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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