Au cours de la dernière décennie, la fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, a révolutionné la façon dont nous concevons et fabriquons des pièces et des produits. Selon la norme BS EN ISO/ASTM 52900, la fabrication additive est définie comme le processus d'assemblage de matériaux en vue de fabriquer des pièces à partir de données de modèles 3D, généralement couche par couche, par opposition aux méthodologies de fabrication soustractive et formative. En tant que technologie de fabrication, on retrouve ses applications dans divers segments de l'industrie, notamment l'automobile, l'aérospatiale et l'aviation, les soins de santé, le pétrole et le gaz, l'énergie, la production d'électricité, la mode, la construction, l'éducation et les arts créatifs, entre autres. Les estimations indiquent que le marché de la fabrication additive a atteint 20,37 milliards de dollars en 2023, avec un taux de croissance annuel composé (CAGR) de plus de 20 % au cours de la prochaine décennie.
Pourquoi adopter la fabrication additive ?
Dans un avenir prévisible, les méthodes de fabrication conventionnelles telles que le moulage, le forgeage, l'usinage et la production, entre autres, resteront une part importante de l'environnement de fabrication. La fabrication additive présente de nombreux avantages complémentaires par rapport à la fabrication conventionnelle et deviendra progressivement un outil important dans la boîte à outils des ingénieurs. De par sa nature, la fabrication additive offre de nombreuses possibilités.
1) Prototypage : grâce à sa nature sans outillage et à ses capacités de fabrication rapide, la fabrication additive permet aux ingénieurs de visualiser physiquement et de tester rapidement des pièces prototypes. Cette capacité accélérée d'itération des conceptions réduit considérablement le cycle de développement des nouveaux produits.
2) Personnalisation : la fabrication additive permet de concevoir et de produire des pièces uniques personnalisées sans qu'il soit nécessaire de recourir à un outillage coûteux. L'industrie des soins de santé bénéficie notamment de cette approche, qui permet de créer et d'adapter de manière transparente des implants uniques pour les patients.
3) Pièces de rechange : dans le secteur des pièces de rechange et des services, la fabrication additive permet la production rentable de pièces complexes et à faible volume dans des délais courts, à l'endroit même où elles sont nécessaires. En cas d'obsolescence des pièces, la fabrication additive constitue une solution efficace pour l'ingénierie inverse et l'approvisionnement en pièces en ce qui concerne les actifs techniques critiques, permettant ainsi de prolonger leur durée de vie. Pour les réparations et la maintenance, la possibilité de s'approvisionner en pièces à la demande réduit considérablement les stocks de pièces physiques et permet d'utiliser des solutions d'entrepôt numérique.
4) Amélioration des performances : la fabrication additive offre une liberté de conception inégalée, permettant aux ingénieurs de créer des pièces ou des produits présentant des performances supérieures avec une masse réduite. Par exemple, nous pouvons citer l'amélioration de l'efficacité des turbines à gaz ou des moteurs aéronautiques, la conception d'échangeurs de chaleur très compacts et efficaces, ainsi que l'optimisation des moules d'injection refroidis de manière conforme. Les moules d'injection de fabrication additive peuvent permettre d'obtenir de meilleurs produits, de réduire les déchets et de raccourcir les cycles d'injection.
5) Amélioration de la durée de vie : en concevant des pièces adaptées à des environnements de travail spécifiques, la fabrication additive contribue à améliorer la durabilité. Les pièces sont plus aptes à résister aux contraintes, à la fatigue et à l'usure. L'intégration des pièces élimine les joints et les interfaces, prolongeant ainsi leur durée de vie. L'adaptation des propriétés des matériaux, comme l'utilisation de matériaux biocompatibles pour les implants médicaux ou de matériaux à haute température pour les moteurs aéronautiques, améliore davantage la durabilité.
Révolutionner les industries : le pouvoir de transformation de la fabrication additive
La mise en œuvre de la fabrication additive dans divers secteurs industriels souligne sa polyvalence et son potentiel de transformation. Examinons quelques exemples notables :
1) Produits uniques pour l'aérospatiale :
- L'une des pièces de fabrication additive dont on parle le plus souvent dans l'industrie aérospatiale est la buse de carburant LEAP de GE. Cette buse de carburant est produite à l'aide de la technologie de fusion laser sur lit de poudre, qui permet d'accumuler des couches de poudre pour créer un objet 3D. Avec 1 000 unités fabriquées chaque année, cette pièce atteint des résultats impressionnants :
i) environ 25 % de réduction du poids
ii) environ 20 pièces consolidées en une seule. - La conception complexe des canaux internes et l'élimination des joints contribuent à améliorer la durabilité et les performances. Sa mise en œuvre est considérée comme un tournant dans la fabrication additive des métaux et la fabrication aérospatiale, ouvrant la voie à une adaptation plus large.
2) Pièces détachées pour l'énergie, le pétrole et le gaz :
- Garantir la fourniture de pièces détachées en temps opportun est essentiel pour les secteurs de l'énergie, du pétrole et du gaz. Sulzer Ltd, un fabricant d'équipement d'origine de pompes industrielles, a mis au point une solution pour fabriquer rapidement des roues de pompes fermées en quelques jours (au lieu de plusieurs semaines). L'approche de l'entreprise combine le meilleur de la fabrication additive et de la fabrication conventionnelle :
i) le noyau de la roue est produit par usinage 5 axes à partir d'une barre ;
ii) ensuite, l'enveloppe et les ailettes sont créées lors d'étapes itératives de dépôt de métal par laser (LMD) et d'usinage. - Grâce à cette méthode, une roue de pompe fermée peut être livrée en moins de 2 semaines (contre 15 à 20 semaines avec la fabrication conventionnelle). La finition de surface d'usinage des surfaces hydrauliques permet un rendement jusqu'à 3 % plus élevé, ce qui se traduit par des réductions importantes des émissions liées au fonctionnement des pompes.
