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Les nouveaux convertis de l'impression 3D

Rapidité, design innovant, réduction des coûts... La fabrication 3D représente plus d'un atout concurrentiel pour les utilisateurs. Comme toute technologie émergente, elle n'est encore profitable qu'à certains acteurs, dans des contextes de production bien précis. Guide pratique avec quelques-uns de ces « adopteurs précoces ».
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Imprimer un avion ? L'idée peut faire sourire. Elle est pourtant plus proche de la réalité qu'on ne pourrait le croire. Les grands constructeurs aéronautiques font en tout cas partie des industriels pour lesquels la fabrication additive n'est plus, loin s'en faut, une simple technique de prototypage. L'américain Boeing indique ainsi avoir déjà produit par ces techniques d'assemblage couche par couche plus de 20 000 pièces utilisées en vol. Avec un engagement moins marqué, l'européen Airbus démarre aussi la production en série. Le nouvel A350-1000 intégrera notamment une fixation de porte imprimée en 3D.

Il faut dire que la fabrication additive a les arguments pour convaincre un manufacturier traditionnel : utilisation plus juste de la matière première, absence d'outillage, étapes d'usinage et main-d'oeuvre réduites... Sauf que, dans la pratique, la mise en oeuvre n'est pas si facile. Les machines industrielles, coûteuses, restent le plus souvent chez le sous-traitant, avec différentes contraintes : un délai incompressible, une absence de formation du personnel de l'usine et une certaine inertie en cas de changement de design d'une pièce. Si acheter une machine n'est pas hors de portée d'une PME, elle doit prévoir à l'avance comment l'amortir.

1. SE POSER LES BONNES QUESTIONS

Pour l'expert Terry Wohlers, la question primordiale à se poser est celle du type d'usage recherché avec la fabrication 3D. Veut-on modéliser un concept, faire un modèle de présérie intégrant les finitions, réaliser un prototype fonctionnel ou bien encore produire en série ? De chaque scénario découle des usages différents de la technique. Si l'on est sûr de vouloir produire des pièces et non des prototypes, il faut s'interroger sur l'opportunité de recourir à la fabrication 3D. Certains constructeurs de machines proposent des outils d'aide à la décision. À l'instar du belge Materialise avec son baromètre en ligne de l'impression 3D, lancé fin 2012. L'industriel est invité à y entrer les différents paramètres de son projet : taille de la pièce, niveau de complexité, coût de fabrication, taille de la série... L'outil calcule un pourcentage censé représenter le degré d'opportunité de collaboration avec le fabricant.

La décision dépend aussi du matériau dans lequel on désire fabriquer une pièce. La gamme de polymères compatibles avec l'impression 3D s'agrandit constamment. Certains grades rendent même possible l'intégration de couleur ou de transparence. La diversification des poudres métalliques est en revanche plus laborieuse. La fusion des métaux pose en effet plus de défis de stabilité de matière que les plastiques. L'aluminium, par exemple, n'est encore au catalogue que de quelques fabricants de machines ayant acquis un véritable savoir-faire. Le belge Flying Cam, qui construit des drones hélicoptères pour l'industrie du cinéma et la surveillance environnementale, souhaitait réaliser par fabrication 3D un cadre entièrement en aluminium. « Au début du projet, nous n'étions pas sûrs que cela était possible », témoigne Étienne Brandt, ingénieur CAO chez Flying Cam. De fait, il a fallu près de deux ans à son partenaire MB Proto pour bien maîtriser la fusion de ce métal.

