Fini le proto, vive la fabrication directe !

Les équipements de prototypage rapide sont de plus en plus prisés pour produire des pièces de série. Ils seront les machines-outils de demain, au moins pour la fabrication des pièces de géométries complexes.

Les industriels confrontés à la fabrication des pièces biscornues doivent s'attendre à un bouleversement de leur métier. En effet, après plus de deux décennies de bons et loyaux services, les systèmes de prototypage rapide passent à la fabrication directe. Cette technologie est désormais capable de produire, dans le matériau cible, des pièces ou des outils conformes au cahier des charges. Deux méthodes cohabitent : la déposition de métal par laser (LMD) et la fusion laser sélective (SLM). « Dans les deux cas, un laser assure le frittage ou la fusion. Les méthodes se différencient par le système d'alimentation de la poudre métallique : pulvérisation via une buse pour le LMD, dépôts successifs sur un plateau mobile dans le cas du SLM », précise Andres Gasser, responsable de projet LMD à l'Institut Fraunhofer pour les technologies laser (ILT) d'Aix-la-Chapelle (Allemagne). Chaque méthode a ses atouts. Plus précise, la SLM traite des géométries plus complexes que la LMD. Celle-ci, en revanche, permet d'ajouter des couches sur des structures 3D existantes et de construire des pièces plus grandes.

Pour Benoît Verquin, spécialiste au Centre technique des industries mécaniques (Cetim), pas de doute : « La fabrication directe connaît actuellement un essor considérable ». L'évolution technologique des machines et les impératifs d'économie expliquent cet engouement. « Plus d'une trentaine de machines sont actuellement utilisées en France pour la production des prothèses dentaires », constate l'expert du Cetim.

SÉDUISANT POUR LES PIÈCES À FORTE VALEUR AJOUTÉE

D'autres secteurs s'y intéressent. « La fabrication directe séduit l'aéronautique, qui utilise des pièces à forte valeur ajoutée, fabriquées dans des matériaux onéreux et dont la mise en forme nécessite des usinages coûteux », indique Didier Boisselier, responsable technique à l'Irepa Laser, un centre technologique installé à Illkirch (Bas-Rhin). Des machines SLM comme celles de 3D Systems, EOS, Concept Laser, MTT, Realizer, Phenix Systems ou des équipements LMD comme la Clad (lire l'encadré ci-dessous) de l'Irepa Laser, peuvent répondre à ces contraintes.

Rien d'étonnant, donc, si les industriels démarrent, dans une relative discrétion, des applications de fabrication directe, comme la réparation des pièces difficiles à traiter - ou à un coût trop élevé - par les moyens classiques tels que le chargement par métallisation. Ces équipements permettent aussi de modifier les géométries, voire de construire de nouvelles pièces. Lors du congrès AKL'10 - l'un des rendez-vous les plus prisés au monde des aficionados du laser - début mai à Aix-la Chapelle, trois industriels ont levé un coin du voile sur leurs avancées.

Distinguée par un prix de l'innovation, l'installation de fabrication rapide mise en oeuvre par Rolls-Royce dans son usine allemande d'Oberursel fait appel à une machine Lasercell 1005 de Trumpf. « Nous avons utilisé les technologies LMD et SLM pour réparer des pièces complexes et pour réaliser des outillages », explique Gregor Kappmeyer, le responsable du projet. Réduction de coût et amélioration de la résistance mécanique ont été constatées dans la réparation de pièces de turbines haute pression et d'engrenages en titane de moteurs aéronautiques. Les avantages sont aussi nets pour la fabrication d'outillages : « Pour des fabrications en petite série, la technologie SLM réduit les coûts tout en améliorant la flexibilité », ajoute le spécialiste. Autres atouts : l'intégration plus facile des capteurs de contrôle du moteur directement dans les pièces, et l'amélioration des capacités de lubrification du moteur.

DES MATÉRIAUX DIFFICILES À TRAITER AUTREMENT

Spécialisé dans les prothèses médicales, la production d'outillages ou de composants pour les turbines à gaz, Sulzer Innotec aborde la fabrication directe sous différentes formes. « Nous mettons en oeuvre plusieurs systèmes pour réparer, par exemple, les pales de turbines », témoigne Thomas Peters, responsable de l'ingénierie et de la production. « A savoir, une installation fixe dotée d'un laser CO2 de 2 kW, un système 5 axes qui met en oeuvre un laser à fibre de 1,5 kW et un laser pulsé YAG de 150 W. » Des solutions capables de traiter des petites pièces, mais aussi de grandes et lourdes pièces, comme cet arbre à pales en alliage chrome / nickel de 3,5 mètres de long et de 4 tonnes.

