4D Pioneers, une start-up en impression 3D issue de la recherche

Les matéri­aux disponibles pour l’impression de pièces en 3D sont de plus en plus var­iés et tech­niques. Mais, pour répon­dre aux con­traintes indus­trielles, encore faut-il que ces pièces soient suff­isam­ment per­for­mantes pour être durables. Cette ques­tion définit un chantier spé­ci­fique de recherche.

Les matéri­aux conçus par impres­sion 3D, qu’ils soient organiques ou minéraux, sont en pleine expan­sion. Ils sont très utiles pour la mise au point de pro­to­types avant un usi­nage « en dur », mais ils sem­blent quit­ter ce domaine restreint pour être employés dans la fab­ri­ca­tion de pièces fonc­tion­nelles. Ces pièces peu­vent, dans un pre­mier temps, être des­tinées à rem­plac­er des élé­ments usés ou hors d’usage d’un ensem­ble plus com­plexe. Cet emploi, qui peut aller de petites machines domes­tiques à des sys­tèmes indus­triels, est écono­miquement intéres­sant pour des raisons évi­dentes. Il l’est aus­si sur l’aspect envi­ron­nemen­tal car il évite le rem­place­ment total de la struc­ture à laque­lle la pièce appar­tient. L’environnement de la pièce rem­placée peut lui impos­er de nom­breuses sol­lic­i­ta­tions : mécaniques, ther­miques, hydriques, etc. Ce sont ces sol­lic­i­ta­tions qui vont définir les néces­saires critères de dura­bil­ité que devra rem­plir la pièce pour main­tenir ses fonc­tions « le plus longtemps pos­si­ble ». Le prob­lème posé est com­plexe, car la struc­ture réal­isée par impres­sion 3D dépend non seule­ment du matéri­au util­isé mais aus­si des con­di­tions d’impression (den­sité, rem­plis­sage, ajouts…).

De nombreux matériaux possibles

Si l’acier con­stitue une part fon­da­men­tale des pièces dans l’industrie, la recherche d’autres matières s’accélère, que ce soient d’autres métaux ou la céramique, les polymères, ou encore les com­pos­ites. Les céramiques font l’objet de ces nou­velles approches. Elles ont l’avantage d’avoir d’excellentes per­for­mances mécaniques et aus­si une très bonne sta­bil­ité au feu, et elles sont chim­ique­ment inertes. De plus, c’est un matéri­au isolant très adap­té à de nom­breux cas indus­triels où la tem­péra­ture est un prob­lème clef. De récentes inno­va­tions ont vu égale­ment le jour dans les polymères, tels que les néo­matéri­aux égale­ment appelés ther­mo­plas­tiques hautes per­for­mances. On peut par exem­ple par­ler du PEEK (PolyÉtherÉther­Ke­tone) qui fait par­tie des polymères à hautes per­for­mances et dont les pro­priétés sont par­fois supérieures à celles des métaux clas­siques. Ce sont d’excellents can­di­dats pour la fab­ri­ca­tion de pièces dont l’environnement est agres­sif (radi­olo­gie, agres­sions chim­iques, tem­péra­ture, etc.).

La tran­si­tion du métal vers les com­pos­ites est une muta­tion cul­turelle pro­fonde pour la mécanique, néces­saire pour apporter notam­ment des solu­tions d’allègement, en réponse aux exi­gences de con­som­ma­tion énergé­tique ou envi­ron­nemen­tales – réal­i­sa­tion avec moins de matière, moins de rejets et une moin­dre con­som­ma­tion, sans com­pro­met­tre les per­for­mances. Il existe, pour cer­tains équipements indus­triels, des pièces (ser­vo­mo­teurs élec­triques, engrenages – par­fois bimatières en aci­er et plas­tique) qui per­me­t­tent le bon fonc­tion­nement de l’appareillage mais qui sont très sou­vent conçues pour une appli­ca­tion par­ti­c­ulière. Afin d’optimiser le proces­sus de main­te­nance et d’obtenir de meilleures pro­priétés, il est intéres­sant de rem­plac­er ces pièces par des élé­ments mono­matières mais dont les per­for­mances seront aug­men­tées. Ces pièces étant atyp­iques et uniques, seule l’impression 3D per­met de répon­dre rapi­de­ment et effi­cace­ment à ce besoin. Par exem­ple il est pos­si­ble d’imprimer des engrenages avec des ther­mo­plas­tiques à hautes per­for­mances, tels que des polymères tech­niques ou tout autre matéri­au de même nature.

