Une maturité internationale pour la fabrication additive

La fab­ri­ca­tion addi­tive a 35 ans et une grande dynamique de pro­grès. Dans cette dynamique mon­di­ale, la France est bien placée. Les choix tech­nologiques et indus­triels qui seront faits en la matière seront déter­mi­nants pour con­serv­er voire dévelop­per cette posi­tion nationale et européenne.

Que dire quand on se réfère à plus de trente-cinq ans d’histoire depuis les pre­miers brevets de l’ère mod­erne jusqu’à nos jours ? Certes, il y a eu de nom­breuses évo­lu­tions et de nom­breuses étapes de pro­gres­sion. Mais beau­coup reste à faire. Notam­ment la mise en œuvre des matéri­aux métalliques pose de très nom­breux prob­lèmes sur l’ensemble de la chaîne de valeur fondée sur la fab­ri­ca­tion addi­tive. En effet, la plu­part des pièces métalliques fab­riquées sont des bruts qu’il faut ensuite parachev­er, comme cela est le cas pour la forge ou la fonderie. De plus, pour cer­tains procédés fondés sur la fusion de poudre, les phénomènes et les trans­for­ma­tions physi­co-chim­iques mis en œuvre deman­dent un apport d’énergie con­séquent, ce qui provoque des défor­ma­tions et des con­traintes résidu­elles dans les pièces si rien n’est fait à la suite de la phase de fab­ri­ca­tion additive.

REPÈRES

Au début, seule la stéréopho­tolith­o­gra­phie exis­tait et elle per­me­t­tait la mise en œuvre de résines dont la trans­for­ma­tion physic­ochim­ique s’effectuait avec des lasers de faible énergie (quelques mil­li­watts). Mal­gré tout, on pro­dui­sait des pièces en trois dimen­sions à par­tir d’un mod­èle numérique sans out­il­lage et sans pré­pa­ra­tion com­pliquée de machines. Cette époque est bien loin­taine et de nom­breux autres principes physiques sont apparus, avec aujourd’hui sept class­es de procédés réper­toriés et nor­mal­isés (ISO 17296–2:2014E). Récem­ment, l’aéronautique a poussé en par­ti­c­uli­er vers la mise en œuvre de matéri­aux métalliques après s’être appro­prié celle des matéri­aux plas­tiques de manière générale.

Le métal se développe sous une poussée principalement européenne

De nom­breux pro­grès sont mal­gré tout enreg­istrés et des évo­lu­tions de ten­dances ont été notées au cours des cinq dernières années. En effet, la fab­ri­ca­tion de poudre métallique reste très coû­teuse et la qual­ité de la poudre exigée pour les pièces aéro­nau­tiques ou pour le médi­cal n’est pas négo­cia­ble. Aus­si, l’utilisation de procédés plus con­ven­tion­nels util­isant du fil et fondés sur des principes de procédés de soudage plus tra­di­tion­nels se sont dévelop­pés et ont déjà trou­vé des débouchés, en par­ti­c­uli­er pour la fab­ri­ca­tion de pièces de grande taille dans de nom­breux secteurs d’application. Cer­tains de ces procédés ont trou­vé des développe­ments en Europe et au Japon, prin­ci­pale­ment, par le développe­ment de machines ou d’environnement de pro­duc­tion dits « hybrides » com­bi­nant plusieurs procédés, soit addi­tifs, soit sous­trac­t­ifs, non seule­ment lors de phas­es de fab­ri­ca­tion suc­ces­sives mais aus­si par l’enchaînement d’opérations addi­tives, sous­trac­tives et rel­e­vant d’autres procédés comme des traite­ments ther­miques, des opéra­tions spé­ci­fiques de fini­tion ou de mesure, et d’autres encore.

