Covid-19 et impression 3D

Covid-19 et impression 3D : une crise peut-elle changer le destin d’une technologie ?

Dossier : ExpressionsMagazine N°759 Novembre 2020
Par Thierry RAYNA

La crise de la Covid-19 a propulsé l’impression 3D sur le devant de la scène. Véritable percée technologique ou simple emballement médiatique ? L’auteur rebondit sur nos récents dossiers Impression 3D (La J&R n° 756) et Covid-19 (La J&R n° 758).

 

« À Paris, l’impression 3D à la rescousse de l’hôpital public » (Libération, 31/03/2020), « Des valves imprimées en 3D » (La Tribune 28/03/2020), « Respirateurs, protections pour les soignants… : l’impression 3D mobilisée contre le coronavirus » (Le Monde 31/03/2020), « Covid-19 : « La production par impression en 3D fonctionne et porte l’espoir de refaire autrement le monde d’après » (Le Monde 30/04/2020).

La technologie star du confinement

L’impression 3D, ou fabrication additive, a été la technologie « star » de la période de confinement du printemps 2020. Sa capacité à faire fi des ruptures de chaînes de distribution, son adaptabilité (visières, masques, valves, respirateurs, équipements d’intubation, etc. : l’impression 3D est partout), sa capacité à réinventer dans l’urgence l’usage d’objets courants (les masques de plongée reconvertis en respirateurs), sa rapidité de développement, sa capacité à fédérer des équipes de développement internationales d’acteurs hétérogènes (chercheurs, industriels, enseignants, et même le commun des mortels, les fameux Makers) alors que nul ne peut se déplacer, sa « scalabilité » (l’installation de parcs de dizaines, voire de centaines d’imprimantes en un temps record), sa capacité à permettre une production entièrement locale, etc., l’ont conduite sur le devant de la scène.

L’adoption de l’impression 3D est contrastée selon ses différentes formes d’usage. Du point de vue de son premier usage (historique), le prototypage rapide, la fameuse rupture a déjà eu lieu, et l’impression 3D est, de fait, la technologie mainstream de prototypage. En ce qui concerne l’outillage rapide (utilisation de l’impression 3D pour fabriquer des outils de production, par exemple des moules), il est en pleine progression, l’impression 3D permettant de gagner en temps, argent et performance (par exemple, Michelin imprime en 3D ses moules de pneumatiques afin d’obtenir une surface de roulage bien plus complexe), et ce n’est sans doute qu’une question de temps avant que l’impression 3D ne devienne la technologie mainstream d’outillage.

Encore peu d’usages en fabrication

En revanche, son adoption pour la fabrication directe et la fabrication locale n’a que peu progressé. Le manque d’économies d’échelle associé à l’impression 3D est, dans ce cas, très pénalisant. Quels que soient les progrès technologiques, il y a un volume de production (généralement une centaine d’unités) au-delà duquel il est plus rentable d’utiliser des méthodes de fabrication traditionnelle (typiquement, par moulage-injection) que d’imprimer en 3D.

En conséquence, l’impression 3D utilisée en fabrication directe ne « gagne » que dans trois cas bien particuliers : un besoin urgent du produit, un besoin de toutes petites séries, ou un besoin de produits aux formes très complexes.

Une technologie victime de désengouement

Ces trois facteurs permettent d’expliquer à la fois le désengouement connu par l’impression 3D ces dernières années et le fort regain d’intérêt de ces derniers mois. Ils ne sont présents que dans des cas très spécifiques. Même en cas de besoin urgent, des chaînes de production et de distribution mondiales hyperoptimisées permettent une fabrication et livraison extrêmement rapide, au point que, mis à part quelques cas de niche, la fabrication directe par impression 3D n’est pas la solution.

En ce qui concerne la fabrication de très petites séries, si on laisse de côté les cas connus des secteurs médicaux ou aérospatiaux (pour lesquels l’impression 3D ne « gagne » d’ailleurs pas forcément non plus : par exemple, de nos jours, un grand nombre de prothèses dentaires sont fabriquées ou personnalisées à la main), la question de la fameuse personnalisation de masse, moteur clé d’adoption de l’impression 3D, reste entière.

