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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