La Fabrication Additive s’impose comme moyen de production

Publié le , mis à jour le 29/01/2020 À 08H00

Dossier La Fabrication Additive, désignée également sous les termes d’Impression 3D, devient désormais incontournable dans l’aéronautique, la santé ou l’automobile où elle s’est imposée comme une technologie complémentaire aux moyens traditionnels de production. Il faut dire que la fabrication additive possède de nombreux atouts.

La Fabrication Additive s’impose comme moyen de production

Outre de permettre la conception et la fabrication de produits jusqu’alors inenvisageables tant en termes de fonctionnalités, de structures, que de matériaux, la fabrication additive apporte de nombreux avantages comme la rapidité d’exécution et une plus grande flexibilité des ateliers. De plus, l’hybridation des technologies et des matériaux ainsi que l’avènement de nouveaux procédés et de nouvelles matières lui ouvrent encore un peu plus le champ des possibles. La fabrication additive s’insère dans tous les domaines d’activités repoussant les limites du réalisable en donnant libre cours aux innovations les plus surprenantes comme l’impression de mini-cœurs artificiels en 3D à partir de cellules humaines dans les laboratoires de l’Université de Tel Aviv ou bien la fabrication de cadres de vélo en fibres de carbone par la société américaine Arevo en quelques jours seulement là où il fallait 18 mois auparavant. Dans le secteur du bâtiment, à Dubaï par exemple, 25 % des bâtiments devraient être fabriqués en impression 3D d’ici 7 ans et en France, les cinq premiers pavillons individuels devraient être « imprimés » à Reims à la fin de cette année. Ce sera l’aboutissement du projet ViliaPrint mené par le bailleur social Plurial Novilia, qui associe l’entreprise générale Demathieu Bard, la société XtreeE spécialiste de la fabrication additive, le cabinet Coste Architectures et le groupe cimentier Vicat.
 
Multiplication des plates-formes et hubs industriels
 
Même si l’année 2018 a déjà été particulièrement prolixe pour la fabrication additive avec des événements majeurs qui ont confirmé une fois de plus l’intérêt pour les industriels d’utiliser cette technologie, 2019 devrait constituer un tournant pour l’impression 3D. L’année sera marquée par une forte accélération des programmes et investissements notamment dans les domaines de l’aéronautique, du spatial, de l’automobile et de la fonderie. En mars dernier, le groupe Safran, numéro 3 mondial des équipementiers aéronautiques, annonçait la création d’un campus de recherche et de développement, de production et d’usinage dédié à la fabrication additive au Haillan au sein de la métropole Bordelaise. L’objectif est d’être opérationnel en 2021 avec à la clef la création de 200 emplois. « La fabrication additive est cruciale pour notre métallurgie. Ce choix de Safran montre l’attractivité de notre territoire et la qualité de l’écosystème que nous avons constitués autour des technologies d’avenir » a déclaré à cette occasion Alain Rousset, le président de la Région Nouvelle-Aquitaine. « La fabrication additive est un levier de l’Usine du Futur qui permettra d’atteindre l’excellence opérationnelle dans le domaine de l’aéronautique. Au sein de Segula, nous planchons sur la réalisation d’un certain nombre de pièces dont une aube à refroidissement interne en partenariat avec Safran. La fabrication additive permet un gain de temps sur les process de conception et une réduction des coûts de fabrication. Avec elle, nous pouvons produire une pièce unique à fonctionnalité étendue, là où jusqu’à présent il fallait fabriquer plusieurs éléments pour la réaliser » argumente Jérôme Julien, responsable de la Business Unit industrie 4.0 du groupe Segula. De son côté, Dassault prépare dans le cadre du programme Aeroprint mené avec la Région Auvergne Rhône-Alpes, l’ouverture d’une plate-forme industrielle sur son site d’Argonay en Haute-Savoie. 25 millions d’euros seront engagés pour industrialiser les procédés de fabrication additive métallique et les adapter au secteur de l’aéronautique.
 