 

« La taille du marché mondial est telle
que même des préférences ou des besoins très particuliers
correspondent nécessairement à ceux de milliers d’individus
dans le monde. »

 

Outre les doutes qui existent sur sa pertinence même, la taille du marché mondial est telle que même des préférences ou des besoins très particuliers correspondent nécessairement à ceux de milliers d’individus dans le monde, ce qui conduit donc à un volume de production, certes faible en comparaison de produits de masse, mais néanmoins supérieur à celui pour lequel la fabrication directe par impression 3D est rentable. Reste le dernier aspect, celui de la complexité. Outre des raisons artistiques ou esthétiques, l’utilisation de la fabrication directe pour des structures très complexes consiste à améliorer le ratio solidité-poids de l’objet. Si cette question est essentielle dans certains cas (prothèses osseuses ou aérospatiale, par exemple), elle reste en général secondaire.

Urgence, personnalisation, complexité : si de tels besoins existent bien, ils ne le sont en général que dans des situations très particulières, d’où le statut permanent de technologie de niche de l’impression 3D en fabrication directe, malgré son potentiel de rupture. Jusqu’à l’arrivée de la Covid et de l’épisode de confinement national et international qui a suivi.

Un besoin d’urgence

Dans cette première phase de confinement, il y avait urgence, en particulier dans le secteur médical et hospitalier, où l’afflux inédit de patients a pris de court les autorités sanitaires et a créé subitement de très forts besoins, littéralement une question de vie ou de mort. Pourtant, prise seule, une crise sanitaire, même de cette ampleur, n’aurait pas causé d’utilisation plus importante de l’impression 3D. Les carnets de commandes des fabricants se seraient remplis et les chaînes de production auraient tourné à plein volume. Il est probable que les capacités de production mondiales auraient permis de répondre rapidement au surcroît de demande de masques, visières, blouses et même de respirateurs : l’impression 3D serait restée sur le banc de touche.

Mais la rupture des chaînes logistiques mondiales a conduit l’impression 3D à jouer un plus grand rôle dans cette crise, lorsqu’il est devenu clair qu’il faudrait attendre des semaines, voire des mois, les équipements même les plus élémentaires (masques, visières, etc.). Dans un tel contexte, l’impression 3D, malgré sa lenteur légendaire, est soudainement devenue le moyen le plus rapide d’obtenir des équipements qui manquaient cruellement, mais sans doute d’une manière inattendue.

 

“La rupture des chaînes logistiques mondiales
a conduit l’impression 3D à jouer un plus grand rôle.”

 

En réalité, seule une production assez limitée d’équipements médicaux a été faite en fabrication directe : une grande partie des équipements annoncés comme étant fabriqués en impression 3D, au sein des fameux Fab Lab et Makerspaces, les visières, par exemple, étaient en fait fabriquées au moyen de machines de découpe laser. On aurait été bien en peine de produire tous les équipements manquants au moyen d’imprimantes 3D : outre sa lenteur et le fait qu’elle n’existe que pour certains matériaux, les capacités de production en 3D étaient largement insuffisantes. Cette crise a en revanche permis de mettre en avant un des bénéfices clés de l’impression 3D : le repurposing, c’est-à-dire la reconversion d’objets existants à de nouveaux usages (par exemple, les fameux masques de plongée).

 

Impression en 3D de visières lors de la première vague de Covid-19
Fabrication de visières de protection à destination du personnel médical et de secours au Fab Lab de l’École polytechnique en avril 2020. © École polytechnique – J. Barande

 

Un besoin de volume

Au niveau mondial, la forte demande en équipements médicaux, objets très standardisés, n’est a priori pas propice à l’impression 3D. L’effondrement des chaînes logistiques a, là encore, joué en sa faveur. Les barrières nationales qui se sont rapidement érigées ont subitement rendu les marchés beaucoup plus petits. Les chaînes logistiques ont été fortement perturbées au niveau national, rendant difficiles la production et l’approvisionnement au sein même du territoire. La capacité de l’impression 3D de permettre une production locale et distribuée a permis de pallier ces perturbations.

Un besoin de complexité

Au-delà du gain résistance-poids, la capacité, dans un environnement où les ressources en matériaux sont raréfiées et les réapprovisionnements difficiles, de fabriquer en utilisant moins de matériaux, au moyen de pièces évidées et constituées de treillis, plutôt que des pièces pleines est d’un intérêt évident. Par ailleurs, le manque de main-d’œuvre disponible a fait valoir un autre bénéfice de l’impression 3D : permettre la fabrication d’objets complexes dispensant partiellement ou totalement d’assemblage.

