La fabrication additive, également appelée impression 3D, n'a cessé d'évoluer depuis son utilisation commerciale il y a près de 35 ans. Les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la défense, de l'énergie, des transports, de la médecine, de la dentisterie et de la consommation utilisent la fabrication additive pour un large éventail d'applications.
Avec une telle adoption, 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 commerciaux de fabrication additive appartiennent à l'une des sept catégories de procédés suivantes : extrusion de matière (MEX), photopolymérisation en bain (VPP), fusion sur lit de poudre (PBF), projection de liant (BJT), projection de matière (MJT), dépôt d'énergie dirigée (DED) et laminage de feuilles (SHL). Ces procédés sont classés ici par popularité en fonction des ventes unitaires.
Un nombre croissant de professionnels de l'industrie, notamment des ingénieurs et des managers, découvrent quand la fabrication additive peut contribuer à améliorer un produit ou un processus et quand elle ne le peut pas. Historiquement, les initiatives majeures pour mettre en œuvre la fabrication additive ont été lancées par des ingénieurs expérimentés dans cette technologie. Les dirigeants constatent de plus en plus d'exemples de la manière dont la fabrication additive peut améliorer la productivité, réduire les délais et créer de nouvelles opportunités commerciales. La fabrication additive ne remplacera pas la plupart des formes de fabrication traditionnelles, mais s'intégrera à l'arsenal des capacités de développement et de fabrication de produits des entrepreneurs.
La fabrication additive offre un large éventail d'applications, de la microfluidique à la construction à grande échelle. Les avantages de la fabrication additive varient selon le secteur, l'application et les performances requises. Les organisations doivent avoir de bonnes raisons de la mettre en œuvre, quel que soit le cas d'utilisation. 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 de masse, y compris le développement de produits sur mesure.
Pour les applications aérospatiales, le poids est un facteur majeur. Selon le Marshall Space Flight Center de la NASA, placer une charge utile de 0,45 kg en orbite terrestre coûte environ 10 000 dollars. Réduire le poids des satellites permet de réduire les coûts de lancement. L'image ci-jointe montre une pièce fabriquée par fabrication additive métallique Swissto12 qui combine plusieurs guides d'ondes en une seule pièce. Grâce à la fabrication additive, le poids est réduit à moins de 0,08 kg.
La fabrication additive est utilisée tout au long de la chaîne de valeur du secteur de l'énergie. Pour certaines entreprises, l'intérêt économique de la fabrication additive réside dans la rapidité d'itération des projets afin de créer le meilleur produit possible dans les meilleurs délais. Dans le secteur pétrolier et gazier, les pièces ou assemblages endommagés peuvent coûter des milliers de dollars, voire plus, en perte de productivité par heure. Le recours à la fabrication additive pour rétablir les opérations peut s'avérer particulièrement intéressant.
MX3D, un important fabricant de systèmes DED, a lancé 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 $ - 1 131 570 $) par jour. Le dispositif présenté à la page suivante utilise une pièce CNC comme cadre et utilise le DED pour souder la circonférence du tuyau. La fabrication additive offre des taux de dépôt élevés avec un minimum de déchets, tandis que la CNC assure la précision requise.
En 2021, un boîtier d'eau imprimé en 3D a été installé sur une plateforme pétrolière de TotalEnergies en mer du Nord. Les chemises d'eau sont un élément essentiel pour contrôler la récupération des hydrocarbures dans les puits en construction. Dans ce cas, la fabrication additive présente des avantages : des délais d'exécution réduits et une réduction des émissions de 45 % par rapport aux chemises d'eau forgées traditionnelles.
Un autre argument commercial en faveur de la fabrication additive est la réduction des coûts d'outillage. Phone Scope a développé des adaptateurs de digiscopie pour les appareils permettant de connecter l'appareil photo de votre téléphone à un télescope ou à un microscope. Chaque année, de nouveaux téléphones sortent, obligeant les entreprises à proposer une nouvelle gamme d'adaptateurs. Grâce à la fabrication additive, une entreprise peut économiser sur les outils coûteux qui doivent être remplacés lors de la sortie de nouveaux téléphones.
Comme pour tout procédé ou technologie, la fabrication additive ne doit pas être utilisée sous prétexte qu'elle est nouvelle ou différente. L'objectif est d'améliorer le développement de produits et/ou les processus de fabrication. Elle doit apporter de la valeur. Parmi les autres exemples d'applications possibles, on peut citer les produits sur mesure et la personnalisation de masse, les fonctionnalités complexes, les pièces intégrées, la réduction des matériaux et du poids, et l'amélioration des performances.