3) Implants médicaux biocompatibles :
- Stryker exploite la liberté de conception géométrique de la fabrication additive pour créer des structures poreuses qui imitent l'os spongieux. Leur cage lombaire antérieure (Monterey AL Interbody System) est fabriquée à partir de poudre d'alliage de titane en utilisant la technologie de fusion sur lit de poudre laser. Sa structure poreuse semblable à celle des os facilite l'activité ostéogénique (construction osseuse) et améliore l'intégration des implants.
4) Flexibilité et innovation dans la chaîne d'approvisionnement :
- Divers secteurs industriels ont dû faire face à des problèmes d'approvisionnement en pièces détachées critiques lors de la pandémie de Covid-19. Par exemple, aux États-Unis, Sulzer Ltd. s'est procuré des pièces destinées au premier étage des anneaux de stator de la turbine à gaz GE Frame 3 pour une turbine à gaz critique en utilisant la fabrication additive. Les options conventionnelles n'étaient pas disponibles en raison de la fermeture des installations de moulage. Ces pièces de fabrication additive issues de la rétro-ingénierie ont permis à la turbine à gaz de continuer à fonctionner, ce qui a aidé des infrastructures essentielles à rester opérationnelles pendant la crise. Cela a mis en évidence la manière dont la fabrication additive peut favoriser l'innovation et la flexibilité dans la chaîne d'approvisionnement.
Relever les défis : facteurs clés pour l'avenir de la fabrication additive
Comme beaucoup d'autres secteurs, la fabrication additive est confrontée à plusieurs défis dans sa mise en œuvre à grande échelle. Pour concrétiser pleinement le potentiel de la fabrication additive, il est nécessaire de gérer les facteurs clés de son développement futur :
1) Économie : l'investissement nécessaire pour mettre en place des opérations de fabrication additive peut être élevé, surtout si l'on tient compte de toutes les opérations de post-traitement nécessaires à la finition des pièces. Le coût des matériaux utilisés dans la fabrication additive peut également être conséquent. D'autre part, il est rassurant de constater que l'introduction de machines de plus grande taille et plus rapides améliore l'économie générale de la fabrication additive.
2) Remédier au manque de compétences : pour que le secteur de la fabrication additive se développe, l'éducation et la formation de professionnels qualifiés sont essentielles. Si de nombreuses universités et établissements de formation proposent désormais des cours consacrés à la fabrication additive, l'expérience pratique doit encore s'aligner sur le potentiel de croissance de l'industrie.
3) Propriété intellectuelle et données : la propriété intellectuelle (PI) et la protection des données restent sujets à débat dans l'industrie. En raison de la nature numérique du processus de fabrication additive, les données sont vulnérables au vol ou à l'utilisation non autorisée. Au fil du développement de solutions telles que les entrepôts numériques par l'industrie, nous progressons dans la résolution de ce problème. La fabrication additive génère également un nombre important de fichiers numériques au cours de la fabrication, ce qui nécessite une analyse et un stockage importants des données. L'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle sont de plus en plus utilisés pour relever ce défi.
4) Évolutivité, fiabilité et harmonisation : il est actuellement difficile de faire passer les processus de fabrication additive de la production de petits lots à des volumes plus importants en raison des problèmes de transférabilité des processus. La volonté de l'industrie de différencier les machines de fabrication additive a conduit à des problèmes de transférabilité des processus et à un manque de normalisation. L'harmonisation entre les différents fabricants d'équipement d'origine (OEM) est cruciale pour réduire les efforts de transfert et de mise à l'échelle des processus de fabrication additive. Bien que les machines de fabrication additive soient des systèmes complexes, leur fiabilité et leur disponibilité s'améliorent progressivement, mais restent en retrait par rapport aux procédés conventionnels.
5) Cadre réglementaire : les premiers utilisateurs de la technologie de fabrication additive, comme l'industrie aérospatiale, ont fait des progrès considérables dans l'élaboration de normes et de cadres de certification pour les pièces et les produits de fabrication additive. Les organismes internationaux de normalisation s'efforcent activement de combler les lacunes. Plusieurs normes couvrant différents aspects de la fabrication et de la certification des pièces par fabrication additive sont actuellement à la disposition des utilisateurs de la fabrication additive. Le comité AMT/8 de BSI a mené le développement de plusieurs normes en collaboration avec l'ASTM et l'ISO. Parmi les principales normes publiées, nous pouvons citer :
- BS EN ISO/ASTM 52900 - Terminologie pour la fabrication additive - Principes généraux - Terminologie
- BS EN ISO/ASTM 52901 - Guide de normes pour la fabrication additive - Principes généraux - Exigences pour l'achat de pièces de fabrication additive
- BS EN ISO/ASTM 52904 - Fabrication additive de métaux - Caractéristiques et performances du procédé - Procédé de fusion sur lit de poudre métallique en vue de répondre aux applications critiques
- BS EN ISO/ASTM 52925 - Fabrication additive de polymères - Matières premières - Qualification des matériaux pour la fusion laser de pièces sur lit de poudre
- Série BS EN ASTM ISO/ASTM 52911 - Fabrication additive - Conception - Fusion sur lit de poudre métallique, polymère, matériaux métalliques
En résumé, la fabrication additive est sur le point de révolutionner le secteur de la fabrication, en offrant des possibilités sans précédent en matière d'innovation, de personnalisation et de durabilité. Toutefois, la concrétisation de son plein potentiel nécessite des efforts concertés pour surmonter les défis techniques, économiques et réglementaires tout en encourageant une culture de l'innovation et de la collaboration dans tous les secteurs industriels.
