La fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, n'a cessé d'évoluer depuis près de 35 ans, depuis son utilisation commerciale. Les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la défense, de l'énergie, des transports, du médical, du dentaire et des biens de consommation utilisent la fabrication additive pour une vaste gamme d'applications.
Avec une telle adoption généralisée, il est clair que la fabrication additive n'est pas une solution universelle. Selon la norme terminologique ISO/ASTM 52900, la quasi-totalité des systèmes de fabrication additive commerciaux se répartissent en sept catégories de procédés. Celles-ci comprennent l'extrusion de matière (MEX), la photopolymérisation en bain (VPP), la fusion sur lit de poudre (PBF), la projection de liant (BJT), la projection de matière (MJT), le dépôt d'énergie dirigée (DED) et le laminage de feuilles (SHL). Elles sont présentées ci-dessous par ordre de popularité, en fonction des volumes de vente.
Un nombre croissant de professionnels du secteur, notamment des ingénieurs et des gestionnaires, apprennent à distinguer les cas où la fabrication additive peut améliorer un produit ou un processus de ceux où elle ne le peut pas. Traditionnellement, les principales initiatives de mise en œuvre de la fabrication additive émanaient d'ingénieurs maîtrisant cette technologie. La direction, quant à elle, constate de plus en plus d'exemples concrets de la manière dont la fabrication additive peut améliorer la productivité, réduire les délais de production et créer de nouvelles opportunités commerciales. La fabrication additive ne remplacera pas la plupart des méthodes de production traditionnelles, mais deviendra un atout précieux pour les entrepreneurs en matière de développement et de fabrication de produits.
La fabrication additive offre un large éventail d'applications, de la microfluidique à la construction à grande échelle. Ses avantages varient selon le secteur, l'application et les performances requises. Les entreprises doivent avoir de bonnes raisons d'adopter la fabrication additive, quel que soit le cas d'usage. Les plus courantes sont la modélisation conceptuelle, la vérification de la conception et la vérification de l'adéquation et de la fonctionnalité. De plus en plus d'entreprises l'utilisent pour créer des outils et des applications destinés à la production en série, y compris le développement de produits sur mesure.
Dans le domaine aérospatial, le poids est un facteur déterminant. Selon le Centre de vol spatial Marshall de la NASA, le coût de mise en orbite terrestre d'une charge utile de 0,45 kg s'élève à environ 10 000 dollars. Réduire le poids des satellites permet de réaliser des économies sur les coûts de lancement. L'image ci-jointe présente une pièce métallique fabriquée par Swissto12, intégrant plusieurs guides d'ondes. Grâce à la fabrication additive, le poids est réduit à moins de 0,08 kg.
La fabrication additive est utilisée à tous les niveaux de la chaîne de valeur dans le secteur de l'énergie. Pour certaines entreprises, l'intérêt commercial de la FA réside dans la possibilité d'itérer rapidement sur les projets afin de créer le meilleur produit possible dans les plus brefs délais. Dans l'industrie pétrolière et gazière, les pièces ou assemblages endommagés peuvent engendrer des pertes de productivité de plusieurs milliers de dollars par heure. L'utilisation de la FA pour rétablir les opérations peut donc s'avérer particulièrement intéressante.
MX3D, un important fabricant de systèmes DED, a présenté un prototype d'outil de réparation de canalisations. Selon l'entreprise, une canalisation endommagée peut coûter entre 100 000 et 1 000 000 € (113 157 à 1 131 570 $) par jour. Le dispositif présenté page suivante utilise une pièce usinée CNC comme cadre et la technologie DED pour souder la circonférence de la canalisation. La fabrication additive offre des taux de dépôt élevés avec un minimum de déchets, tandis que l'usinage CNC garantit la précision requise.
En 2021, une enveloppe d'eau imprimée en 3D a été installée sur une plateforme pétrolière de TotalEnergies en mer du Nord. Les enveloppes d'eau sont un élément essentiel au contrôle de la récupération des hydrocarbures dans les puits en construction. Dans ce cas précis, l'utilisation de la fabrication additive présente l'avantage de réduire les délais de production et les émissions de 45 % par rapport aux enveloppes d'eau forgées traditionnelles.