Pour que la fabrication additive réalise son potentiel de croissance, des défis doivent être relevés. Pour la plupart des applications de fabrication, le processus doit être fiable et reproductible. Les méthodes ultérieures d'automatisation de l'enlèvement de matière des pièces et des supports, ainsi que du post-traitement, y contribueront. L'automatisation augmente également la productivité et réduit le coût par pièce.
L'un des domaines les plus intéressants est l'automatisation du post-traitement, comme l'élimination de la poudre et la finition. L'automatisation du processus de production en série d'applications permet de reproduire la même technologie des milliers de fois. Le problème réside dans le fait que les méthodes d'automatisation spécifiques peuvent varier selon le type de pièce, la taille, le matériau et le procédé. Par exemple, le post-traitement des couronnes dentaires automatisées est très différent de celui des pièces de moteurs de fusée, bien que les deux puissent être en métal.
Les pièces étant optimisées pour la fabrication additive, des fonctionnalités plus avancées et des canaux internes sont souvent ajoutés. Pour la PBF, l'objectif principal est d'éliminer 100 % 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 fabrication. La rotation et les vibrations sont contrôlées par le modèle CAO de la pièce. En déplaçant et en secouant précisément les pièces, la poudre capturée 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 de l'élimination manuelle des poudres peuvent limiter la viabilité de la fabrication additive pour la production de masse, même en petites quantités. Les systèmes d'élimination des poudres métalliques Solukon peuvent fonctionner en atmosphère inerte et collecter la poudre inutilisée 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 sont la santé au travail et la reproductibilité.
Le retrait manuel de la poudre des structures en résine PBF peut prendre du temps. Des entreprises comme DyeMansion et PostProcess Technologies développent des systèmes de post-traitement pour éliminer automatiquement la poudre. De nombreuses pièces issues de la fabrication additive peuvent être chargées dans un système qui inverse et éjecte le support pour éliminer l'excédent de poudre. HP possède son propre système, censé éliminer la poudre de la chambre de fabrication de la Jet Fusion 5200 en 20 minutes. Ce système stocke la poudre non fondue dans un conteneur séparé pour réutilisation ou recyclage pour d'autres applications.
Les entreprises peuvent tirer profit de l'automatisation si elle s'applique à la plupart des étapes de post-traitement. DyeMansion propose des systèmes pour l'élimination de la poudre, la préparation de surface et la peinture. Le système PowerFuse S charge les pièces, vaporise les pièces lisses et les décharge. L'entreprise fournit un support en acier inoxydable pour la suspension manuelle des pièces. Le système PowerFuse S permet de produire une surface similaire à celle d'un moule à injection.
Le principal défi de l'industrie est de comprendre les réelles opportunités offertes par l'automatisation. Si un million de pièces en polymère doivent être fabriquées, les procédés traditionnels de moulage peuvent constituer la meilleure solution, même si cela dépend de la pièce. La fabrication additive est souvent disponible pour la première série de production, notamment pour la fabrication et les tests d'outils. Grâce au post-traitement automatisé, des milliers de pièces peuvent être produites de manière fiable et reproductible grâce à la fabrication additive, mais cette méthode est spécifique à chaque pièce et peut nécessiter une solution sur mesure.
La fabrication additive (FA) n'a rien à voir avec l'industrie. De nombreuses organisations présentent des résultats de recherche et développement intéressants, susceptibles de contribuer au bon fonctionnement de produits et de services. Dans le secteur aérospatial, Relativity Space produit l'un des plus grands systèmes de fabrication additive métallique grâce à sa technologie propriétaire DED, que l'entreprise espère utiliser pour la fabrication de la majorité de ses fusées. Sa fusée Terran 1 peut transporter une charge utile de 1 250 kg en orbite terrestre basse. Relativity prévoit de lancer une fusée d'essai mi-2022 et prépare déjà une fusée plus grande et réutilisable, la Terran R.
Les fusées Terran 1 et R de Relativity Space offrent une solution innovante pour réinventer les futurs vols spatiaux. La conception et l'optimisation pour la fabrication additive ont suscité l'intérêt pour ce développement. L'entreprise affirme que cette méthode réduit le nombre de pièces par 100 par rapport aux fusées traditionnelles. Elle affirme également pouvoir produire des fusées à partir de matières premières en 60 jours. Il s'agit d'un excellent exemple de combinaison de plusieurs pièces en une seule et de simplification considérable de la chaîne d'approvisionnement.
