Matériel, matériaux et logiciels :les 3 piliers du succès de l'impression 3D

Quels sont les secrets d'une opération de fabrication additive réussie ?

C'est une question que se posent de nombreux acteurs de l'industrie, alors que la fabrication additive s'oriente de plus en plus vers la production de pièces finies. Bien que l'impression 3D ait parcouru un long chemin, en particulier au cours des 10 dernières années, il reste des défis fondamentaux à relever.

Les 3 piliers du succès de l'impression 3D

Les clés d'une opération AM réussie se trouvent dans 3 domaines cruciaux :

1. Matériel
2. Matériaux
3. Logiciel

Ces éléments constituent ce que nous avons appelé les 3 piliers de l'impression 3D industrielle, car le passage de la technologie à la production de pièces finies dépendra des progrès continus dans chacun de ces domaines.

Cela étant dit, examinons les défis rencontrés dans chacun de ces domaines et les mesures prises pour les relever.

Pilier 1 :Matériel

Sans aucun doute, les imprimantes 3D industrielles d'aujourd'hui sont loin des premiers systèmes des années 1980. Elles sont devenues plus rapides, plus fiables et de plus en plus, les fabricants développent des imprimantes 3D industrielles dans une optique de production.

Précision et répétabilité

Mais pour que la fabrication additive devienne vraiment viable pour la production de pièces finies, il sera essentiel que les machines soient développées pour garantir la répétabilité et la précision du processus à 100 % du temps.

En matière de fabrication additive, les pièces finales doivent être réalisées avec les mêmes paramètres pour conserver les mêmes propriétés de la pièce. Voici trois facteurs clés :

• Orientation
• Position
• Placement de la pièce (par rapport aux autres pièces dans le lit d'impression)

Et pourtant, la fiabilité et la précision restent un défi permanent pour les fabricants de matériel. Dans l'état actuel des choses, de nombreuses imprimantes 3D industrielles ne sont pas affinées au point de pouvoir créer des pièces fiables à 100 %, en particulier dans le cas des métaux. Par rapport aux méthodes traditionnelles établies, il s'agit d'un problème qui devra être résolu pour que la FA présente une alternative valable.

De plus, le processus d'impression 3D donne souvent des pièces aux propriétés différentes. Ce problème peut principalement être attribué aux nombreux paramètres de processus qui doivent être étroitement contrôlés et surveillés. Une façon de faire face à cette complexité consiste à développer des systèmes de contrôle de rétroaction en boucle fermée qui garantiront la qualité et la répétabilité de la production des pièces finales.

Velo3D est une entreprise qui a intégré un tel système en boucle fermée dans ses imprimantes 3D. Le fabricant américain a récemment lancé sa machine Sapphire à lit de poudre métallique, qui offrirait une cohérence pièce à pièce supérieure grâce à la métrologie de processus in situ intégrée. Cela permet un contrôle du bain de fusion en boucle fermée, réduisant le risque de déformation et la variabilité entre les pièces.

Vitesse et évolutivité

Les problèmes liés à la vitesse d'impression et à l'évolutivité limitent le potentiel de production en série des systèmes d'impression 3D. Mais ici aussi, les fabricants de matériel tentent de surmonter ce problème. Prenons l'exemple de HP :le fabricant a lancé l'année dernière son système Multi Jet Fusion dans le but d'augmenter la production de pièces en plastique en AM. À ce jour, environ 3,5 millions de pièces ont été produites avec les machines MJF, dont la moitié pour des applications d'utilisation finale.

HP a également récemment annoncé son intention de se lancer dans la production de pièces finales pour les métaux, après avoir a lancé sa machine Metal Jet plus tôt cette année. La machine promet jusqu'à 50 fois plus productive que les machines comparables à jet de liant métallique et SLM. Et, dans le but de répondre aux normes de certification, le système serait capable de produire des pièces en acier inoxydable conformes aux normes internationales de l'ASTM.

Pilier #2 :Matériaux

Les matériaux constituent le deuxième pilier de l'impression 3D industrielle. Encore une fois, de nombreux progrès ont déjà été réalisés dans ce domaine, avec la gamme de matériaux compatibles AM couvrant les métaux, les polymères et même les céramiques. Cependant, les principaux défis liés aux coûts et à la normalisation doivent encore être surmontés.

Coûts élevés

La nécessité de s'assurer que la fabrication additive reste compétitive par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles est vitale. Et pourtant, les coûts élevés des matériaux sont l'un des principaux défis auxquels sont confrontés les fabricants.

Ici, ce qui est peut-être le plus nécessaire, c'est une plus grande collaboration. Ultimaker en est un exemple; le fabricant d'imprimantes 3D de bureau open source a annoncé des collaborations avec plusieurs sociétés mondiales de matériaux.

