8 défis que la fabrication additive doit résoudre pour devenir viable pour la production

La fabrication additive a parcouru un long chemin depuis l'époque du prototypage rapide. Depuis leur émergence dans les années 1980, les technologies d'impression 3D ont trouvé des applications innovantes et contribuent à réduire les coûts de production et les délais, à améliorer les performances des produits et à rendre la personnalisation de masse viable à grande échelle. Néanmoins, la FA est confrontée à des défis majeurs lorsqu'il s'agit de produire à grande échelle. Dans cet article, nous décrivons les 8 défis auxquels l'industrie est confrontée et les mesures prises pour les relever.

1. Identification d'une analyse de rentabilisation

L'analyse de rentabilisation de la fabrication additive est un défi auquel de nombreuses entreprises sont confrontées, en particulier avec les coûts élevés liés au démarrage. Les avantages financiers à long terme de la fabrication additive sont clairs et incluent :

• Coûts d'outillage réduits
• Capacité à produire des géométries complexes à moindre coût
• Personnalisation économique

Cependant, il n'en reste pas moins qu'un investissement initial dans la technologie - du matériel informatique aux matériaux et éventuellement à l'équipement de post-traitement - sera nécessaire.

Pour ceux qui recherchent l'impression 3D métal, par exemple, les machines de FA métal peuvent facilement coûter jusqu'à 100 000 $, sans compter les coûts des matériaux et de l'équipement de post-traitement.

La transition vers l'intégration de la FA dans les workflows de fabrication existants peut donc sembler difficile à justifier. Le retour sur investissement d'AM doit être égal ou supérieur aux autres méthodes de production disponibles, comme l'explique Tim Weber, responsable mondial de HP Metal Jet :

« Les fabricants d'imprimantes 3D doivent avoir une économie supérieure qui nous permet d'être compétitifs , pas avec d'autres entreprises de fabrication additive, mais avec des méthodes traditionnelles comme le moulage de précision, le moulage par injection de métal et la CNC.

Une faible barrière à l'entrée consiste à faire appel aux services de bureaux de services d'impression 3D et à tirer parti de leur expertise pour identifier les applications d'impression 3D les plus pertinentes pour votre entreprise.

En plus d'identifier les domaines où l'impression 3D sera un atout, les fabricants doivent également évaluer les coûts pour comprendre si l'impression 3D ou les méthodes traditionnelles (moulage par injection, usinage CNC, etc.) seraient les mieux adaptées à une application particulière. .

D'un autre côté, au fur et à mesure que l'industrie mûrit, on s'attend à une baisse des coûts de machine, de matériaux et d'exploitation. Ces évolutions faciliteront à terme la transition de la FA vers la production en série.

2. Volumes de production

Pour prendre en charge les volumes élevés (et les délais courts) nécessaires à la production en série, les workflows de fabrication additive doivent être à la fois rapides et évolutifs. Actuellement, la plupart des systèmes AM n'ont pas la vitesse requise pour la production de masse, en particulier par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles.

Alors que les fabricants de matériel de FA développent des systèmes plus rapides pour résoudre ce problème, le temps d'impression par pièce n'est qu'une pièce du puzzle. Toutes les étapes de pré et post-traitement déterminent également le débit potentiel et doivent également être prises en compte.

Le post-traitement, par exemple, est un goulot d'étranglement clé. Presque toutes les pièces imprimées en 3D nécessiteront un certain type de post-traitement, qui représente 30 à 60 % du processus de production global. Il sera nécessaire de trouver des moyens d'automatiser l'étape de post-traitement – ​​et des entreprises comme PostProcess Technologies proposent déjà des solutions de post-traitement.

Améliorer les temps de construction AM, automatiser chaque étape du flux de travail AM et minimiser les étapes de post-traitement sont donc des étapes cruciales nécessaires pour adapter l'AM à des opérations de plus grand volume.

3. Répétabilité

Le besoin de répétabilité en matière de production en série ne peut pas être sous-estimé. Cependant, la production constante de pièces fiables est un défi permanent auquel AM est confronté. L'utilisation des mêmes paramètres, par exemple, peut encore entraîner des différences dans la production de la même pièce.

