Brian Alexander de Solvay sur la construction de polymères haute performance pour la fabrication additive

Avec la demande pour polymères haute performance en fabrication additive qui accélère, les grands acteurs matériaux étendent leurs portefeuilles. Alors que l'industrie passe du prototypage à la production série, le besoin de matériaux grade ingénierie satisfaisant des critères de performance stricts à travers automobile, médical, aérospatial et autres secteurs n'a jamais été plus grand. Solvay, BASF, SABIC et autres développent maintenant activement des polymères spécifiques à la FA.

Solvay est une entreprise de 10 milliards € avec plus de 150 ans d'expertise matériaux. Présentée dans le Landscape de la Fabrication Additive, la firme belge fournit des matériaux de spécialité à divers secteurs, de l'automobile à l'aérospatial.

Cette semaine, nous nous asseyons avec Brian Alexander, fondateur de la Plateforme d'Incubation Business pour la Fabrication Additive des Polymères de Spécialité de Solvay, pour discuter de l'expansion de l'entreprise dans la FA, les opportunités stratégiques que la technologie offre, et pourquoi les matériaux haute performance sont essentiels pour la fabrication avancée.

Repérer l'opportunité de la fabrication additive

Début 2016, la fabrication additive était devenue impossible à ignorer. Des délibérations internes ont mené Solvay à établir une unité d'affaires dédiée au sein de sa division Polymères de Spécialité focalisée solely sur la FA.

« La fabrication additive s'aligne parfaitement avec les marchés core de Solvay », explique Alexander. « Nous servons des secteurs haute valeur où petites séries et personnalisation de masse sont la norme — pensez aérospatial et santé — plutôt que production de masse de millions de pièces. »

« Nous avons reconnu le potentiel transformateur de la FA : ça pouvait être une menace ou une opportunité. Nous avons choisi la seconde. »

Avec des technologies FA clés comme SLS et FFF entrant dans le domaine public d'ici 2016, Solvay a vu un marché s'élargissant et l'entrée de nouveaux compétiteurs. Alexander note que le battage accompagnant la FA requérait une approche pragmatique.

« En notre première année, nous avons sondé nos top clients pour jauger leur adoption FA. En 2016, la plupart étaient sceptiques — 'intéressant, mais pas pour la production de masse.' Cette vue a depuis évolué. »

La FA exige un changement de mentalité

Solvay Specialty Polymers, une des unités d'affaires du groupe, emploie environ 3 500 personnes. « Nous offrons l'un des portefeuilles les plus complets de polymères haute performance, avec environ 35 formulations distinctes », dit Alexander.

Ces matériaux premium sont vendus en volumes plus petits, ce qui s'aligne bien avec la demande de la FA pour des pièces spécialisées, haute valeur qui bénéficient de la complexité et économies d'échelle de la technologie.

« La FA demande un état d'esprit fondamentalement différent comparé à la fabrication conventionnelle. Vous devez redessiner toute la chaîne de valeur — des matériaux à la conception, équipement et optimisation de processus. »

« Tenter de commercialiser des résines legacy dans l'espace FA aurait échoué », admet Alexander. « Notre but est de devenir le fournisseur leader de solutions haute performance sur-mesure, prêtes pour la FA. »

Qu'est-ce que cela implique en pratique ?

« Vous devez comprendre précisément ce qui entre dans la machine », déclare Alexander. « Toute variabilité non contrôlée dans la chaîne d'approvisionnement compromet le contrôle de processus, qui est critique pour qualifier les matériaux dans des marchés de niche comme médical ou aérospatial. »

La route vers le développement de polymères haute performance pour l'additif

« La fabrication additive a commencé avec des matériaux faible performance comme PLA et ABS, adaptés pour jouets et prototypes », note Alexander. « Pour débloquer le plein potentiel de la FA, des polymères grade industriel — comme le PEEK — sont requis. »

La demande croissante pour matériaux grade industriel reflète la transition de l'industrie du prototype-seulement vers la production série.

« Se focaliser solely sur le prototypage rate les bénéfices de la FA parce que ces pièces ne sont pas conçues pour les processus additifs », explique Alexander. « La production série demande une large gamme de données thermiques, mécaniques et de qualification pour atteindre le design désiré. »

Développer des polymères haute performance spécifiques à la FA est challengeant, donné la variété de technologies FA et le portefeuille matériaux étendu de Solvay.

Finalement, l'entreprise a sélectionné le Fused Filament Fabrication (FFF) comme point de départ — la technologie FA la plus accessible.

Solvay a ciblé deux marchés clés pour les tests initiaux : la santé, avec ses besoins de personnalisation de masse, et l'aérospatial, qui repose sur la production de petites séries.

« Nos questions étaient : comment ces marchés utilisent-ils actuellement nos matériaux, et comment pouvons-nous les activer pour l'impression 3D ? » dit Alexander. « Cette approche élargit les capacités de nos clients au-delà de la fabrication traditionnelle. »

Le PEEK et le PPSU ont été choisis comme polymères inauguraux.