D’autres procédés plus récem­ment disponibles sur le marché revis­i­tent l’utilisation de matéri­aux de type MIM (moulage par injec­tion métallique) à base de fils ou de gran­ulés de matière ther­mo­plas­tique enfer­mant des par­tic­ules métalliques de taille et de nature divers­es. Ain­si, il n’y a pas de manip­u­la­tion de poudre, celle-ci étant « enfer­mée » dans le matéri­au plas­tique, lequel est ensuite extrait par déliantage ther­mique. La pièce est frit­tée ther­mique­ment et éventuelle­ment reprise en fini­tion. D’autres procédés plus anciens ont eu un développe­ment récent aux États-Unis d’Amérique tout d’abord, puis plus large­ment en Europe et en Asie, pour la fab­ri­ca­tion de pièces métalliques à base de lit de poudre sur lequel on pro­jette un liant. La pièce finale doit ensuite être déliantée, frit­tée ou infil­trée d’un autre matéri­au métallique à plus bas point de fusion. Le procédé de pro­jec­tion de liant est égale­ment util­isé pour la fab­ri­ca­tion de moules ou de noy­aux en sable pour la fonderie et aus­si pour des pièces en matéri­aux plas­tiques ou céramiques. Par­mi toutes les tech­nolo­gies, cer­taines con­stituent des solu­tions pour la fab­ri­ca­tion de petites séries, alter­na­tives à des procédés plus con­ven­tion­nels. L’intérêt majeur dans ce cas est de dis­pos­er soit de pièces iden­tiques de forme et topolo­gie com­plex­es en nom­bre impor­tant lors d’une même fab­ri­ca­tion, ou bien de per­me­t­tre la fab­ri­ca­tion de pièces quelque peu dif­férentes égale­ment en nom­bre, cha­cune pou­vant être personnalisée.

“Le premier brevet contemporain de 1984
est français.”

Une plus grande variété d’utilisation et d’association de matériaux

Il y a donc aujourd’hui de très nom­breuses pos­si­bil­ités d’aboutir à la fab­ri­ca­tion de pro­duits, pièces ou out­il­lages, pos­sé­dant des formes externes, internes, de géométrie et de topolo­gie com­plex­es, dans des matéri­aux uniques ou mul­ti­ples, cer­taines zones pos­sé­dant des pro­priétés et des car­ac­téris­tiques vari­ables et évolu­ant de manière plus ou moins bru­tale d’un matéri­au vers un autre. Cela est aujourd’hui pos­si­ble pour les polymères (par la pro­jec­tion de plusieurs matéri­aux qui peu­vent être com­binés et déposés avec une grande pré­ci­sion et une très fine réso­lu­tion) mais aus­si pour les métaux (par la pro­jec­tion de poudre ou l’apport de fil dans un flux d’énergie). L’intérêt d’utiliser des pièces mul­ti­matéri­aux n’est pas à démon­tr­er mais la fab­ri­ca­tion addi­tive apporte des pos­si­bil­ités incom­pa­ra­bles pour des pièces inté­grant égale­ment de nom­breuses fonc­tions (ailettes, pales, bossages, chapes, collerettes, etc.) apportées sur un sub­strat pou­vant être peu cher et facile à pré­par­er (tube, plaque, etc.).

La France comme acteur significatif du progrès international

Si his­torique­ment les États-Unis d’Amérique sont ceux qui ont su dévelop­per et com­mer­cialis­er les pre­miers procédés à base de matéri­aux non métalliques (même si le pre­mier brevet con­tem­po­rain de 1984 est français, déposé par Jean-Claude André, Alain Le Méhauté et Olivi­er De Witte), l’Europe a pour le moins com­pen­sé ce déséquili­bre en pro­posant de nom­breuses solu­tions de fab­ri­ca­tion addi­tive de pièces plas­tiques, céramiques et métalliques. En France, Irepa Laser a créé la start-up BeAM qui appar­tient aujourd’hui à AddUp, société créée par Miche­lin et Fives en 2016. Sous ces deux mar­ques, BeAM et AddUp, ces fleu­rons français du domaine de la fab­ri­ca­tion addi­tive de pièces métalliques pro­posent des solu­tions à base de pro­jec­tion de poudre dans un flux d’énergie et à base de fusion de lit de poudre. Leur pro­gres­sion sur le marché est intéres­sante face aux prin­ci­paux con­cur­rents alle­mands (EOS, SLM Solu­tions) ou anglais (Ren­ishaw), et aus­si Con­cept Laser et Arcam (ce dernier étant le seul con­struc­teur européen pro­posant des machines dont l’apport d’énergie s’effectue par fais­ceau d’électrons) récem­ment rachetés par Gen­er­al Elec­tric avec tous leurs écosys­tèmes (en par­ti­c­uli­er un fab­ri­cant de poudres métalliques (Tek­na) et des sociétés de ser­vices util­isant des machines de ces constructeurs).

