La fabrication additive marque une rupture importante avec les procédés traditionnels, puisqu’elle consiste à superposer des couches de matière plutôt qu’à en retirer (fabrication soustractive). Se préparer à l’ALM (Additive Layer Manufacturing) implique donc de repenser son approche de l’ingénierie.

 

Les avantages de la fabrication additive

Le premier relève d’une liberté de conception exceptionnelle. Avec la fabrication additive, les limites classiques de conception sont repoussées. Cela implique d’avoir une vision fonctionnelle qui ne s’encombre plus des mêmes restrictions au niveau de la fabrication :

• De nouvelles combinaisons de matériaux sont rendues possibles;
• La conception de formes n’est pas limitée par le passage d’outils de soustraction;
• Il devient possible de concevoir des systèmes aux géométries innovantes;
• Le coût de fabrication n’est plus lié à la complexité géométrique.

La disparition des limites techniques liées à l’usinage, à l’injection ou encore au moulage offre donc un champ de conception remarquablement étendu.

L’avantage majeur est le fait d’obtenir des structures de pièces qui seraient absolument inenvisageables avec d’autres méthodes de production. La fabrication additive libère de certaines contraintes de construction.

On peut concevoir des structurations d’une taille millimétrique, voire plus petites, pour une structure alvéolaire par exemple. C’est intéressant dans de nombreux secteurs, comme l’aéronautique et le médical (prothèse); dans ce dernier cas, on peut imaginer une porosité égale à celle d’un os, sur laquelle les parties organiques pourraient venir se greffer.

Un autre atout est l’instantanéité de la fabrication. Il suffit de cliquer sur imprimer pour qu’une pièce sorte. En prototypage, cela peut être très utile, mais il faut impérativement respecter plusieurs règles de conception. On ne peut pas faire tout et n’importe quoi en additif; la pièce doit avoir été conçue pour un but précis.

Les challenges de l’ALM : coût, dépendance et ajustage de la pièce

La démocratisation s’est faite du côté de l’impression 3D plastique, mais la situation est différente pour la fabrication additive métal par fusion, qui reste techniquement complexe, onéreuse et difficile sur le plan des certifications.

Ce sont des obstacles d’autant plus gênants que les gains ne sont pas forcément tangibles. Tout dépend bien sûr du secteur d’activité concerné. Par exemple, dans l’aéronautique, une pièce chère mais plus légère a le potentiel d’être vite rentabilisée, ce qui peut faire de la fabrication additive une bonne solution pour les acteurs qui y ont recours.

Aux États-Unis, elle est de plus en plus utilisée pour remplacer des pièces en maintenance sur les porte-avions militaires, bien que ces dernières soient utilisées à perte et avec un faible cycle d’utilisation (plus faible en tout cas que ce qui est prévu en usinage normal). Ce type d’initiative “force” l’industrialisation et pousse à des méthodes et protocoles différents. Mais il faut véritablement ce type d’accélérateur financier et technique pour que la fabrication additive avance. Elle s’impose d’ailleurs de plus en plus en matière de maintenance, tant dans l’aéronautique que dans le ferroviaire.

Le coût est un facteur explicatif majeur dans le fait que cette méthode ne soit pas aussi répandue qu’elle pourrait l’être aujourd’hui. La qualification des matériaux viendra lorsque le prix sera plus acceptable.

En France, Michelin est gros pourvoyeur d’additif. Il dispose de l’un des plus gros parcs de machines additives, où la société fabrique les moules de pneus par ce procédé. En 2015, le groupe Michelin s’est d’ailleurs associé à Fives pour créer AddUp avec la joint-venture “Fives Michelin Additive Solutions”. Il s’impose comme un acteur incontournable de l’impression 3D métal.

C’est en surpassant la partie coût grâce à de forts volumes que le gain financier devient supérieur au coût intrinsèque de l’additif. Dans le cas de Michelin, ce dernier permet d’ailleurs de faire de la recharge de moules et de développer de nouveaux pneus qu’il faut tester en petites séries.

Un autre challenge est important à prendre en compte avec la fabrication additive. Une fois la machine achetée, son exploitant est généralement obligé d’acheter la poudre auprès du même fournisseur, en raison des réglages complexes de la machine pour la taille et la finesse des poudres. En créant sa propre filiale, comme Michelin a pu le faire, il devient possible de sortir de cette relation de dépendance, voire de réutiliser ses poudres. Dans un contexte classique, la poudre non utilisée doit souvent être renvoyée au fournisseur, car peu de machines permettent de les réintégrer et de les retraiter.

Le 3^e challenge est la multiplicité des passages nécessaires. Ce défi n’est pas propre à la fabrication additive, puisque c’est un impératif dès lors que l’on fait de la production. Un premier passage permet d’obtenir une ébauche grossière, qu’il faut remettre dans la machine pour fignoler et ajuster la pièce. Il est indispensable d’intégrer une phase d’ajustage. Il faut que la pièce soit fonctionnelle : par exemple, les zones d’interfaces et de fixation n’ont pas un état de surface conforme en sortie d’impression, ce qui implique une reprise de l’usinage après impression. Ce n’est jamais un produit fini qui sort ; il y a toujours des reprises de l’ajustage, mais aussi des finitions, comme l’usinage par soustraction d’éléments indispensables à la stabilité de la pièce pendant l’impression est inutile à l’utilisation…et cela même dans le cas de l’impression 3D plastique.

Enfin, il est important de bien organiser la protection lorsque l’on s’approche des matériaux utilisés dans la fabrication additive, afin d’éviter l’inhalation de poudres métalliques ou même le contact avec la peau de nano-poudres.

Bien que l’évolution des technologies additives soit en marche (comme le montre bien le site d’AddUp), ce type de fabrication reste réservé à de grands acteurs capables d’absorber à la fois les contraintes financières et celles des délais de fabrication, tout en maintenant leur indépendance.

Les étapes de la fabrication additive

Qu’il s’agisse d’une fabrication nouvelle ou d’un rechargement, les contraintes liées à chaque étape varient. Les bases restent néanmoins les mêmes.

• Conception assistée par ordinateur (CAO 3D/ format STL) afin de modéliser le composant et piloter la fabrication (géométrie, matières utilisées, phases du processus, intégration des données de l’optimisation topologique).
• Préparation des fichiers : état de surface, prise en compte de la géométrie de la pièce pour les supports, orientation, placement des fichiers, tranchage.
• Phase de fabrication
• Post-traitement pour les finitions de la pièce (nettoyage, polissage, sablage, traitement thermique, usinage…).

Une étape de qualification de la pièce reste également indispensable aujourd’hui : tests mécaniques, de fatigue, de granulométrie, de porosité. Pour bien préparer son entreprise à l’ALM, il est important de se tourner vers un bureau d’étude nouvelle génération, dont la méthode et l’approche sont orientées vers la fabrication additive, afin de pleinement profiter des opportunités offertes par ces techniques.

De plus, et comme le souligne cet article, “le travail du designer se complique par l’intégration de nouvelles contraintes liées au procédé de fabrication. Pour chaque technologie, chaque imprimante a ses propres tolérances, ses propres limitations de design (dimension, angles…) et génère des caractéristiques métallurgiques de la pièce spécifique.” Il faut donc prendre en compte ces paramètres dès le début du projet, tout en repensant la manière de concevoir en fonction des techniques de fabrication additive, et non pas seulement de la fabrication additive.

L’information, la proximité des équipes et le suivi technique font qu’un bureau d’étude intégré tel que le propose Ametra Engineering assure un niveau élevé de collaboration.

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David