Révolutionner la fabrication : 4 applications révolutionnaires de l'impression 3D à grande échelle

L'impression 3D à grande échelle s'impose progressivement comme une solution rentable et flexible pour la fabrication de pièces et composants de grande taille. Pourtant, la majorité des imprimantes 3D actuellement disponibles ayant été conçues pour des pièces plus petites, quelles sont les perspectives pour les technologies d'impression 3D capables de produire des pièces plus grandes comme des pales de turbine ou des ailes d'avion entières ?

Cet article explore les technologies d'impression 3D à grande échelle actuellement disponibles, ainsi que les applications actuelles qui démontrent la puissance de cette approche.

Qu'est-ce que l'impression 3D à grande échelle ?

En tant que technologie de fabrication, l'impression 3D trouve de plus en plus sa place. Elle est utilisée dans des applications aussi variées que les roulements à billes, les composants automobiles, les implants médicaux et les chaussures. Cependant, ces applications ont toutes un point commun : les pièces produites sont de taille relativement petite.

Il est vrai que l'impression 3D grand format reste une technologie de niche. Pourtant, elle a le potentiel de résoudre de nombreux défis auxquels les fabricants sont confrontés lors de la production de pièces de grande taille.

Les composants de grande taille, comme les ailes d'avion, sont lourds et encombrants et nécessitent des temps de préparation plus longs et des outils plus grands pour être produits. Cela se traduit inévitablement par des coûts de fabrication plus élevés et des délais plus longs.

L'impression 3D pourrait aider les fabricants à produire des pièces de grande taille plus rapidement et plus rentablement. Grâce à la complexité de conception qu'elle offre, ces pièces pourraient également bénéficier d'avantages clés tels que l'allègement et l'amélioration des performances. Enfin, si de grands composants peuvent être imprimés en une seule fois, au lieu d'être imprimés en plusieurs parties puis assemblés, cela présente l'avantage supplémentaire de réduire les temps d'assemblage.

Technologies d'impression 3D à grande échelle

En matière d'impression 3D à grande échelle, plusieurs technologies répondent à l'appel. Voici quelques-unes des technologies d'impression 3D grand format disponibles commercialement dont vous devriez avoir connaissance.

Impression 3D grand format pour les plastiques

Big Area Additive Manufacturing (BAAM)

L'une des plus grandes technologies d'impression 3D actuellement disponibles est le Big Area Additive Manufacturing (BAAM). Développé par le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) en partenariat avec Cincinnati Inc., le BAAM est apparu pour la première fois à l'IMTS 2014, où il a été utilisé pour imprimer en 3D une voiture entière.

L'imprimante 3D, qui utilise un extrudeur placé sur un système de portique, peut créer des pièces allant jusqu'à 6 x 2,4 x 2 m en utilisant des matériaux thermoplastiques comme l'ABS, le PPS, le PC, le PLA et le PEI.

Depuis son introduction, le BAAM a été utilisé dans plusieurs applications, allant de prototypes grandeur nature d'une coque de sous-marin à des véhicules autonomes imprimés en 3D.

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM)

La technologie Large Scale Additive Manufacturing (LSAM), développée par l'entreprise américaine Thermwood, se concentre également exclusivement sur la production industrielle.

Révélée pour la première fois en 2016, une imprimante 3D LSAM possède un volume de construction de 10 x 40 pi (environ 37 m²) et peut imprimer des objets à la fois horizontalement et verticalement.

L'une des caractéristiques uniques de l'imprimante 3D LSAM est son approche hybride de production de pièces, combinant technologies additives et soustractives.

Elle comprend un portique d'impression 3D et un second portique de finition — ce dernier est en réalité un routeur CNC à cinq axes. Cette combinaison signifie que toutes les étapes de production de pièces peuvent être réalisées sur la même machine, accélérant le processus de fabrication.

L'imprimante 3D LSAM dispose également d'une conception de vis d'extrudeur fabriquée à partir d'alliages d'acier spéciaux. Avec cette conception, sa tête d'impression peut imprimer à des températures allant jusqu'à 450°C, ce qui permet de fabriquer de grandes pièces nécessitant des thermoplastiques composites à haute température.

La machine LSAM de Thermwood a été développée pour la production d'outillage industriel, tel que des moules et des fixations de production pour les industries automobile et aérospatiale.