La fabrication additive a un rôle clef dans la maintenance
 
Les compagnies aériennes montrent elles aussi l’exemple et investissent massivement pour assurer la maintenance de leurs appareils. C’est notamment le cas de Lufthansa qui a ouvert, l’an dernier, un centre de fabrication additive qui permettra de fabriquer des pièces de rechange. Le groupe allemand avait été précédé par Etihad Airways, la compagnie aérienne nationale des Emirats Arabes Unis qui a signé un partenariat fin 2018 avec EOS pour fabriquer des pièces d’intérieur de cabines. « L’un des secteurs en développement dans le fabrication additive concerne le marché des pièces de rechange. Avec une meilleure maturité des outils de conception et de reconception et une industrialisation axée vers la performance industrielle, nous allons nous orienter vers une logistique numérique avec des centres de production relocalisés. L’idée est reprise par les sociétés aériennes qui s’appuient sur la création de hubs de fabrication pour assurer la maintenance. C’est le même cas pour les plates-formes off-shore. La difficulté consistera alors à stocker la matière première » analyse Alain Bernard, professeur des universités à l’École centrale de Nantes et vice-président de l’AFPR (Assises Européennes de La Fabrication Additive). La fabrication additive va ainsi peu à peu complètement transformer la supply-chain associée. Elle va entraîner une simplification des process par la multiplication et la création de mini-usines au plus près des opérations de maintenance et de production. Cette tendance se retrouve également dans le domaine minier et ferroviaire. C’est le cas notamment pour la SNCF, qui depuis 3 ans, se penche sur la fabrication additive avec Cirtes en vue d’assurer la maintenance des trains et des réseaux. Dans ce cadre, l’opérateur ferroviaire planche avec Cirtes, le Team Henri Fabre et 8 autres partenaires industriels sur un programme collaboratif en vue de créer une filière française dédiée à la maintenance. « Nous savons réaliser des pièces de rechange métalliques en fabrication additive sur lesquelles les enjeux de sécurité sont faibles. Tous les éléments sont déjà présents sur le marché pour fabriquer des pièces de rechange : reconstruire le modèle 3D, refaire les pièces par fusion de poudre métal ou par stratoconception et les finir par usinage. L’enjeu consiste aujourd’hui à combiner les différentes étapes pour pouvoir dans un temps très court obtenir des pièces de rechange à un coût et une qualité maîtrisés. La fabrication additive sera un moyen de relocaliser la production et elle permettra de créer un nouveau tissu industriel » commente Louis-Romain Joly, chef de projet SNCF.
 
Des ateliers de production plus flexibles et des fabrications en série
 
Sans parler de la flexibilité et de l’agilité qu’apportera la fabrication additive aux industriels. « Dans les années 1980, la notion d’ateliers de production flexibles faisait son apparition. Cela est devenu une nécessité pour les industriels pour conserver leur agilité et optimiser leur performance industrielle. La fabrication additive donne plus de souplesse aux outils de production. Elle entraîne un environnement plus agile. C’est une technologie qui s’adapte aux fluctuations du marché. Elle amène une quantité de diversité sans surcoût. La fabrication additive va devenir un outil de production en grande série fabriquant à la demande de manière personnalisée comme le fait déjà depuis 20 ans le fabricant Phonak qui produit en série des prothèses adaptées aux spécificités de chaque individu » explique Alain Bernard, professeur à l’École Centrale de Nantes. Propos similaire du côté de Volkswagen : « D’ici 2025, nous voulons augmenter de 30 % la productivité dans les usines de la marque Volkswagen par rapport à 2018. Pour atteindre cet objectif, les usines doivent devenir plus rapides, allégées et plus efficaces » a annoncé lors de l’inauguration du centre de fabrication additive de Wolfsburg, Andreas Tostmann, membre du directoire de la marque allemande en charge de la production et de la logistique. Déjà bien intégrée dans le médical, la fabrication de pièces en série en 3D s’ancre chez les gros industriels. Dans le domaine de l’automobile, BMW prévoyait l’an dernier d’augmenter de 42 % le nombre de pièces 3D en série pour atteindre les 220 000 pièces. Le groupe a fabriqué plus d’un million de pièces en 3D en l’espace de 10 ans. De son côté, Volkswagen, qui a investi dans un centre de fabrication additive sur son principal site de production de Wolfsburg, annonce : « Dans deux ou trois ans, la fabrication additive deviendra également intéressante pour les premières pièces de production. À l’avenir, nous pourrons peut-être utiliser des imprimantes 3D directement sur la chaîne de production pour concevoir des véhicules ». Côté aéronautique, Airbus démarre la fabrication de ses premières séries de pièces en 3D dédiées aux supports du train d’atterrissage avant des A350 XWB. L’avionneur a confié ce marché à Liebherr Aerospace. Il a également signé d’autres contrats notamment avec LAAM (Lisi Aerospace Additive Manufacturing) pour la production en impression 3D de pièces en Inconel pour l’A350. « Avec la fabrication additive, nous nous affranchissons des règles de conception classique et nous faisons des pièces plus complexes, plus légères avec des fonctions intégrées qui n’étaient jusqu’à présent pas réalisables » glisse Michel Daumars, le président de LAAM.
 