Dans le même temps, ne nous y trompons pas ! D’autres pays plus loin­tains con­tin­u­ent à dévelop­per des machines soit pour leur marché pro­pre (comme la Chine ou le Japon), soit pour vis­er des parte­nar­i­ats inter­na­tionaux, comme Hunan Far­soon Co. Ltd, société chi­noise qui a signé un accord avec un autre des fleu­rons français, Prod­ways. Prod­ways, du groupe Gorgé, pro­pose lui aus­si dif­férents procédés, prin­ci­pale­ment à base de résines, de résines chargées de céramiques ou d’alumines (voire d’autres matéri­aux en poudre pour des appli­ca­tions plus spé­ci­fiques), avec son procédé Mov­ing Light (flashage mobile de résine par zone, sur le principe du Dig­i­tal Light Pro­cess­ing, se dif­féren­ciant du bal­ayage de sur­face par fais­ceau laser). Prod­ways pro­pose un autre procédé de fab­ri­ca­tion de pièces métalliques, Rapid Addi­tive Forg­ing, fondé sur le principe du soudage à l’arc avec des matéri­aux sous forme de fil.

Le pan­el de tech­nolo­gies et d’acteurs expéri­men­tés par plus de vingt-cinq ans d’expérience apporte une base opéra­tionnelle qui est par­ti­c­ulière­ment riche en France et qui laisse à penser que le développe­ment indus­triel de ces tech­nolo­gies est déjà là ou n’est qu’une ques­tion de mois ou d’années. Or cela fait effec­tive­ment plus qu’un quart de siè­cle que l’AFPR (Asso­ci­a­tion française de pro­to­ty­page rapi­de – fab­ri­ca­tion addi­tive) accom­pa­gne ces développe­ments et met en rela­tion offreurs de tech­nolo­gies et sociétés poten­tiels util­isa­teurs de ces tech­nolo­gies, en sol­lic­i­tant les meilleures unités de recherche pour dop­er le développe­ment et la mise en œuvre maîtrisée de ces tech­nolo­gies. Car il est bien ques­tion de maîtrise de ces tech­nolo­gies, de la chaîne de valeur com­plète, au regard des exi­gences des dif­férents marchés. Cette ques­tion reste aujourd’hui d’une impor­tance cru­ciale et sus­cite de nom­breux développe­ments tant matériels que logiciels.

“La fabrication additive devient plus robuste.”

La formalisation et la capitalisation des connaissances acquises

Tout d’abord, l’expertise est fon­da­men­tale à cap­i­talis­er et à réu­tilis­er à la fois dans la mise en œuvre des machines et dans la con­struc­tion de mod­èles de sim­u­la­tion, voire d’optimisation des pro­duits et des proces­sus tech­nologiques, pour l’aide à la déci­sion de manière générale. Pour cela la con­nais­sance appro­fondie des phénomènes est indis­pens­able afin de mieux en appréhen­der le poten­tiel et les lim­ites, avec en par­ti­c­uli­er une con­nais­sance com­plète des défauts poten­tiels qui peu­vent appa­raître et une con­nais­sance fine des fac­teurs influ­ant sur ces défauts. Des tech­nolo­gies prin­ci­pale­ment de vision et de traite­ment d’images, d’analyse ther­mique, ouvrent la voie vers la pos­si­bil­ité de réa­gir en temps réel sur la cor­rec­tion de défaut en cours de proces­sus ou d’adaptation, voire d’arrêt de pro­duc­tion en cas de défaut réd­hibitoire. D’autres tech­nolo­gies post­fab­ri­ca­tion sont en train d’émerger en com­plé­ment de la tra­di­tion­nelle inspec­tion par ray­on­nement X (en par­ti­c­uli­er dans le cadre du pro­jet nation­al I‑AM-SURE). Grâce à ces tech­nolo­gies, la fab­ri­ca­tion addi­tive devient plus robuste, mais tout cela a un coût et prend du temps pour l’acquisition de ces con­nais­sances et leur util­i­sa­tion opéra­tionnelle de manière indus­trielle et durable. Car, au-delà de déci­sions en temps réel, la pré­dic­tion des car­ac­téris­tiques des pièces pro­duites au long de ces chaînes de valeur tech­nologiques est essen­tielle, afin de min­imiser les risques économiques et indus­triels. Ça passe par la traça­bil­ité des don­nées per­ti­nentes influ­ant sur les car­ac­téris­tiques finales des pro­duits et leur cer­ti­fi­ca­tion au regard d’un domaine d’utilisation don­né. Le Big Data et les Data Ana­lyt­ics aident à exploiter les don­nées et en tir­er les fac­teurs essen­tiels pour une meilleure com­préhen­sion des phénomènes et pour une meilleure créa­tion de modèles.