La liste des facteurs pouvant avoir un impact sur la qualité d'une pièce finale est longue et comprend :l'orientation de la pièce dans la plate-forme de fabrication, l'étalonnage de la machine, la qualité des matériaux et la manière dont les pièces sont retirées d'une fabrication.

Toutes les variables de processus impliquées dans le processus doivent être strictement définies et contrôlées pour permettre une impression réussie à chaque fois, ce qui n'est pas une mince affaire.

La bonne nouvelle est que l'industrie prend des mesures pour permettre la fabrication additive prédictive et reproductible. Par exemple, les fabricants de systèmes AM développent de nouvelles machines équipées de systèmes de surveillance en cours de processus et de contrôle de rétroaction en boucle fermée pour permettre un meilleur contrôle du processus de fabrication.

4. Disponibilité du matériel

Le développement de matériaux a parcouru un long chemin depuis les anciens filaments exclusifs. Actuellement, les technologies d'impression 3D peuvent être utilisées avec une large gamme de matériaux, notamment les métaux, les céramiques, les polymères et les composites.

Et pourtant, la disponibilité de matériaux adaptés reste l'un des plus gros freins à l'utilisation de la fabrication additive comme méthode de production. La diversité des matériaux est limitée, avec seulement un ensemble relativement petit de matériaux compatibles disponibles.

L'une des raisons à cela réside dans la nature exclusive de nombreux matériaux imprimables en 3D. Bien que la fabrication de matériaux exclusifs puisse aider une entreprise à établir son monopole, elle oblige les clients à acheter leurs matériaux directement auprès de leurs fabricants d'imprimantes 3D.

La certification des matériaux AM est le deuxième obstacle. La certification est requise pour garantir que les matériaux de FA répondent aux mêmes normes que les méthodes traditionnelles et peut être un processus long et coûteux.

Cela dit, le marché des matériaux de FA évolue rapidement, la grande majorité des fabricants étant désormais ouverts au développement de nouveaux matériaux par des tiers. Certaines entreprises, comme Ultimaker et HP, adoptent activement une approche de plate-forme ouverte, permettant la collaboration avec certains des plus grands fournisseurs de matériaux. Ces développements permettront à leur tour d'accélérer l'innovation des matériaux.

Dans une récente interview avec AMFG, le président d'Ultimaker, John Kawola, déclare :« Dans le passé, la plupart des technologies d'impression 3D se limitaient à une poignée de matériaux, principalement pour le prototypage. Les plus grandes entreprises de cet espace, comme 3D Systems, EOS et Stratasys n'avaient pas des centaines de scientifiques des matériaux dans leur personnel - elles en avaient quelques-uns et développaient des matériaux pour leurs plates-formes individuelles.

« Mais une fois que vous incitez les grandes entreprises de plastique à s'impliquer, elles apportent toute leur sagesse collective sur le marché, ce qui, je pense, aide tout le monde. »

5. Sécurité

La sécurité devient de plus en plus une préoccupation majeure pour les entreprises qui souhaitent adopter la fabrication additive.

Comme les autres technologies numériques de l'Industrie 4.0, l'impression 3D est vulnérable aux risques de sécurité et aux cyberattaques. Le potentiel de données volées ou falsifiées, par exemple, pourrait compromettre la propriété intellectuelle d'une entreprise.

La sécurité deviendra particulièrement importante à mesure que les nouveaux modèles commerciaux englobant les stocks virtuels et la production décentralisée à la demande continuent de gagner du terrain. Atteindre cette étape nécessitera cependant le développement de solutions sur mesure pour assurer la sécurité et la protection IP dans l'ensemble de l'écosystème de la FA.

À l'heure actuelle, ces solutions en sont aux premiers stades d'adoption. Des entreprises, comme AMFG et LEO Lane, établissent des partenariats stratégiques. D'autres déposent des brevets et lancent des initiatives pour adapter des technologies de sécurité comme la blockchain à la fabrication additive.