Des outillages plus complexes et plus fonctionnels
 
La compétitivité de la fabrication additive dans la production d’outillages et de moules de haute productivité n’est aujourd’hui plus à démontrer. L’impression 3D est la seule technologie capable de faire des circuits de refroidissement au plus près de la surface moulante des moules. Elle améliore considérablement les conditions d’injection plastique avec une réduction du temps de cycle comprise entre 30 et 40 %. Elle permet notamment d’installer des capteurs à l’intérieur des outillages pour mesurer des données physiques comme la température, la pression, les vibrations comme l’a fait le CIRTES en partenariat avec le CEA Tech. « L’avantage majeur de la fabrication additive est de pouvoir fabriquer plus rapidement des moules dans la même matière qu’avec les techniques traditionnelles. Elle permet de réaliser des formes plus complexes et d’incorporer dans les outillages plus de fonctionnalités en y insérant des capteurs et des canaux » argumente Claude Barlier, président fondateur de Cirtes et d’Inori à Saint-Dié-des-Vosges, co-auteur avec Alain Bernard du livre La Fabrication Additive chez Dunod dont une nouvelle version réactualisée est prévue vers la fin de cette année. La fabrication additive est ainsi utilisée depuis plusieurs années dans le domaine de la fonderie. « Michelin produit aujourd’hui près d’un million de pièces par an pour élaborer les éléments de ses moules de fabrication de pneus » précise Jean-Luc Laval, le directeur marketing de la société Add-Up créée par le groupe Fives et le manufacturier automobile. « Le fondeur Ferry Capitain installé à Vecqueville en Haute-Marne est équipé par CIRTES d’une machine de stratoconception de 6 mètres pour faire des outillages de fonderie de grande dimension » poursuit Claude Barlier. Fin 2018, 7 fondeurs ardennais et l’Union des industries et métiers de la métallurgie (UIMM) ont créé la structure 3D Métal Industrie. La vocation de 3D Métal Industrie est de fabriquer des moules (et des composants) à partir de sable via une technologie par liage de poudre. La nouvelle structure utilisera une machine S-Max d’ExOne (1 800 x 1 000 x 700 mm) pour produire des moules plus complexes en réduisant les temps de fabrication. Le nouvel outil permettra du coup d’effectuer une opération d’intégration en amont en réalisant une activité jusqu’à présent sous-traitée principalement en Allemagne. De son côté, Savoy Moulage, acteur de premier plan dans le secteur de l’injection de pièces plastiques techniques et la conception d’outillages à injecter, s’est équipé il y a 2 ans d’un parc de 3 machines de fabrication additive pour conforter son rôle de leader. « La fabrication additive va nous permettre d’aller plus loin, d’apporter d’autres fonctions et d’autres caractéristiques à nos produits. Nous allons pouvoir alléger notre empreinte en n’utilisant que la matière dont nous avons besoin pour réaliser les moules. Elle nous permet aussi de produire des pièces finies à la demande de nos clients » explique Florent Manouvel, son directeur commercial.
 
L’hybridation pour aller plus loin
 
L’hybridation est actuellement l’une des autres tendances fortes de la fabrication additive. Elle passe par la combinaison
de plusieurs technologies pour obtenir de nouvelles propriétés ou des pièces multi-matériaux ainsi que par l’intégration de l’impression 3D aux moyens traditionnels tels que l’usinage pour disposer de chaînes de fabrication complètes. « L’émergence et l’avenir, c’est l’hybridation de 2 ou 3 technologies de fabrication additive auxquelles on associe des moyens d’usinage. Ce sera la prochaine étape nécessaire et incontournable. Aucune pièce technique ne sort aujourd’hui directement de la fabrication additive. Toutes les pièces mécaniques réalisées en fabrication additive métal ont des surfaces fonctionnelles qui nécessitent une reprise de finition par usinage et souvent en 5 axes » déclare Claude Barlier. L’hybridation est notamment utilisée par 3DCeram Sinto, spécialiste de la fabrication céramique, qui mixe céramique et métal par fusion de poudre pour obtenir des composants destinés à la création de capteurs et de sondes pour le spatial.
C’est également l’une des finalités du projet collaboratif Faramir (fabrication additive rapide minérale à la résine) mené par l’IRT Jules Verne et la PME nantaise Loiretech, spécialiste des outillages. Farami vise à obtenir des outillages aux caractéristiques équivalentes à celles de l’aluminium en s’appuyant sur l’hybridation de la fabrication additive minérale et l’imprégnation sous vide de préformes 3D. L’émergence de nouveaux matériaux ou méta matériaux accélérera là encore l’innovation et la fonctionnalité des produits de demain. « Dans le futur, les industriels aimeraient être capables d’assembler les métaux avec des céramiques. Pour aller plus loin, l’idée serait d’avoir une pièce en métal dans laquelle sont dessinées des zones céramiques ou un dispositif avec 2 matériaux voire plus » précise Philippe Tailhades, directeur adjoint Institut Carnot Chimie Balard CIRIMAT Toulouse, qui travaille en collaboration avec l’Institut Carnot de Toulouse pour caractériser de nouveaux matériaux. « Plusieurs pistes sont en cours d’exploration pour créer des propriétés nouvelles sur le plan mécanique, magnétique et électrique ».
 