Des attentes pour la conception, la simulation et l’optimisation

Dans le même temps, il est indis­pens­able de don­ner la pos­si­bil­ité aux ingénieurs de bureau d’études de con­duire des analy­ses poussées des futurs phénomènes liés à la fab­ri­ca­tion des pièces. Les modes de con­cep­tion revis­i­tent les approches d’analyse fonc­tion­nelle très à la mode dans les années 80. Sou­vent, on cherche à opti­miser non plus seule­ment des pièces mais des pro­duits dans leur ensem­ble, et la con­cep­tion se fonde sur l’intégration d’un plus grand nom­bre de fonc­tions sur chaque pièce afin de min­imiser le nom­bre des opéra­tions d’assemblage. Des exem­ples probants ont été pro­posés dans dif­férents domaines, comme l’injecteur pour moteur d’avion fab­riqué par Gen­er­al Elec­tric. En effet, la fab­ri­ca­tion addi­tive apporte des solu­tions d’industrialisation ou de réin­dus­tri­al­i­sa­tion de pro­duits par l’utilisation de moins de pièces, et pour chaque pièce moins de matière, grâce à des allège­ments globaux par opti­mi­sa­tion topologique, et plus locaux grâce à des struc­tures lat­tices (en treil­lis). De grands acteurs de la mod­éli­sa­tion dévelop­pent des solu­tions com­mer­ciales, mais cela prend du temps et, comme les procédés eux-mêmes évolu­ent, il est com­pliqué de dis­pos­er de mod­èles con­formes à la réal­ité des pos­si­bil­ités des machines en con­stante évolution.