Un autre avantage commercial de la fabrication additive réside dans la réduction des coûts d'outillage. Phone Scope a développé des adaptateurs de digiscopie pour les appareils permettant de connecter l'appareil photo d'un téléphone à un télescope ou un microscope. De nouveaux téléphones sortent chaque année, obligeant les entreprises à lancer une nouvelle gamme d'adaptateurs. Grâce à la fabrication additive, une entreprise peut réaliser des économies sur les outils onéreux qui doivent être remplacés à chaque nouvelle sortie de téléphone.
Comme pour tout procédé ou technologie, la fabrication additive ne doit pas être utilisée simplement parce qu'elle est nouvelle ou différente. Son objectif est d'améliorer le développement de produits et/ou les processus de fabrication, en apportant une valeur ajoutée. Parmi ses autres applications, on peut citer les produits sur mesure et la personnalisation de masse, les fonctionnalités complexes, les pièces intégrées, la réduction de la quantité de matière et du poids, ainsi que l'amélioration des performances.
Pour que la fabrication additive puisse pleinement réaliser son potentiel de croissance, il est nécessaire de relever certains défis. Dans la plupart des applications industrielles, le processus doit être fiable et reproductible. L'automatisation de l'enlèvement de matière des pièces et des supports, ainsi que le post-traitement, y contribueront. L'automatisation permet également d'accroître la productivité et de réduire le coût unitaire des pièces.
L'un des domaines les plus prometteurs est l'automatisation du post-traitement, notamment le dépoussiérage et la finition. En automatisant la production en série d'applications, une même technologie peut être reproduite des milliers de fois. Le problème réside dans le fait que les méthodes d'automatisation spécifiques varient selon le type de pièce, sa taille, son matériau et le procédé. Par exemple, le post-traitement des couronnes dentaires automatisées est très différent de celui des pièces de moteurs de fusée, même si les deux peuvent être en métal.
L'optimisation des pièces pour la fabrication additive (FA) intègre souvent des fonctionnalités avancées et des canaux internes. Pour la fusion sur lit de poudre (PBF), l'objectif principal est l'élimination complète de la poudre. Solukon fabrique des systèmes automatiques d'élimination de la poudre. L'entreprise a développé une technologie appelée Smart Powder Recovery (SRP) qui fait tourner et vibrer les pièces métalliques encore fixées au plateau de construction. La rotation et la vibration sont contrôlées par le modèle CAO de la pièce. Grâce à ce mouvement précis, la poudre récupérée s'écoule presque comme un liquide. Cette automatisation réduit le travail manuel et améliore la fiabilité et la reproductibilité de l'élimination de la poudre.
Les problèmes et les limites du dépoussiérage manuel peuvent restreindre la viabilité de la fabrication additive pour la production de masse, même en petites quantités. Les systèmes de dépoussiérage Solukon fonctionnent sous atmosphère inerte et collectent la poudre non utilisée pour la réutiliser dans les machines de fabrication additive. Solukon a mené une enquête auprès de ses clients et publié une étude en décembre 2021, révélant que les deux principales préoccupations concernent la santé au travail et la reproductibilité.
L'élimination manuelle de la poudre des structures en résine PBF peut s'avérer fastidieuse. Des entreprises comme DyeMansion et PostProcess Technologies développent des systèmes de post-traitement pour automatiser cette opération. De nombreuses pièces issues de la fabrication additive peuvent être chargées dans un système qui retourne et éjecte le milieu afin d'éliminer l'excédent de poudre. HP propose son propre système qui, selon le fabricant, élimine la poudre de la chambre de fabrication du Jet Fusion 5200 en 20 minutes. Ce système stocke la poudre non fondue dans un conteneur séparé en vue de sa réutilisation ou de son recyclage pour d'autres applications.
Les entreprises peuvent tirer profit de l'automatisation si elle est applicable à la plupart des étapes de post-traitement. DyeMansion propose des systèmes de dépoussiérage, de préparation de surface et de peinture. Le système PowerFuse S charge les pièces, les nettoie à la vapeur et les décharge. L'entreprise fournit un support en acier inoxydable pour suspendre les pièces, opération effectuée manuellement. Le système PowerFuse S permet d'obtenir une surface comparable à celle d'un moule d'injection.