Répondre aux préoccupations de sécurisation du fil numérique augmentera non seulement le niveau de confiance dans l'impression 3D en tant que technologie de production, mais aussi permettre une meilleure traçabilité tout au long de la chaîne d'approvisionnement.

6. Normalisation

L'absence d'un ensemble complet de normes pour la fabrication additive reste l'un des principaux obstacles à la généralisation de la technologie.

Dans des secteurs hautement réglementés comme l'aérospatiale et la défense, le médical et l'automobile, les pièces imprimées en 3D destinées à une utilisation finale doivent répondre à des exigences strictes. La certification et la normalisation seront essentielles pour renforcer cette confiance et établir des approches de certification solides. Actuellement, bon nombre des directives de fabrication existantes s'appliquent uniquement aux méthodes de fabrication traditionnelles, et de nouvelles normes devront être élaborées ou adaptées pour la FA.

Cependant, le chemin vers la normalisation de la FA est long. Heureusement, certaines des plus grandes organisations d'élaboration de normes, comme l'ISO et l'ASTM International, ont déjà commencé le processus d'élaboration de normes à l'échelle de l'industrie.

Grâce à leurs efforts, il existe déjà plus de 25 normes approuvées et 19 normes supplémentaires en cours de développement (fin 2018). ASTM International investit également massivement dans des projets de recherche axés sur la FA, cherchant à combler les écarts entre la R&D, la normalisation et la commercialisation plus large de l'industrie.

7. Formation

L'obstacle le plus important à l'adoption de la FA est peut-être le manque de compétences actuel. Un rapport de 2016 de Deloitte conclut que neuf fabricants sur dix ont du mal à embaucher des travailleurs possédant les bonnes compétences. La pénurie de main-d'œuvre est donc une question à laquelle doit faire face le secteur manufacturier dans son ensemble.

Les technologies avancées comme la fabrication additive nécessitent un nouvel ensemble de compétences. Prenons l'exemple de la conception pour la fabrication additive (DfAM) :des outils tels que la conception générative et l'optimisation de la topologie obligeront les ingénieurs à repenser les approches conventionnelles de la conception. D'autres domaines incluent la maintenance des machines, la manutention des matériaux et les connaissances en post-traitement.

L'éducation et la formation seront la solution pour faire la transition. Les entreprises doivent investir activement dans la formation de leur main-d'œuvre, en donnant aux employés la possibilité d'apprendre et de stimuler l'innovation grâce à ces technologies de pointe.

8. Flux de travail de bout en bout

L'impression 3D est l'une des technologies importantes pour établir des « usines intelligentes ».

Pourtant, la réalité est que la plupart des entreprises ont du mal à établir un processus de gestion de flux de travail AM de bout en bout. Un goulot d'étranglement réside dans l'utilisation de différents progiciels pour passer de la conception à la pièce finie. Cela crée un processus déconnecté, réduisant considérablement l'efficacité.

Heureusement, il existe de plus en plus de solutions pour remédier à ce goulot d'étranglement. Par exemple, un logiciel d'automatisation de flux de travail a vu le jour pour résoudre les problèmes de processus de flux de travail déconnectés. L'utilisation d'une seule plate-forme pour gérer l'ensemble de l'écosystème FA, des demandes au contrôle de post-production, permet à la fois l'automatisation des tâches manuelles et routinières ainsi qu'une meilleure traçabilité à chaque étape du processus FA.

Regard vers l'avenir

La fabrication additive a connu un développement rapide ces dernières années et 2019 ne semble pas faire exception. Cependant, alors que des progrès sont réalisés pour industrialiser la FA, il reste encore du chemin à parcourir avant que la technologie puisse être utilisée de manière viable comme méthode de fabrication de pièces finales à grande échelle. Les coûts devront baisser, une plus grande concentration sur la formation et les entreprises devront trouver la valeur de la technologie pour leurs applications. À mesure que la technologie et l'industrie arriveront à maturité et que ces défis seront relevés, le taux d'adoption de la FA ne fera qu'augmenter.