Que va-t-il rester de cette vague de popularité ?

L’environnement très particulier auquel il a fallu faire face lors de cette première phase de confinement a rendu les avantages clés de la fabrication directe par impression 3D pertinents de manière générale, au-delà des niches habituelles. Mais une fois passé cet épisode extrême, aurons-nous simplement assisté à une vague de hype qui retombera, confinant l’impression 3D à des usages de niches ? Ou ce changement de contexte radical a-t-il durablement affecté sa trajectoire d’adoption ?

L’étude menée cet été par Hadrien Cayol (2018), dans le cadre d’un stage de recherche de 3A au laboratoire i3-CRG (Centre de recherche en sciences de gestion de l’X, CNRS UMR 9217), constate un essoufflement rapide de la nouvelle vague d’impression 3D, même au sein du public très enthousiaste des fameux Makers. Nombre de projets, y compris les plus médiatisés (masques, respirateurs manuels ou automatiques, etc.), sont tombés en déshérence. Pire, cette étude rappelle les limites intrinsèques de ces technologies dans leur état de développement actuel.

 

« Dans un grand nombre de cas,
l’implication de l’impression 3D n’était, en termes de fabrication,
que très restreinte. »

 

En effet, dans un grand nombre de cas, l’implication de l’impression 3D n’était, en termes de fabrication, que très restreinte : les fameuses visières, par exemple, étaient essentiellement fabriquées au moyen de machines de découpe laser. Même dans le cas de pièces plus complexes, par exemple celles des respirateurs ou autres masques à ventilation active, si de premières unités ont bel et bien été produites en fabrication directe au moyen d’imprimantes 3D, la montée en échelle s’est faite, elle, au moyen de méthodes de fabrication traditionnelles (généralement des machines de moulage-injection).

Ainsi, même au plus fort de cette première période de crise, en dehors de quelques cas emblématiques (par exemple, le parc d’imprimantes 3D installé à l’AP-HP Paris), l’impression 3D a été essentiellement cantonnée à ses usages traditionnels : prototypage et outillage rapides. Pire, les exemples avérés de fabrication directe correspondent à des périodes d’urgence où le produit doit être utilisé, mais son design n’est pas stabilisé. Ainsi, la fabrication directe semble avoir été essentiellement utilisée dans le cadre de MVP (produit minimum viable), c’est-à-dire des prototypes mis en utilisation. Une fois le design stabilisé, on est passé à d’autres méthodes de production.

 


Un facteur coût exceptionnellement favorable

Habituellement, c’est le coût unitaire de production qui, par manque d’économies d’échelle, pénalise l’impression 3D. Or la rupture des chaînes logistiques a subitement renchéri le coût de la fabrication traditionnelle (qui se déroule typiquement en Asie du Sud-Est) ce qui, au-delà des longs délais subitement apparus, a soudainement rendu la fabrication directe rentable dans des cas où elle ne l’était habituellement pas.


 

Un changement durable

La popularité de l’impression 3D lors de cette crise n’aurait-elle été qu’une parenthèse qu’il conviendrait dès à présent de refermer ? Un examen attentif de ce qui s’est passé ces derniers mois tend à montrer que, même si l’on n’entendra probablement plus beaucoup parler d’impression 3D dans un premier temps, cette crise a provoqué des changements plus durables qu’il peut y paraître à première vue.

Le rétablissement, même partiel, des chaînes logistiques mondiales a réduit, voire annihilé, l’éventuel avantage coût qu’a pu brièvement avoir la fabrication directe pendant la période initiale de confinement. Cependant, s’il est trop tôt pour avoir des chiffres précis, la vague d’équipement en imprimantes 3D qui a eu lieu ces derniers mois (par les entreprises et les prestataires de services) permettra sans aucun doute une baisse des prix qui rendra rentable la fabrication directe dans de plus nombreux cas.

 

“La capacité d’adapter son outil de production
à toute éventualité est un must.”