Le principal défi pour l'industrie est de comprendre les véritables opportunités offertes par l'automatisation. Pour la fabrication d'un million de pièces en polymère, les procédés traditionnels de fonderie ou de moulage peuvent constituer la meilleure solution, bien que cela dépende de la pièce. La fabrication additive est souvent disponible pour la première série de production, notamment pour la fabrication et les tests d'outillage. Grâce à un post-traitement automatisé, des milliers de pièces peuvent être produites de manière fiable et reproductible par fabrication additive, mais cette méthode est spécifique à chaque pièce et peut nécessiter une solution sur mesure.
La fabrication additive n'a rien à voir avec l'industrie. De nombreuses organisations présentent des résultats de recherche et développement intéressants qui peuvent contribuer au bon fonctionnement des produits et services. Dans le secteur aérospatial, Relativity Space produit l'un des plus grands systèmes de fabrication additive métallique grâce à sa technologie DED propriétaire, qu'elle espère utiliser pour fabriquer la majorité de ses fusées. Sa fusée Terran 1 peut placer une charge utile de 1 250 kg en orbite terrestre basse. Relativity prévoit de lancer une fusée d'essai mi-2022 et travaille déjà sur une fusée réutilisable plus grande, la Terran R.
Les fusées Terran 1 et R de Relativity Space offrent une vision novatrice des futurs vols spatiaux. Leur conception et leur optimisation pour la fabrication additive ont suscité un vif intérêt. L'entreprise affirme que cette méthode permet de réduire le nombre de pièces d'un facteur 100 par rapport aux fusées traditionnelles. Elle prétend également pouvoir produire des fusées à partir de matières premières en seulement 60 jours. Il s'agit là d'un excellent exemple d'assemblage de nombreuses pièces en une seule, simplifiant considérablement la chaîne d'approvisionnement.
Dans le secteur dentaire, la fabrication additive est utilisée pour produire des couronnes, des bridges, des guides de forage chirurgicaux, des prothèses partielles et des aligneurs. Align Technology et SmileDirectClub utilisent l'impression 3D pour fabriquer des pièces destinées au thermoformage d'aligneurs en plastique transparent. Align Technology, fabricant des produits de la marque Invisalign, utilise de nombreux systèmes de photopolymérisation dans les bains 3D Systems. En 2021, l'entreprise a déclaré avoir traité plus de 10 millions de patients depuis l'obtention de son agrément FDA en 1998. Si l'on considère qu'un traitement type comprend 10 aligneurs (une estimation basse), l'entreprise a produit au moins 100 millions de pièces par fabrication additive. Les pièces en PRV (polymère renforcé de fibres de verre) sont difficiles à recycler car il s'agit d'un matériau thermodurcissable. SmileDirectClub utilise le système HP Multi Jet Fusion (MJF) pour produire des pièces thermoplastiques recyclables pour d'autres applications.
Historiquement, la VPP ne permettait pas de produire des pièces fines et transparentes présentant les propriétés de résistance nécessaires à la fabrication d'appareils orthodontiques. En 2021, LuxCreo et Graphy ont présenté une solution potentielle. Depuis février, Graphy a obtenu l'approbation de la FDA pour l'impression 3D directe d'appareils dentaires. L'impression directe permet un processus de fabrication plus court, plus simple et potentiellement moins coûteux.
L'une des premières applications de l'impression 3D, qui a suscité un vif intérêt médiatique, a été son utilisation dans le secteur de la construction à grande échelle, notamment pour le logement. Les murs sont souvent imprimés par extrusion. Le reste de la maison est réalisé de façon traditionnelle avec des matériaux et selon des méthodes classiques : sols, plafonds, toitures, escaliers, portes, fenêtres, électroménager, placards et plans de travail. L'utilisation de murs imprimés en 3D peut engendrer des coûts supplémentaires liés à l'installation des réseaux d'électricité, d'éclairage, de plomberie, de ventilation et de climatisation. Les finitions intérieures et extérieures d'un mur en béton sont plus complexes qu'avec un mur traditionnel. La modernisation d'une maison grâce à l'impression 3D est également un aspect important à prendre en compte.
Des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge étudient comment stocker de l'énergie dans des murs imprimés en 3D. En intégrant des tuyaux dans le mur lors de sa construction, l'eau peut y circuler pour le chauffage et la climatisation. Ce projet de R&D est intéressant et novateur, mais il n'en est encore qu'à ses débuts. Ce projet de R&D est intéressant et novateur, mais il n'en est encore qu'à ses débuts.Ce projet de recherche est intéressant et novateur, mais il n'en est encore qu'à ses débuts.Ce projet de recherche est intéressant et novateur, mais il n'en est encore qu'à ses débuts.