Les imprimantes 3D à grande échelle de BigRep

Un nom bien connu dans le monde de l'impression 3D grand format, BigRep a été fondée en 2014 avec pour objectif de rendre l'impression 3D à grande échelle aussi simple et abordable que possible.

L'entreprise a lancé sa première machine — la BigRep ONE v1 — la même année, et celle-ci offre un volume de construction plutôt grand de 1 mètre cube pour un prix d'environ 40 000 $.

Cinq ans après le lancement de l'imprimante 3D BigRep ONE originale, la BigRep ONE (maintenant à sa troisième itération) se classe toujours parmi les machines offrant le prix au volume le plus bas du marché.

La gamme d'imprimantes 3D de BigRep comble l'écart entre les petites imprimantes 3D de bureau et les imprimantes industrielles plus grandes et plus chères, et cible les petites et moyennes entreprises de conception et de fabrication.

Impression 3D métal à grande échelle

Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)

Dans le monde de l'impression 3D métal, Sciaky propose certaines des plus grandes imprimantes 3D métal du marché, propulsées par sa technologie Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM). Par exemple, le système EBAM 150 possède un volume de construction impressionnant de 3708 x 1575 x 1575 mm.

L'EBAM utilise un processus similaire au soudage, où un faisceau d'électrons est utilisé pour faire fondre du métal sous forme de fil. Cela signifie que la technologie est bien adaptée au traitement d'une large gamme de matériaux soudables, du titane à l'Inconel en passant par l'acier inoxydable.

Sciaky positionne son système AM comme une alternative plus rapide et plus abordable aux forgages et moulages à grande échelle. Le système de contrôle en boucle breveté de l'entreprise permet la fabrication de pièces métalliques aux propriétés et microstructures améliorées pour des applications dans le militaire, la marine et l'aérospatial.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

De manière similaire à l'EBAM, le Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) utilise également du fil comme matière première mais fait fondre les matériaux à l'aide d'un arc électrique. Le WAAM peut produire des pièces jusqu'à 10 m de long, en utilisant des alliages métalliques comme le titane, le nickel, l'acier inoxydable, l'aluminium et les alliages de bronze.

Le WAAM peut être utilisé pour produire de grandes pièces métalliques telles que des vessels sous pression et des panneaux de fuselage d'avion. En plus de la production de pièces finales, la technologie est un choix idéal pour les opérations de réparation et de maintenance de composants spécifiques comme les pales de turbine, ainsi que les moules et matrices.

Impression 3D sable grand format

Le fabricant le plus connu d'imprimantes 3D sable grand format est sans doute voxeljet, actif dans ce domaine depuis 2002.

En 2011, voxeljet a présenté la VX4000, qui est l'une des plus grandes imprimantes 3D sable à ce jour, avec un volume de construction de 4 x 2 x 1 m.

Aux côtés de voxeljet, ExOne propose des systèmes d'impression sable de qualité professionnelle, avec un volume de construction maximal atteignant 2,2 x 1,2 x 0,7 m.

Les imprimantes 3D de Voxeljet et ExOne utilisent toutes deux un procédé appelé Binder Jetting (jet de liant), où un agent liant liquide est déposé sélectivement sur une couche de sable pour assembler les particules de sable entre elles.

L'impression 3D sable est particulièrement bénéfique pour l'industrie de la fonderie, car elle offre un moyen plus rapide et plus rentable de créer des moules et noyaux en sable grands et complexes pour la coulée de métal.

3 industries qui peuvent bénéficier de l'impression 3D à grande échelle

Comme nous l'avons vu, la capacité d'imprimer en 3D de grandes pièces offre aux entreprises une gamme d'avantages. Ci-dessous, nous examinerons comment trois industries différentes peuvent tirer parti de l'impression 3D à grande échelle pour accélérer la production, réduire les délais, diminuer le gaspillage de matière et créer de nouvelles géométries inaccessibles avec la fabrication traditionnelle.

Aérospatial

Pour l'industrie aérospatiale, l'impression 3D a, dans l'ensemble, été utilisée pour produire des pièces et de l'outillage de petite et moyenne taille, aidant les fabricants à gagner du temps et à réduire les coûts.

Cependant, l'impression 3D grand format offre également des opportunités uniques pour le secteur. Les avantages incluent la réduction des longs délais et du gaspillage de matière.