Le PEEK est renommé pour sa stabilité exceptionnelle, résistance chimique et thermique, et ratio résistance/poids supérieur, le rendant idéal pour composants aéronautiques, roulements automobiles, pétrole & gaz, et applications électroniques.

Le PPSU offre haute résistance thermique, résistance chimique et aux chocs exceptionnelle, et excellente élongation à la rupture, adapté pour dispositifs médicaux, plomberie et composants alimentaires.

« En FA, comprendre le comportement matériau — retrait, gauchissement, cohésion — est essentiel », souligne Alexander. « Ces propriétés peuvent être prédites si le matériau est bien compris. »

Solvay a lancé sa Coupe de Fabrication Additive en octobre 2017, invitant étudiants universitaires mondialement à montrer leurs compétences FA en utilisant filament PEEK. Alexander rapporte que les résultats étaient « phénoménaux. »

« Les étudiants ont vite innové, démontrant qu'avec le bon support, le plein potentiel de la technologie peut être réalisé », dit-il, alimentant la confiance pour poursuivre de nouvelles avenues.

Un nouveau modèle d'affaires émerge

Le succès de la Coupe de Fabrication Additive a mené Solvay à réimaginer l'engagement client via une nouvelle plateforme e‑commerce.

« Nous avons abandonné l'approche modèle fermé et ouvert nos matériaux à quiconque avec une carte de crédit », explique Alexander. « Tarification rapide, transparente et équitable est sans précédent pour une grande entreprise chimique. Notre but ultime est d'inspirer la prochaine génération à utiliser nos matériaux. »

La transparence des données est pivotale quand on sert des clients industriels. « D'autres entreprises chimiques fournissent des fiches techniques génériques basées sur pièces moulées par injection », note Alexander. « Nous publions des données complètes sur pièces fabriquées additivement pour donner confiance à nos clients. »

Pourquoi le contrôle de processus est important

Alexander souligne la criticité du contrôle de processus. « Sans processus robuste ou équipement adapté, la qualité de pièce souffre. »

À cette fin, Solvay collabore avec des fabricants d'imprimantes 3D pour aligner profils d'impression avec spécifications polymères.

« La plupart des utilisateurs industriels cherchent des solutions plug-and-play — un matériau qu'on peut insérer et qui produit des pièces cohérentes », dit-il. « C'est la direction vers laquelle nous allons. »

Entre 2017 et 2018, Solvay a appris que les paramètres d'impression affectent significativement la porosité et vides, qui impactent à leur tour la résistance et l'allongement à la rupture. « Des pièces cohérentes, homogènes requièrent une compréhension profonde du traitement matériau. »

« Pour exploiter le plein potentiel de la FA — treillis, allègement, consolidation de pièces — vous devez comprendre comment votre matériau se comporte dans géométries complexes et optimiser le design pour la FA. »

Le rôle de la simulation matériaux

Solvay continue d'étendre ses capacités matériaux FA.

L'an dernier, l'entreprise a partenaire avec e‑Xstream Engineering, intégrant les polymères haute performance de Solvay dans la plateforme de simulation Digimat‑AM.

La simulation d'impression 3D est de plus en plus critique pour prédire le comportement de pièce avant impression.

Via Digimat‑AM, les utilisateurs peuvent maintenant simuler la performance thermomécanique des polymères Solvay pendant la conception, éliminant beaucoup de l'essai-erreur traditionnellement associé à la FA.

Alexander explique l'objectif du partenariat : « Fournir un jumeau numérique de notre matériau permet aux designers de tester des concepts sans le cycle d'impression de 24 heures. La simulation prédictive ajoute une valeur significative et accélère le time-to-market. »

L'avenir des polymères FA

Alexander offre une perspective philosophique sur l'avenir de la FA.

« Je suis excité par la promesse de la FA. Les grandes entreprises passent d'un mindset centré application à un mindset qualification processus », dit-il. « Si un processus n'est pas fiable, la pièce échoue. C'est simple. »

Il note que la FA complétera, plutôt que remplacera, la fabrication traditionnelle, ouvrant de nouvelles opportunités.

Concernant les coûts matériaux, Alexander reste optimiste. « Les économies d'échelle sont un défi actuel, et les prix sont hauts aujourd'hui. Alors que les volumes grandissent et applications se diversifient, les prix baisseront. »

2019 sera pivotal alors que Solvay travaille à qualifier ses processus additifs. « Nous visons à partner avec 10‑15 imprimantes commerciales pour assurer l'impression cohérente de nos polymères », dit-il.

Solvay poursuit aussi de nouvelles collaborations, surtout en matériaux avancés et autres technologies FA comme SLS et Multi‑Jet Fusion, et avec OEMs clés prêts à investir dans des solutions disruptives.

Pour en savoir plus sur Solvay, visitez Solvay.

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