 

Mais l’impact de l’impression 3D sur les coûts est plus subtil qu’il n’y paraît. Contrairement à d’autres méthodes de fabrication, l’impression 3D est reconfigurable à la volée et permet de fabriquer dans la même fournée des pièces totalement différentes. Par conséquent, une entreprise, qui se serait équipée en impression 3D pour la fabrication de pièces particulières pour lesquelles cela était rentable, se retrouvera selon toute probabilité avec des capacités de production excédentaires qui pourront être mises à profit pour des pièces pour lesquelles l’utilisation de l’impression 3D n’était a priori pas rentable, mais le devient de par l’équipement en imprimantes 3D, qu’il convient de rentabiliser autant que faire se peut.

La vague d’équipement lors de la crise Covid pourrait donc servir d’amorce à un cycle vertueux qui verrait l’équipement en imprimantes 3D étendre, pour des raisons de rentabilisation du parc installé, leur usage à d’autres pièces, entraînant à son tour d’autres investissements, etc.

Fabriquer localement ou transporter ?

Un second facteur conséquent à la crise Covid est lié à la manière dont les systèmes logistiques mondiaux fonctionnent. Ces systèmes hyperoptimisés tirent leurs forces des économies d’échelle qu’ils génèrent, comme l’illustre la taille démesurée des porte-conteneurs, en permanente augmentation. Or cette force est également leur faiblesse : qu’ils voyagent, ne serait-ce qu’un peu, en sous-capacité et les prix montent. Alors, les alternatives (comme la production locale par impression 3D) deviennent plus rentables, ce qui réduit la demande pour ces mastodontes, ce qui renchérit leur coût, etc.

Or, il se passera du temps avant que le commerce mondial retrouve son volume passé et, entre-temps, des alternatives locales (notamment grâce à l’impression 3D) auront sans aucun doute vu le jour. Ainsi, même si l’avantage coût de l’impression 3D apparu lors de la crise a en grande partie disparu dès la fin du confinement, le désavantage coût subi par les systèmes de production et logistiques mondiaux à la suite de cette crise est, lui, appelé à perdurer, ce qui augmente la rentabilité des projets basés sur l’impression 3D.

L’atout de la flexibilité

Troisième effet dû à la crise Covid : le passage perçu d’une situation de risque, où le futur n’est pas précisément connu, mais obéit à des probabilités que l’on peut déterminer en amont, à une situation d’incertitude où l’on ne sait plus du tout à quoi s’attendre. Les entreprises sont désormais placées dans un environnement où elles ne peuvent même plus savoir ce qu’elles produiront demain – des automobiles ou des masques ? – ou même si elles vont produire tout court ! Dans un tel contexte d’incertitude, la capacité d’adapter son outil de production à toute éventualité, même la plus improbable, est un must qui peut justifier le surcoût d’acquisition d’un tel équipement. De ce point de vue, l’impression 3D, qui permet de reconfigurer à la volée l’outil de production, est imbattable.

La 3D, outil de relocalisation durable ?

Au-delà des aspects économiques, les questions politiques et sociales sont déterminantes. Ainsi, la volonté affichée par de nombreux gouvernements de relocaliser ou de réindustrialiser ne peut que jouer en faveur de l’impression 3D, parce que les coûts de production potentiellement plus élevés et les volumes de production plus faibles que ces politiques impliquent ne peuvent qu’être favorables à l’impression 3D, qui devient dès lors plus compétitive. Parallèlement, l’appétence des jeunes générations pour le développement durable et le combat contre le réchauffement climatique ne peut que contribuer au développement de la 3D ; non que cette technologie soit intrinsèquement plus vertueuse que les autres technologies de production, mais parce que les usages qu’elle permet : production à la demande et locale, réparabilité et repurposing, réduction du transport de marchandises sont en phase avec ces nouvelles exigences.

En conclusion, tout laisse à penser que la crise Covid a causé une nouvelle vague de hype autour de l’impression 3D qui retombera vite. Cette crise, cependant, a bel et bien affecté, potentiellement durablement, certains fondamentaux d’adoption de cette technologie. Ces changements, tout d’abord assez subtils, mettront sans doute du temps à devenir visibles. Mais il arrive souvent, avec les nouvelles technologies, que nous tendions à surestimer leur impact à court terme, et puis déçus et trahis, nous nous retrouvions surpris des transformations radicales qu’elles entraînent à long terme. Au-delà de ce qui se passera dans les mois à venir, gageons que l’impression 3D saura nous surprendre.

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