2. LIBÉRER LES FORMES

Flying Cam en a aussi profité pour revoir complètement le design de cette pièce de vol critique, puisqu'elle maintient notamment le rotor principal. « Nous avons utilisé Topol, un logiciel de topologie du centre de recherche Sirris, qui permet de partir d'un bloc de matière et d'enlever la matière qui ne sera pas sollicitée mécaniquement, avant la création du fichier numérique de fabrication », explique Étienne Brandt. « La structure obtenue est différente du design habituel et très biologique, proche de celle d'un os ». La simulation a permis dans ce cas de calculer la forme la plus adaptée en réponse aux contraintes mécaniques auxquelles est soumis le drone de Flying Cam (décollage violent, descente brusque...). De la même façon, des recherches travaillent à intégrer les contraintes thermiques ou de conductivité électrique afin de calculer la forme de pièce pour y répondre au mieux.

Le propre de la fabrication additive est d'obtenir un niveau de complexité géométrique qui ne peut pas être atteint par les moyens d'usinage conventionnels, comme le fraisage ou la découpe. « Il est possible de produire des volumes fermés, comme des structures avec les raidisseurs déjà intégrés », confirme Didier Boisselier, responsable technique de l'Irepa Laser qui expérimente différents procédés de fabrication 3D.

En éliminant les contraintes d'outillage, la technique rend l'utilisateur plus libre vis-à-vis du design produit. Le prestataire de solutions automatisées Intrion en a fait l'expérience avec Materialise sur un projet de grappin robotisé. Ce type de dispositif renferme de nombreux conduits pour accueillir les câbles et les composants électroniques. Leur usinage dans le métal prend du temps. Une opération qui a été grandement facilitée par la construction couche par couche à partir d'une poudre polyamide. Intrion est aussi devenu plus réactif vis-à-vis de ses clients. Pour modifier le dessin des conduits lors d'une évolution de l'électronique embarquée, l'industriel n'a qu'à changer le fichier numérique. Il peut tester et livrer un nouveau grappin en moins de deux semaines.

Argument commercial majeur des promoteurs de la fabrication 3D, le gain de temps ne concerne que certaines applications. Dans le dentaire par exemple, la technique n'est pas plus productive que l'usinage numérique. Elle permet de produire 80 à 160 pièces sur mesure à partir du scanner du patient. « La différence se fait sur la main-d'oeuvre, beaucoup moins exigeante dans le cas de la fabrication additive », note Thierry Beaune, dont le laboratoire accueille une machine du fabricant Phenix Systems. Le technicien n'a en effet pas besoin d'être constamment devant l'automate, ce qui rend possible le lancement d'un cycle pendant la nuit.

Dans d'autres cas en revanche, la fabrication 3D permet un réel gain de temps. Notamment pour la conception. C'est ainsi que NedLight Eco Led Systems a pu répondre à une commande d'un de ses clients dans le délai très serré d'une semaine. Le défi consistait à intégrer des LED le long d'une toiture ondulée. Une réalisation exigeant des connecteurs d'une forme inédite. En coopérant avec Materialise, NedLight Eco a pu concevoir six nouveaux types de connecteurs et livrer dans les temps 1 100 pièces à son client.

Des gains de productivité importants peuvent aussi être obtenus dans la fabrication de moules. Exemple chez le luxembourgeois Simaform (voir reportage page 34). L'industriel fabrique des lamelles, de petits motifs aidant à l'adhérence d'un pneu. Grâce à sa machine acquise auprès de Phenix Systems, l'industriel est capable de construire un moule prototype en moins de trois semaines, contre deux fois plus en moyenne chez ses concurrents utilisant les techniques traditionnelles. Un atout de taille pour séduire ses clients, qui cherchent le moindre gain de temps pour accélérer le lancement de nouveaux produits. L'empreinte de moule, plus précise grâce à la finesse de la poudre utilisée, apporte en outre une amélioration de performance. Les lamelles produites sont plus fines d'environ un dixième de millimètre. « Qui dit plus faible épaisseur de lamelles, dit plus de lamelles à la surface du pneu et donc plus d'adhérence », fait valoir Michel Dehez, directeur de Simaform.