Typiquement, la production de grandes pièces structurelles avec des méthodes traditionnelles comme le forgeage et l'usinage peut prendre jusqu'à un an. En plus des longs délais, les méthodes soustractives traditionnelles peuvent également générer beaucoup de gaspillage de matière — jusqu'à 80 % dans certains cas.

L'impression 3D à grande échelle, en revanche, peut être utilisée pour produire des pièces en une fraction du temps et avec un gaspillage de matière réduit. Plus important encore, la technologie peut imprimer des composants multi-pièces en une seule pièce — une technique connue sous le nom de consolidation de pièces. Avec cette approche, les temps d'assemblage peuvent être considérablement réduits.

Focus : Lockheed Martin imprime des pièces aérospatiales en 3D

L'une des technologies d'impression 3D grand format les plus couramment utilisées dans l'industrie aérospatiale est la technologie EBAM de Sciaky. Une raison clé de son utilisation dans les applications aérospatiales est sa capacité à produire des pièces haute performance jusqu'à 6 m de haut et 1,2 m de large bien plus rapidement que ne le permettraient les techniques de fabrication traditionnelles.

Le géant mondial de l'aérospatiale et de la défense, Lockheed Martin, a été parmi les premiers à utiliser l'EBAM, utilisant la technologie depuis 2014. Grâce à cette capacité d'impression 3D grand format, l'entreprise est capable d'imprimer en 3D d'énormes dômes en titane, chacun mesurant 116 cm de diamètre, pour ses réservoirs de carburant de satellites.

Qualifiés l'été dernier, les dômes imprimés en 3D ont été développés dans le cadre d'un programme de développement pluriannuel visant à créer des réservoirs haute pression pour transporter le carburant à bord des satellites. Le réservoir de carburant du satellite se compose d'un cylindre en titane fabriqué traditionnellement qui forme le corps et de deux dômes imprimés en 3D qui servent de bouchons. Les trois pièces sont soudées ensemble pour former le vessel final.

En tirant parti de la capacité de l'EBAM à déposer la quantité exacte de matière nécessaire, Lockheed Martin a pu réduire le gaspillage de matière de 80 %. De plus, la vitesse de dépôt élevée du système EBAM, pouvant atteindre jusqu'à 11 kg par heure, a permis au fabricant de livrer les dômes en trois mois au lieu de deux ans — une réduction stupéfiante de 87 % du délai d'exécution.

Lockheed Martin estime que de tels réservoirs sont une étape vers la transformation de la façon dont l'entreprise conçoit et livre la technologie spatiale. Et l'impression 3D grand format joue un rôle clé pour aider l'entreprise à avancer dans cette direction.

Focus : Bell Helicopters utilise l'impression 3D pour créer de l'outillage de pales de grande taille

Alors que Lockheed Martin a trouvé des cas d'utilisation pour l'impression 3D métal à grande échelle dans la production de pièces finales, l'impression 3D polymère change la donne pour la production d'outillage chez Bell.

Dans l'industrie aérospatiale, la production d'outillage peut être un processus long et coûteux. Cherchant à surmonter ces défis, Bell s'est tournée vers la technologie LSAM de Thermwood pour produire de grands moules pour pales d'hélicoptère.

Les exigences clés pour l'outillage étaient une bonne finition de surface, des tolérances serrées et la capacité de résister au traitement en autoclave — une technique qui aide à renforcer les pièces composites qui seront exposées à une pression et une température élevées.

Le LSAM était idéal pour une telle application pour deux raisons principales. Premièrement, il a permis de fabriquer l'outil de 6 m de long à partir d'un matériau PESU renforcé de carbone haute performance, capable de résister à des pressions et températures élevées. Deuxièmement, puisque le LSAM est une technologie hybride, une pièce peut être imprimée en 3D et finie sans avoir besoin d'une seconde machine — contribuant à accélérer encore le processus de production.

Ces avantages ont permis à Thermwood de fabriquer l'outil en seulement quelques jours, contre des mois avec les processus traditionnels.

De plus, la technologie additive a permis de concevoir des structures de support internes de manière à ce qu'elles ne touchent pas le dos de la cavité du moule. En conséquence, l'air pouvait circuler librement sous toute la pièce formée dans l'autoclave — ce qui aide à polymériser la pièce de manière plus uniforme.