“En mécanique
le passage du métal aux composites constitue
une mutation culturelle.”

Une stratégie d’impression liée au vieillissement

L’exploitation plein poten­tiel de l’impression 3D passe par une matu­rité avancée : con­nais­sance des pos­si­bil­ités offertes dès la con­cep­tion et éval­u­a­tion de la dura­bil­ité du matéri­au imprimé. L’idée est d’enrichir et de com­pléter une approche qui serait lim­itée à la seule mécanique. La pièce imprimée sera poreuse. L’impression par couch­es, avec un taux de rem­plis­sage inférieur à un, va génér­er une struc­ture con­tenant des vides dont le vol­ume quan­ti­fiera la porosité. Bien sou­vent ces vides sont con­nec­tés. Cette struc­tura­tion donne au matéri­au imprimé une per­méa­bil­ité qui traduit l’aptitude du milieu à se laiss­er tra­vers­er par un flu­ide sous gra­di­ent de pres­sion. Cette pro­priété peut être vue comme une pro­priété cible, dont on chercherait une valeur min­i­male pour une pièce devant répon­dre à des con­di­tions d’étanchéité.

La porosité est aus­si le lieu des échanges de flu­ide avec le milieu extérieur, elle représente alors une sur­face de con­tact impor­tante qui appa­raît comme une vul­néra­bil­ité si les flu­ides sont agres­sifs. La dégra­da­tion mécanique est, pour beau­coup de matéri­aux, liée à une fis­sur­a­tion pro­gres­sive qui va dimin­uer leurs per­for­mances. La per­méa­bil­ité, en par­ti­c­uli­er au gaz, est très sen­si­ble à la fis­sur­a­tion, on peut ain­si en faire un out­il de détec­tion très fin. Porosité et per­méa­bil­ité peu­vent être cou­plées avec d’autres types de mesures plus tech­niques (poromé­caniques par exem­ple) et devenir des out­ils nova­teurs pour éval­uer la qual­ité du matéri­au imprimé 3D, ini­tiale ou après dégradation.

Un centre de recherche novateur

Une con­nais­sance appro­fondie des dif­férents matéri­aux (physique, mécanique, porosité et vieil­lisse­ment des matéri­aux) et une maîtrise des straté­gies d’impression 3D sont donc essen­tielles pour le développe­ment de nou­velles pièces fonc­tion­nelles. Pour y répon­dre et soutenir l’innovation indus­trielle, trois lab­o­ra­toires de pointe (lab­o­ra­toire de mécanique, mul­ti­physique, mul­ti­échelle à Cen­trale Lille ; lab­o­ra­toire procédés et ingénierie en mécanique et matéri­aux à l’Ensam Paris ; cen­tre de recherche de l’industrie belge de la céramique au BCRC Mons) ont réu­ni leurs com­pé­tences pour la créa­tion d’une nou­velle entité de ser­vice sous le nom de « 4D Pio­neers ».

4D Pio­neers apporte aux indus­triels un ser­vice à 360° englobant : l’analyse de l’environnement de la pièce et l’élaboration du cahi­er des charges, l’élaboration de son design, des recom­man­da­tions sur les matéri­aux les plus adap­tés, la sélec­tion du proces­sus d’impression 3D, la pro­duc­tion des pièces via son hub tech­nologique (alliages, polymères ou céramiques) et la quan­tifi­ca­tion de la dura­bil­ité en con­di­tions in situ. Par ce ser­vice, 4D Pio­neers souhaite révo­lu­tion­ner les pra­tiques indus­trielles en matière d’obsolescence en démon­trant que la 3D est une solu­tion par­ti­c­ulière­ment effi­cace pour pro­longer la durée de vie des struc­tures en rem­plaçant des pièces obsolètes ou fonc­tion­nelles par des élé­ments conçus avec des matéri­aux plus per­for­mants au design optimisé.

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