La plupart d'entre nous ne sommes pas encore familiarisés avec les aspects économiques de l'impression 3D de pièces de construction ou d'autres objets de grande taille. Cette technologie a été utilisée pour fabriquer des ponts, des auvents, des bancs publics et des éléments décoratifs pour les bâtiments et l'aménagement extérieur. On considère que les avantages de la fabrication additive à petite échelle (de quelques centimètres à plusieurs mètres) s'appliquent également à l'impression 3D à grande échelle. Les principaux atouts de la fabrication additive sont la possibilité de créer des formes et des détails complexes, de réduire le nombre de pièces, la quantité de matériau et le poids, et d'accroître la productivité. Si la fabrication additive n'apporte pas de valeur ajoutée, son utilité doit être remise en question.
En octobre 2021, Stratasys a acquis les 55 % restants du capital de Xaar 3D, filiale du fabricant britannique d'imprimantes jet d'encre industrielles Xaar. La technologie PBF polymère de Stratasys, appelée Selective Absorbion Fusion (SAF), repose sur les têtes d'impression jet d'encre Xaar. L'imprimante Stratasys H350 est concurrente du système HP MJF.
L'acquisition de Desktop Metal a été impressionnante. En février 2021, l'entreprise a racheté Envisiontec, fabricant historique de systèmes de fabrication additive industrielle. En mai 2021, elle a acquis Adaptive3D, développeur de polymères VPP flexibles. En juillet 2021, Desktop Metal a fait l'acquisition d'Aerosint, développeur de procédés de revêtement et de resurfaçage par poudrage multi-matériaux. La plus importante acquisition a eu lieu en août, lorsque Desktop Metal a racheté son concurrent ExOne pour 575 millions de dollars.
L'acquisition d'ExOne par Desktop Metal réunit deux fabricants renommés de systèmes BJT métalliques. De manière générale, cette technologie n'a pas encore atteint le niveau de maturité escompté. Les entreprises continuent de travailler sur des problématiques telles que la reproductibilité, la fiabilité et l'identification des causes profondes des dysfonctionnements. Malgré cela, une fois ces problèmes résolus, la technologie a encore un fort potentiel de développement et pourrait conquérir des marchés plus vastes. En juillet 2021, 3DEO, prestataire de services utilisant un système d'impression 3D propriétaire, a annoncé avoir livré son millionième système à ses clients.
Les développeurs de logiciels et de plateformes cloud ont constaté une croissance significative dans le secteur de la fabrication additive. C'est particulièrement vrai pour les systèmes de gestion de la performance (MES) qui suivent la chaîne de valeur de la fabrication additive. 3D Systems a conclu un accord pour acquérir Oqton en septembre 2021 pour 180 millions de dollars. Fondée en 2017, Oqton propose des solutions cloud pour améliorer les flux de travail et l'efficacité de la fabrication additive. Materialize a acquis Link3D en novembre 2021 pour 33,5 millions de dollars. À l'instar d'Oqton, la plateforme cloud de Link3D assure le suivi des opérations et simplifie les flux de travail de la fabrication additive.
L'une des acquisitions les plus récentes de 2021 est celle de Wohlers Associates par ASTM International. Ensemble, ils s'efforcent de tirer parti de la marque Wohlers pour favoriser l'adoption à plus grande échelle de la fabrication additive à l'échelle mondiale. Par le biais du Centre d'excellence ASTM pour la fabrication additive, Wohlers Associates continuera de publier des rapports et autres documents, et proposera également des services de conseil, d'analyse de marché et de formation.
L'industrie de la fabrication additive a atteint sa maturité et de nombreux secteurs utilisent cette technologie pour une vaste gamme d'applications. Cependant, l'impression 3D ne remplacera pas la plupart des autres formes de fabrication. Elle sert plutôt à créer de nouveaux types de produits et de modèles commerciaux. Les entreprises utilisent la fabrication additive pour réduire le poids des pièces, les délais de production et les coûts d'outillage, et améliorer la personnalisation et les performances des produits. L'industrie de la fabrication additive devrait poursuivre sa croissance, avec l'émergence, souvent à un rythme effréné, de nouvelles entreprises, de nouveaux produits, services, applications et cas d'usage.