La fabrication additive, vers une nouvelle forme de production

Impression_3D_200-170La fabrication additive plus communément appelée Impression 3D, est une technologie très à la mode, très médiatisée et rendue accessible depuis peu par les Fablabs, ces structures ouvertes au public dans lesquelles on retrouve généralement une imprimante 3D. C’est pourtant une technologie qui existe depuis une trentaine d’années, utilisée dans l’industrie de pointe, comme l’aéronautique. Initialement développée pour la réalisation de prototypes, les applications deviennent beaucoup plus vastes, de la médecine, jusqu’à l’alimentaire en passant par l’artisanat d’art.

Description

La fabrication additive regroupe l’ensemble des procédés de fabrication qui travaillent par ajout de matière (empilement de couches) par opposition à la fabrication soustractive qui consiste à enlever de la matière à partir d’un bloc.

On parle généralement d’imprimante 3D. Elle travaille à partir d’un modèle numérique réalisé sur logiciel CAO. Celui-ci est découpé en tranches, l’imprimante vient ensuite déposer de la matière couche par couche jusqu’à obtenir l’objet réel. Suivant la technologie, la matière de base se présente sous forme liquide, filaire ou de poudre. On peut «imprimer» en plastique (PLA, ABS, polyamide), en métal (acier, inox, titane, aciers d’outillages, bronze, aluminium, inconel, chrome cobalt), mais aussi en céramique.

La fabrication additive englobe plusieurs procédés, les plus utilisés sont :

  • la stéréolithographie : solidification d’une résine photosensible sous l’effet d’un rayon laser ultraviolet;
  • le frittage laser sélectif (SLS) et frittage laser direct de métal (DLMS) : dépôt de poudre fusionnée par un laser infra-rouge, poudre métallique dans le cadre du DLMS;
  • le dépôt de fil fondu : le plus vendu, principe d’extrusion, au travers d’une buse chauffée, d’un fil de diamètre 0.1 à 3 mm qui s’entrecroise pour créer l’objet, et généralement, il s’agit de fil thermoplastique (ABS, PLA);
  • le polyjet : une tête d’impression vient déposer une résine photosensible qui va immédiatement être solidifiée par une lumière UV, et possibilité d’injecter plusieurs matériaux simultanément;
  • l’impression 3D en plâtre : poudre à base de plâtre aggloméré par un liant déposé par une tête d’impression.

A l’origine, l’impression 3D a été développée pour réaliser des prototypes à moindre coût. Aujourd’hui, elle devient un moyen de fabrication à part entière capable d’obtenir un produit fini dans certains cas. Ce procédé présente d’énormes avantages :

  • économies considérables : pour des petites séries (quelques dizaines de pièces), on peut réaliser directement la pièce ou le moule par impression 3D (technique de la cire perdue par exemple). Pas besoin de fabriquer des outillages onéreux comme pour l’injection plastique ou le moulage, qui n’est rentable qu’à partir de plusieurs milliers de pièces;
  • temps de mise sur le marché réduit : lorsque la conception est achevée sur le logiciel CAO, on peut lancer directement la fabrication, et constater dès le lendemain les erreurs éventuelles et réaliser les correctifs si besoin. Cela permet également de développer exclusivement en interne, ce qui garantit une meilleure confidentialité des projets;
  • optimisation de la matière première : on utilise de la matière qu’aux endroits où il y en a besoin;
  • complexité sans limite : du fait du procédé de réalisation couche par couche, on peut réaliser n’importe quelle géométrie;
  • personnalisation : il suffit de modifier le modèle CAO, et on lance directement une nouvelle fabrication;
  • outil de communication : en interne ou auprès de son client, l’impact d’un prototype réel va bien au-delà d’un modèle virtuel, le fait de pouvoir toucher et tester le produit avant sa commercialisation, est un avantage indéniable.