Dans le secteur dentaire, la fabrication additive est utilisée pour fabriquer des couronnes, des bridges, des gabarits de forage chirurgicaux, des prothèses partielles et des aligneurs. Align Technology et SmileDirectClub utilisent l'impression 3D pour produire 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'approbation de la FDA en 1998. Si le traitement d'un patient type comprend 10 aligneurs, ce qui est une estimation basse, l'entreprise a produit 100 millions de pièces ou plus en fabrication additive. Les pièces en PRF sont difficiles à recycler car elles sont thermodurcissables. SmileDirectClub utilise le système HP Multi Jet Fusion (MJF) pour produire des pièces thermoplastiques recyclables pour d'autres applications.
Historiquement, VPP n'était pas en mesure de produire des pièces fines et transparentes dotées de propriétés de résistance pour les 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 complet plus court, plus simple et potentiellement moins coûteux.
L'une des premières innovations ayant suscité un vif intérêt médiatique est l'utilisation de l'impression 3D pour des applications de construction à grande échelle, comme la construction de logements. Les murs d'une maison sont souvent imprimés par extrusion. Toutes les autres parties de la maison sont réalisées avec des méthodes et des matériaux traditionnels, notamment les sols, les plafonds, les toits, les escaliers, les portes, les fenêtres, les appareils électroménagers, les armoires et les plans de travail. L'impression 3D peut augmenter les coûts d'installation de l'électricité, de l'éclairage, de la plomberie, des conduits et des bouches d'aération pour le chauffage et la climatisation. La finition intérieure et extérieure d'un mur en béton est plus complexe qu'avec un mur traditionnel. Moderniser une maison avec des murs imprimés en 3D est également un élément important à prendre en compte.
Des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge étudient comment stocker l'énergie dans des murs imprimés en 3D. En insérant des tuyaux dans le mur pendant la construction, l'eau peut y circuler pour le chauffage et la climatisation. Ce projet de R&D est intéressant et innovant, mais il est encore à un stade précoce de développement. Ce projet de R&D est intéressant et innovant, mais il est encore à un stade précoce de développement.Ce projet de recherche est intéressant et innovant, mais il en est encore aux premiers stades de développement.Ce projet de recherche est intéressant et innovant, mais il en est encore aux premiers stades de développement.
La plupart d'entre nous ne sont 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 produire des ponts, des auvents, des bancs publics et des éléments décoratifs pour les bâtiments et l'environnement extérieur. On estime 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 avantages de la fabrication additive sont la création de formes et de caractéristiques complexes, la réduction du nombre de pièces, de la matière et du poids, et l'augmentation de 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, repose sur les têtes d'impression jet d'encre Xaar. La machine Stratasys H350 est concurrente du système HP MJF.
L'acquisition de Desktop Metal a été impressionnante. En février 2021, l'entreprise a acquis Envisiontec, fabricant historique de systèmes de fabrication additive industrielle. En mai 2021, elle a également acquis Adaptive3D, développeur de polymères VPP flexibles. En juillet 2021, Desktop Metal a acquis Aerosint, développeur de procédés de revêtement en poudre multi-matériaux. L'acquisition la plus importante a eu lieu en août, avec le rachat de 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, la technologie n'a pas encore atteint le niveau que beaucoup croient. Les entreprises continuent de s'attaquer à des problématiques telles que la répétabilité, la fiabilité et la compréhension des causes profondes des problèmes dès leur apparition. Malgré cela, si les problèmes sont résolus, la technologie pourrait encore atteindre des marchés plus vastes. En juillet 2021, 3DEO, un prestataire de services utilisant un système d'impression 3D propriétaire, a annoncé avoir livré un millionième exemplaire à ses clients.
Les développeurs de logiciels et de plateformes cloud ont connu une croissance significative dans le secteur de la fabrication additive. Cela 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 fournit 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. Comme Oqton, la plateforme cloud de Link3D permet de suivre le travail et de simplifier le flux de travail de la fabrication additive.
L'une des dernières acquisitions de 2021 est l'acquisition de Wohlers Associates par ASTM International. Ensemble, ils s'efforcent de tirer parti de la marque Wohlers pour favoriser une adoption plus large de la fabrication additive dans le monde entier. Par l'intermédiaire du Centre d'excellence ASTM pour la fabrication additive, Wohlers Associates continuera de produire des rapports et autres publications, ainsi que de fournir des services de conseil, des analyses de marché et des formations.
Le secteur de la fabrication additive a atteint sa maturité et de nombreux secteurs utilisent cette technologie pour un large éventail 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 nouveaux modèles économiques. 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. Le secteur de la fabrication additive devrait poursuivre sa croissance avec l'émergence de nouvelles entreprises, de nouveaux produits, de nouveaux services, de nouvelles applications et de nouveaux cas d'utilisation, souvent à un rythme effréné.