'automobiles...

Des performances chiffrées irrésistibles

Spécialiste au Centre technique des industries mécaniques (Cetim), Benoît Verquin a minutieusement disséqué différents procédés de prototypage et de fabrication rapides adaptés à ces métaux dans son intervention lors d'une conférence organisée récemment par l'Institut de productique de Besançon. Il souligne, par exemple, la démarche du constructeur aéronautique américain Aeromet dont le procédé de fusion laser (laser additive manufacturing) réduit les coûts de 20 à 50 %, par rapport aux procédés classiques. « Utilisé dans l'industrie aéronautique pour la fabrication des structures en alliage de titane, ce système doté d'un laser CO2 de 19 kW et d'un volume de travail de 3 000 x 3 000 x 1 200 mm élimine les outillages », explique-t-il. Moyennant quoi les performances chiffrées du procédé semblent irrésistibles si on les compare aux techniques de fabrication conventionnelles : la matière nécessaire pour fabriquer une pièce passe de 1 360 kg à 91 kg, le temps d'usinage d'un élément passe de 500 à 100 heures, le temps total de fabrication de la structure passe de 12 mois à 2 mois, le coût de l'outillage passe de plusieurs millions de dollars à... zéro !

Capable de fabriquer des pièces métalliques très pures par fusion laser, la machine Realizer de MCP, qui doit encore améliorer sa précision et sa productivité, s'inscrit dans la même approche.

Ce développement des procédés par fusion laser illustre bien le foisonnement de la fabrication directe, puisque le constructeur français Phenix Systems explore aussi cette voie avec succès. Et quelle meilleure caution pour l'avenir de la fabrication rapide par fusion que l'arrivée sur ce marché d'un géant de la machine-outil, Trumpf, avec un véritable équipement de production...

LES DÉFIS

- Améliorer les vitesses de fabrication - Développer des systèmes capables de fabriquer des pièces en aluminium ou dans d'autres matériaux - Perfectionner la précision des équipements - Obtenir une meilleure qualité de surface

HETTICH PRODUIT SANS STOCK

C omment éliminer le stock tout en gardant la capacité de faire face à des commandes aléatoires ? Fabricant de pièces pour l'industrie médicale, Hettich Zentrifugen a trouvé la réponse grâce aux machines de frittage laser d'EOS. Confrontés à une production variable de moins de mille pièces par an, les ingénieurs allemands ont testé et validé le potentiel du système de prototypage rapide Eosint P 380 pour fabriquer au fur et à mesure de l'arrivée des commandes. Une approche réussie d'e-manufacturing La mise au point d'un polyamide, le PA 2200, dont les caractéristiques techniques s'approchent de celles du matériau précédemment utilisé et la productivité de la machine d'EOS ont été exploitées pour fabriquer un élément essentiel de la centrifugeuse médicale Rotalavit. Avec un avantage considérable : la réduction du nombre de composants de cet élément de 32 à 3 ! Les coûts de production, d'assemblage et de logistique en sont évidement réduits d'autant. Un bel exemple de l'approche e-manufacturing (qui couvre toute la chaîne de la CAO au frittage).

"L'ESSOR DEVRAIT ÊTRE CONSIDÉRABLE."Thierry Dormal Responsable du département fabrication rapide au Crif de Liège, Belgique

«L e potentiel de machines de prototypage rapide est encore peu exploité par les entreprises. L'essor de la fabrication rapide pourrait être considérable dans les prochaines années, à condition que les bureaux d'études découvrent mieux les possibilités des équipements comme ceux que proposent 3D Systems, EOS et autres Stratasys. D'autant que ces machines sont déjà capables de produire de vraies pièces, en plastique ou métalliques, de géométrie complexe et en petites séries (environ mille unités) à des coûts et des délais intéressants. Le progrès est d'ailleurs permanent. Un exemple ? La machine R10 qui utilise la technologie ProMetal d'Extrude Hone, dont nous sommes les premiers à nous équiper en Europe et qui bat tous les records de vitesse de fabrication. Elle améliore ce qui reste le point noir des équipements de prototypage rapide, leur faible productivité. Bientôt des pièces en aluminium ou en inox Les utilisateurs attendent aussi avec impatience les équipements qui seront capables de produire des pièces en aluminium et qui tardent à arriver sur le marché. Enfin, les procédés par fusion que proposent des sociétés comme Phenix Systems, Trumpf ou MCP, ouvrent des pistes intéressantes pour l'obtention de pièces en acier inox ou en titane dotées de bonnes propriétés mécaniques.

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