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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