De nouvelles orientations de marché et de choix économiques

Alors que faire, face à ce marché pas encore com­plète­ment mature, à ces procédés en con­stante évo­lu­tion, à ce manque d’outils inté­grés de con­cep­tion et de pré­pa­ra­tion, de tech­nolo­gies de con­trôle suff­isam­ment bien adap­tées ? Bien sûr il faut con­tin­uer à avancer, car de très nom­breuses solu­tions de fab­ri­ca­tion exis­tent déjà et sont au moins aus­si fiables que d’autres procédés plus tra­di­tion­nels. Ensuite, il ne faut pas deman­der à la fab­ri­ca­tion addi­tive de rem­plac­er tous les procédés, elle en est bien inca­pable sur les plans tech­nique et économique, et ce n’est pas l’objectif. C’est avant toute chose un « plus tech­nologique » pour de nom­breuses appli­ca­tions et il faut la con­sid­ér­er ain­si. Car, grâce à elle, on peut fab­ri­quer des pièces sans avoir besoin d’outillage, mais on peut aus­si fab­ri­quer des out­il­lages com­plex­es (comme des moules avec cir­cuits de refroidisse­ment internes opti­misés). On peut donc ain­si fab­ri­quer des pièces de topolo­gie com­plexe, interne comme externe. On peut fab­ri­quer, dans un même batch de pro­duc­tion, des pièces dif­férentes sans sur­coût de pro­duc­tion ; on peut fab­ri­quer à la demande et à l’endroit où l’on a besoin des pièces (sur un bateau, une plate-forme off­shore, etc.) pour des actions de main­tien en con­di­tions opéra­tionnelles, et dans n’importe quel endroit du Globe, à par­tir d’un stock de matéri­au de base et grâce à une « logis­tique numérique » fiable et sécurisée. Trans­former une logis­tique physique en logis­tique numérique, c’est l’évolution actuelle qui se fonde sur une ratio­nal­i­sa­tion des quan­tités fab­riquées et sur le fait que, avec moins d’outillages, on peut faire baiss­er les coûts de fab­ri­ca­tion et on peut mieux per­son­nalis­er les pro­duits à la demande. Et puis, de manière plus glob­ale, si on s’appuie sur l’ensemble des tech­nolo­gies disponibles, il est aujourd’hui admis que l’on peut exploiter ces tech­nolo­gies de fab­ri­ca­tion directe par couche aux dif­férents stades du cycle de vie des pro­duits, depuis la val­i­da­tion des con­cepts (avec des machines à faible coût d’impression 3D), jusqu’à la répa­ra­tion et la réu­til­i­sa­tion des pro­duits après leur pre­mière vie. Il est donc impor­tant de suiv­re l’actualité inter­na­tionale de la fab­ri­ca­tion addi­tive, car de très nom­breux cen­tres de com­pé­tence appa­rais­sent autour du monde.

“Il ne faut pas demander à la fabrication additive de remplacer tous les procédés.”

Une dynamique mondiale en marche

De nom­breux pays pro­posent des plans nationaux de développe­ment, coor­don­nés le plus sou­vent par les experts du domaine et val­orisés par les prin­ci­pales fil­ières indus­trielles, le tout sous la bien­veil­lance et l’aide de fonds nationaux, comme au Roy­aume-Uni ou à Sin­gapour. D’autres pays, comme la Chine, met­tent en place des cen­tres de référence, comme le NIIAM (Nation­al Inno­va­tion Insti­tute of Addi­tive Man­u­fac­tur­ing) à Xi’an ou d’autres ini­tia­tives à Pékin, Shang­hai ou Wuhan. Que fait la France dans ce domaine ? De nom­breuses plates-formes tech­nologiques ont vu le jour. Mais l’absence d’une coor­di­na­tion nationale unique pénalise la ratio­nal­i­sa­tion des moyens au regard des néces­saires pro­grès indis­pens­ables à une sta­bil­i­sa­tion opéra­tionnelle des pra­tiques et une dif­fu­sion à grande échelle. Cela passe par une sen­si­bil­i­sa­tion dès la for­ma­tion ini­tiale des étu­di­ants, mais aus­si par une for­ma­tion pro­fes­sion­nelle effi­cace avec une réac­tiv­ité dans l’adaptation des for­ma­tions aux besoins, comme le pro­pose le pro­jet Eras­mus+ SAM (Skills for Addi­tive Man­u­fac­tur­ing). Une indis­pens­able sol­i­dar­ité est à finalis­er, à la suite des très nom­breux résul­tats obtenus lors de grands pro­jets nationaux financés en par­tie par de l’argent pub­lic. Des exem­ples représen­tat­ifs ont été présen­tés lors des dernières Assis­es européennes de la fab­ri­ca­tion addi­tive, organ­isées par l’AFPR. Sans aucun doute, la créa­tion d’un Insti­tut nation­al serait béné­fique et cet insti­tut con­stituerait une porte d’entrée effi­cace à l’information et aux for­ma­tions. En atten­dant, il est pos­si­ble de suiv­re l’actualité qua­si en temps réel sur les réseaux soci­aux (comme sur LinkedIn) et sur des listes de dif­fu­sion (comme info@3dprintingindustry.com) ou la revue A3DM en français, créée il y a quelques années.

sites à consulter

www.afpr.asso.fr

www.ge.com/additive/industry/aerospace

www.skills4am.eu/theproject

www.a3dm-magazine.fr/magazine

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