Les polymères en pole position
 
De leur côté, les polymères occupent actuellement la première place du marché de l’impression 3D. Leur volume d’activités global sur un marché dominé par les américains Stratasys et 3D Systems progresse d’année en année. En 2018, il représentait 5,5 milliards de dollars selon le cabinet américain SmarTech Publishing sur un marché global de la fabrication additive (machines, logiciels, matériaux et les services de l’ensemble des technologies) estimé à 9,3 milliards de dollars. La production de pièces en plastiques et thermoplastiques est aujourd’hui couramment utilisée dans le médical, l’automobile, le pétrole, le gaz et l’aéronautique. « Même si les gros programmes de R&D tournent actuellement autour de la fabrication additive métal, il ne faut pas occulter le rôle prépondérant des polymères dont les technologies sont aujourd’hui plus matures que le métal. Ce dernier en est encore en phase de démarrage ou de faisabilité. De surcroît, les pièces réalisées en fabrication additive polymères et particulièrement la stratoconception nécessitent très peu de finitions contrairement aux métaux qui doivent être quasiment tous usinés après impression » argumente Claude Barlier. Au chapitre innovation, des programmes sont en cours notamment pour développer de nouveaux thermoplastiques hautes températures ou pour imprimer des circuits électroniques comme viennent de l’expérimenter les chercheurs de l’Université de Hambourg, en partenariat avec le Synchrotron allemand à électrons (DESY).
En accélérant le développement et l’utilisation de la fabrication additive, les grands donneurs d’ordre mondiaux permettent l’émergence de nouveaux procédés et matériaux. En outre, des applications complexes et variées vont se multiplier dans tous les secteurs grâce à la combinaison des moyens de production traditionnels et des technologies de l’impression 3D.
Tout semble donc désormais bien en place pour permettre à la fabrication additive de s’imposer comme l’un des moyens de production les plus prometteurs du XXIe siècle. C’est d’ailleurs ce que confirme Gartner : « Les métaux et alliages imprimés en 3D deviendront d’ici 2020 un élément essentiel dans la chaîne logistique pour fabriquer des pièces détachées pour les marchés commercial, militaire et certains marchés de consommation. D’ici 2023, 25 % des dispositifs médicaux seront imprimés en 3D ». Le cabinet américain indique également que l’aérospatial, la santé et l’automobile resteront des marchés clés et que les biens de consommation et l’énergie représenteront de belles opportunités. De son côté, le bureau d’études américain SmarTech Publishing prédit que le marché de la fabrication additive devrait dépasser les 41 milliards de dollars d’ici 2027 soit une croissance de plus de 400 % (sachant que la progression en 2018 a été de 18 %).
Alors que la fabrication additive entre à peine dans sa phase de maturité, une nouvelle technologie est d’ores et déjà en train de faire son apparition : l’impression 4D qui intègre le temps comme quatrième dimension. « L’impression 4D produit des pièces qui évolueront dans le temps en fonction de stimuli extérieurs (température, luminosité, humidité, pression…) à la manière dont les fleurs s’ouvrent au soleil. Ces nouvelles pièces seront capables de s’adapter à l’environnement dans lequel elles évoluent, afin de changer leurs caractéristiques » explique Alain Bernard, professeur d’Université à Nantes. Pour un certain nombre d’acteurs, malgré les effets d’annonce, l’impression 4D n’en est encore qu’à ses tous premiers balbutiements. « Il nous a fallu près de 25 ans pour démocratiser la fabrication additive et aujourd’hui les marchés commencent à peine à décoller, sur des applications qui étaient déjà faisables à l’époque. Il faudra certainement attendre au moins une dizaine d’années avant que la 4D entre dans les usines » prophétise Claude Barlier.
 
 

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