Dans une récente interview avec AMFG, le président d'Ultimaker North America, John Kawola, réitère la nécessité d'une concurrence accrue pour réduire les coûts :« La réalité de l'impression 3D aujourd'hui est que le coût du filament pour une machine FDM est environ 50 $ la livre alors que c'est 3 $ la livre pour le moulage par injection. C'est un ordre de grandeur décalé. Mais avec le temps, avec plus de concurrence, plus de développement et plus d'attention à la production, cet écart commencera à se réduire. »

Normalisation

Un autre défi réside dans le manque de normes pour l'impression 3D. Le portefeuille actuel de matériaux spécifiques à la FA est lié à cela. Alors que les plastiques sont relativement bien établis, l'industrie attend une plus grande diversité de matériaux, en particulier avec les métaux et les céramiques. Par exemple, de nombreuses nuances d'alliages pour métaux ne sont pas disponibles ou n'ont pas encore été développées pour la fabrication additive. L'élargissement du portefeuille de matériaux FA, adaptés aux différentes exigences de l'industrie, permettra à terme une plus large gamme d'applications dans toutes les industries.

ASTM International, une organisation d'élaboration de normes, est l'une des nombreuses personnes travaillant à résoudre ce problème. L'organisation s'est associée à un certain nombre d'acteurs clés de l'industrie pour lancer le Centre d'excellence de fabrication additive, en mettant l'accent sur l'élaboration de normes pour les poudres métalliques, entre autres initiatives.

L'augmentation du nombre d'entreprises de matériaux entrant dans l'espace FA relève également le défi de la diversité des matériaux. Ces nouveaux acteurs s'accompagnent de nouvelles offres de matériaux, notamment en ce qui concerne les thermoplastiques hautes performances et les métaux légers.

Pilier n°3 :Logiciels

Le dernier, mais non le moindre, vient du troisième pilier de l'impression 3D :le logiciel. Une entreprise peut avoir les imprimantes 3D et les matériaux en place pour produire les pièces requises, mais comment pouvez-vous garantir que la gestion de vos processus de production est rationalisée et efficace ? Comment assurez-vous une visibilité complète sur les installations, les services et les équipes ?

Gestion des flux de travail

C'est là que le logiciel prend tout son sens. En effet, en tant que technologie numérique, l'impression 3D repose fortement sur un logiciel pour piloter chaque élément du processus de production.

L'un des défis majeurs pour les équipementiers et les bureaux de service réside dans l'absence d'un système logiciel approprié capable de gérer les exigences spécifiques nécessaires à la production additive. Étant donné que la production AM implique des étapes qui ne sont pas requises pour la fabrication soustractive (conception CAO, analyse, etc.), les systèmes PLM ou ERP standard ne seront pas suffisants pour gérer les demandes, les opérations CAO et les autres activités nécessaires. Dans l'état actuel des choses, la grande majorité des entreprises sont bloquées à l'aide de progiciels distincts, conçus pour différentes fonctions qui ne communiquent finalement pas entre elles. Cela a un impact négatif sur l'efficacité et la visibilité.

Heureusement, d'énormes progrès sont réalisés dans ce domaine, avec des développements clés dans les logiciels de gestion des flux de travail. Considéré dans ses fonctions les plus élémentaires, un tel logiciel aide à automatiser les tâches manuelles destinées aux clients, telles que la gestion des demandes entrantes. Cependant, pris dans toute leur ampleur, un tel logiciel, comme AMFG, peut également automatiser les tâches de production telles que la préparation de la construction et la planification des machines et fournir des métriques et des informations de production en temps réel.

Outre la gestion des flux de travail, les logiciels de simulation aident également à résoudre bon nombre des défis actuels auxquels l'industrie est confrontée. Par exemple, la prédiction et l'analyse des processus d'impression 3D avec simulation peuvent aider à éviter une approche par essais et erreurs coûteuse, en garantissant que tous les paramètres sont corrects du premier coup.

Contrôle de la machine

L'un des plus gros problèmes réside peut-être dans la capacité de diffuser directement et de communiquer avec les machines AM de votre usine de production. Les avantages sont évidents :pouvoir contrôler la machine à distance, évaluer la capacité en temps réel, etc. Cependant, la grande majorité des machines n'ont pas été développées dans un souci de communication directe. Pour que l'impression 3D devienne une méthode de production de pièces finies, les fabricants de matériel doivent travailler avec les développeurs de logiciels pour s'assurer que leurs machines sont ouvertes à une telle intégration.

Surmonter les défis de l'impression 3D

Au cours de la dernière décennie, la fabrication additive a franchi des étapes clés dans l'innovation matérielle, matérielle et logicielle. Cependant, la clé pour établir l'impression 3D comme méthode de fabrication ne réside pas dans le succès d'un, mais dans le succès des trois piliers.

Nous le constatons déjà du côté du matériel et des matériaux avec des annonces de nouveaux systèmes de FA et de collaborations de matériaux développés pour la production. Du côté des logiciels, AMFG s'efforce de garantir que la gestion des projets et de la production est automatisée pour la production additive.

Ce qui reste clair, c'est que l'industrie devra travailler plus étroitement ensemble pour développer de véritables solutions pour assurer la l'évolution de la technologie vers la production. Ce n'est qu'en nous concentrant sur la résolution des défis à tous les niveaux que nous pourrons nous assurer que l'industrie continue sur sa voie de croissance continue vers une adoption généralisée.