Applications et déploiement dans l’artisanat

Si aujourd’hui elle est déployée principalement dans les grandes entreprises, les innovations et développements intervenus ces dernières années tendent à la rendre accessible aux plus petites structures. On commence à trouver ces technologies chez les prothésistes dentaires, dans la joaillerie, l’orfèvrerie, l’imprimerie. Dans les prochaines années, cette technologie, en plus de remplacer les modes de fabrication traditionnels dans de nombreux métiers, devrait relancer les métiers de la réparation et de la fabrication de pièces détachées. Des ateliers de prototypage et des imprimeurs se positionnent à travers des services en ligne d’impression 3D, de pièces uniques ou de séries limitées pour des marchés de niche. La fabrication rapide 3D offre de nombreuses opportunités pour les stratégies d’entreprises en ligne dites aussi «pure player», c’est-à-dire sans boutique, ni stock, qui consistent à vendre en ligne des produits référencés dans un catalogue virtuel qui ne seront produits qu’une fois la commande passée, et le plus souvent après une étape de personnalisation menée avec le client.

Recommandations aux entreprises

Le prix d’une imprimante 3D professionnelle d’entrée de gamme varie en 2014 entre 10 000 et 80 000€ sans compter les consommables pour un volume de fabrication ne dépassant pas les 300 mm au cube. Les prix s’envolent assez rapidement pour des dimensions plus importantes ou pour des technologies comme le frittage laser qui emploie des poudres métalliques où on est plutôt dans des fourchettes de l’ordre de 200 à 300 000€.
L’investissement dans l’impression 3D pour le prototypage rapide ou la fabrication directe doit être compensé par des bénéfices en termes de délais, de qualité et de coûts, et viser l’accroissement de la compétitivité de l’entreprise. La démarche d’investissement doit donc s’inscrire dans une stratégie globale et résulter d’une analyse précise du retour sur investissement.

Vu le fort engouement actuel pour ces technologies, il peut paraître tentant de se lancer dans l’impression 3D. Attention tout de même, il y a plusieurs pièges à éviter. Pour commencer, comme pour les technologies de fabrication «classiques», une imprimante 3D ne pourra répondre à toutes les demandes, chaque technologie à ces spécificités, permettant d’obtenir des caractéristiques propres : dimensions, couleurs ou non, type de matériaux, caractéristiques mécaniques, etc.

Bien souvent, les matériaux associés à la machine sont distribués uniquement par le fabricant de la machine. Il est donc difficile de faire jouer la concurrence, et on est tributaire d’un seul fournisseur. Il est intéressant de calculer le prix de revient d’une pièce par rapport au couple machine/matériaux.
Pour le moment, il est encore compliqué de trouver à la fois la précision et la fonctionnalité d’une pièce sur impression 3D. Il est nécessaire de bien échanger avec le client pour comprendre le besoin, et bien souvent le cahier des charges doit être adapté à la technologie. Une pièce réalisée en DLMS a des meilleures caractéristiques qu’une pièce de fonderie, car elle a moins de défauts, par contre, on constate une déviance en termes de géométrie. Ainsi pour valider une pièce, on sera amené à en détruire une, voire deux. De plus, produire une pièce à l’identique est compliqué. On peut fabriquer trois fois de suite une même pièce sur une même machine et obtenir trois résultats différents!

Ensuite, comme pour les composites il y a quelques années, les pièces imprimées sont pour le moment compliquées à qualifier, les normes et les méthodes de qualification et de prédictions étant encore inexistantes.

L’utilisation professionnelle requiert la maîtrise d’un outil de CAO, elle doit être associée à une bonne maîtrise des TIC, de la sécurité des échanges et du stockage des fichiers en ligne. Suivant le marché auquel on se destine, des compétences supplémentaires seront nécessaires pour comprendre les besoins du client et y répondre. Il ne suffit pas de modéliser et d’imprimer la pièce.

L’expiration des brevets et l’intérêt suscité par les différents acteurs économiques (particuliers ou professionnels), attirent les efforts de recherche. De nouvelles machines apparaissent régulièrement, toujours plus performantes. Néanmoins de nombreuses évolutions sont encore nécessaires, et les fabricants vont certainement se concentrer à rendre des machines plus productives, avec une meilleure répétabilité sur les pièces de séries, pour concurrencer les méthodes de production actuelle. La qualité des rendus et la résistance des pièces finies vont aussi évoluer avec une compatibilité plus importante de matériaux.
Enfin, l’impression 3D si elle évolue fortement en qualité, permettra demain la copie parfaite d’une œuvre ou d’un objet. Comme dans le secteur des œuvres musicales et cinématographiques, les entreprises devront modifier leur modèle économique.