L'opération de réparation se déroule en trois étapes : préusinage de la partie à réparer, chargement laser et usinage final. Le tout sans traitement thermique en fin de cycle. « Cette technique offre une qualité constante, une forme au plus près des préconisations du cahier des charges et un cycle de production plus court », précise Thomas Peters.

En fait, l'intérêt de l'aéronautique pour les technologies LMD ne peut que s'affirmer d'ici à 2020, en raison de la part croissante des matériaux difficiles à traiter autrement. « Les impératifs de réduction de poids, de résistance aux hautes températures et de diminution des coûts vont renforcer l'utilisation du titane et des alliages à base nickel », estime Karl-Hermann Richter, du motoriste MTU Aero Engines. L'équipementier utilise une installation robotisée 5 axes de chargement par soudage laser d'Arnold Engineering pour réparer et fabriquer des composants de moteur en alliage de nickel ou en titane. Chez MTU Aero Engines, les techniques LMD représentent désormais près de 20 % des applications laser. Pour le spécialiste de MTU, il reste tout de même un bon nombre de verrous à lever. Entre autres, l'absence de moyens de contrôle non destructif dédiés, un processus encore trop lent (10-40 cm3 / h pour le LMD, 2-10 cm3 / h pour le SLM), et une finition par usinage souvent indispensable.

Plusieurs projets de recherche visent à gommer au plus vite ces défauts de jeunesse. C'est le cas de Fantasia, un projet européen qui se termine le 31 mai prochain. Coordonné par l'ILT (Fraunhofer), il a rassemblé 18 partenaires de 8 pays. Dont le constructeur français Turbomeca (Safran). « Les deux technologies ont été analysées lors de la fabrication de composants pour les moteurs d'avions et comparées aux approches classiques », explique Pierre Escourrou, chef de projet de recherche chez Turbomeca. Les conclusions sont encourageantes. Le système LMD a démontré son efficacité dans la réparation des pièces de grande dimension, même quand la zone d'accès est difficile. Adapté à la fabrication des petites pièces complexes, le SLM doit encore améliorer certaines caractéristiques. Il faudra aussi mettre au point ses procédures de certification pour l'aéronautique. A la suite de Fantasia, un nouveau projet, baptisé Merlin, devrait s'y atteler.

MULTIPLIER LES MATIÈRES

Enfin, d'autres projets cherchent à étendre le champ d'application de ces technologies. Ainsi, l'ILT, à Aix-la-Chapelle, vise la fabrication directe de pièces multimatériaux, en utilisant des machines comme celles d'EOS et de Trumpf. Même objectif pour les équipes de l'Institut de recherche en communications et cybernétique de Nantes (Irccyn) et du centre de transfert technologique belge Sirris, qui utilisent, entre autres, la machine Clad de l'Irepa Laser. Vieux routier du prototypage rapide, Thierry Dormal, du Sirris, confirme l'évolution de ces équipements vers la fabrication rapide. « De nombreux industriels de la Wallonnie (Sonaca, TechSpace Aero, etc.) et du nord de la France font appel à nous pour valider ces procédés », explique le spécialiste. Les deux équipes se sont lancé un autre défi : le développement des pièces composées de plusieurs matériaux. « Cela permettra de répondre à des sollicitations mécaniques et thermiques complexes et élargira l'éventail des applications », souligne Jean-Yves Hascoet, de l'Irccyn. Dans ce but, le Sirris envisage de s'équiper de machines SLM d'EOS et MTT. « On pourra ainsi fabriquer une pièce sur une machine de ce type et la transférer sur l'équipement Clad de l'Irepa pour rajouter des éléments dans des matériaux différents », indique Thierry Dormal. Enfin, le Sirris participe, avec l'Institut Fraunhofer, l'institut danois DTI, son homologue hollandais TNO et la société française MB Proto, à un projet européen qui devrait permettre aux industriels d'y voir plus clair dans un domaine émergent et foisonnant. L'objectif est de réaliser une étude exhaustive des technologies existantes de fabrication directe.