3. TENIR COMPTE DES CONTRAINTES

Au vu de ces avantages, on peut s'étonner que l'essor de la fabrication 3D ne soit pas plus rapide. Les réticences ne sont pas seulement économiques. Aussi sophistiqué soit-il, le fichier numérique n'est pas le seul facteur de réussite d'une pièce. « La préparation de la poudre est décisive, notamment le tamisage et le temps de séchage car l'humidité risque de nuire à la qualité des pièces », souligne Thierry Beaune. Inutile donc d'investir dans une machine sans formation du personnel.

Autre aspect peu évoqué par les défenseurs de la fabrication additive, la nécessité de mettre en oeuvre des étapes de finition. La fusion de la matière crée en effet des tensions résiduelles dans la pièce. Il faut les évacuer. Relativement courts par rapport à la fabrication elle-même, ces traitements doivent tout de même être pris en compte dans le calcul du temps de cycle. Pour des prothèses dentaires en alliage chrome-cobalt, il faut par exemple procéder à un recuit d'une vingtaine de minutes, pour rendre les pièces passives avant d'entamer la phase de polissage de l'implant.

Mais le plus gros frein à la diffusion industrielle de la fabrication additive reste d'ordre réglementaire. Les constructeurs facilitent certes le travail de leurs clients en faisant par exemple certifier des binômes poudre-machine. Toutefois, en l'absence de normes harmonisées, difficile de s'y retrouver pour un non-initié. C'est pourquoi des travaux de normalisation sont entrepris actuellement à l'échelle internationale. Une harmonisation est notamment attendue au niveau du fichier numérique de fabrication actuellement en vigueur, le format STL, présentant plusieurs limitations. « La finalité est de pouvoir contrôler les propriétés de chaque voxel de matière », détaille Alain Bernard, professeur à l'École centrale de Nantes et vice-président de l'Association française de prototypage rapide (AFPR). Dans cette optique, les spécialistes voient bien le format AMF, établi en 2011 par une norme américaine ASTM, s'imposer comme la référence mondiale. Plus poussé que le format STL, il contient plus d'informations que son prédécesseur sur la couleur, la texture, la nature des matériaux et la microstructure de chaque grain de matière assemblé.

Pour que la fabrication 3D s'impose, un dernier verrou devra enfin être levé : celui de la sécurisation de ces fichiers. La crainte que des données confidentielles concernant la conception des pièces ne soit plus pillées est en effet bien présente chez de nombreux industriels. Pour les convaincre, les fabricants d'imprimantes 3D devront impérativement la dissiper.

LA FABRICATION 3D REND L'UTILISATEUR PLUS LIBRE VIS-À-VIS DU DESIGN PRODUIT.

Un outil pour adapter sa production

Mettre au point un logiciel associé à une base de connaissances recueillie sur quatre procédés de fabrication additive et huit matériaux différents. C'est la feuille de route du projet de recherche Karma, pour Knowledge based process planning and design for additive layer manufacturing, entrepris par quatre regroupements européens de PME, dont l'Association française de prototypage rapide (AFPR). La version actuelle de l'outil comprend trois points d'entrée : qualité, temps et coût de production d'une pièce. Suivant la demande, il donne des conseils de fabrication en termes de choix de procédé, de matière et de paramètres de la réaction, pouvant aller jusqu'au positionnement géométrique de la pièce dans la machine. Achevé en juin prochain, Karma servira dans un premier temps à former les PME partenaires, même si ses concepteurs n'excluent pas un développement commercial.

La fabrication 3D en France

Où sont les acteurs de la fabrication additive en France ? Fabricants, revendeurs de machines, prestataires de service, centres d'expertise... Un nouveau tissu industriel est en train de naître dans l'Hexagone avec, comme chez ses voisins européens, une orientation plus poussée vers la fabrication 3D métallique. Côté fabrication grand public, des start-up émergent aussi, à l'instar du francilien Sculpteo. Géolocalisez sur notre Google Maps l'ensemble des partenaires qui peuvent vous aider à prototyper ou fabriquer en série vos produits.

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