Cette réalisation montre les nouvelles possibilités de conception que l'impression 3D à grande échelle débloque pour les composants aérospatiaux grands et techniquement complexes.

Construction

Bien que l'impression 3D dans l'industrie de la construction en soit encore à un stade précoce d'adoption, la technologie offre un potentiel prometteur pour le secteur.

Par exemple, l'une des tendances émergentes pour l'impression 3D dans la construction est les coffrages préfabriqués imprimés en 3D.

Dans la construction, le coffrage désigne un moule temporaire dans lequel le béton est coulé et formé. Les coffrages sont utilisés pour créer tout, des ponts aux fondations et aux murs d'un bâtiment.

Typiquement, le coffrage peut être produit manuellement en bois. Cependant, le coffrage en bois n'est pas particulièrement durable et commence souvent à se dégrader après 15 à 20 coulées. De plus, le processus manuel limite inévitablement la portée des formes et géométries possibles à ce qu'il est humanement possible de produire.

Dans un tel scénario, l'impression 3D à grande échelle peut simplifier considérablement le processus de création de coffrage tout en permettant une plus grande complexité et durabilité pour les grandes structures de moules.

Focus : Les moules préfabriqués imprimés en 3D transforment la façade d'un immeuble de 42 étages

Un exemple récent d'utilisation de coffrage imprimé en 3D concerne un projet de rénovation à grande échelle pour un immeuble résidentiel et commercial de 42 étages à New York.

Gate Precast, une entreprise qui travaillait sur la nouvelle façade du bâtiment, a constaté que la création de moules en bois pour le projet serait une entreprise majeure pouvant prendre jusqu'à 9 mois. Les moules requis étaient grands — certains mesurant jusqu'à 2,6 x 1,7 x 0,5 m, ce qui s'ajoutait aux longs temps de production.

Pour accélérer le processus, l'entreprise a décidé d'expérimenter l'impression 3D, en s'associant au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) pour utiliser sa technologie BAAM.

Grâce au BAAM, l'entreprise a pu imprimer des moules entre 8 et 11 heures chacun, avec 8 heures supplémentaires d'usinage pour obtenir la finition de surface souhaitée. Les moules étaient faits d'ABS renforcé de fibres de carbone, un thermoplastique courant mélangé à des fibres de carbone hachées pour une résistance supplémentaire.

Le résultat est un moule solide qui peut supporter jusqu'à 200 coulées de béton dans sa durée de vie, contre 15-20 coulées pour un moule en bois.

L'entreprise estime que sans les moules imprimés en 3D et le BAAM, il aurait été impossible de créer les formes dans le délai requis pour ce projet.

Dans ce cas, l'impression 3D a apporté de la valeur en produisant des moules plus durables et plus complexes dans un délai plus court.

Cela dit, bien que cette approche pour créer des moules de coffrage ait ses avantages, l'impression 3D ne va pas remplacer le coffrage en bois. Pourtant, ce projet prouve que l'impression 3D de grandes pièces offre une gamme d'avantages pour l'industrie de la construction, offrant aux architectes une alternative viable de fabrication de moules préfabriqués.

Fonderie

L'impression 3D grand format attire de plus en plus l'attention dans l'industrie de la fonderie. L'activité de fonderie implique la production de pièces moulées en métal en faisant fondre et en versant du métal dans des moules et noyaux spécialement formés.

En ce qui concerne les procédés de coulée de métal, la technologie peut aider à contourner les aspects coûteux et chronophages de la création de modèles, noyaux et moules.

Prenons la coulée de métal conventionnelle comme exemple. Pour passer d'un dessin à la production de moules et modèles précis et, enfin, à la pièce moulée finie, cela peut prendre des mois. Les fonderies devront également généralement stocker les moules en inventaire, ce qui peut être coûteux dans le cas de moules plus grands ou rarement utilisés.

Une pénurie de modeleurs et fabricants de moules qualifiés est un autre défi auquel les fonderies sont souvent confrontées.

L'impression 3D peut être utilisée comme un outil au sein de l'industrie de la coulée de métal pour aider à relever les défis ci-dessus. L'un des avantages de la technologie réside dans le processus de construction de moules considérablement simplifié. Puisque l'impression 3D ne nécessite qu'un fichier de conception, le processus de fabrication de moules manuel et l'assemblage des noyaux complexes peuvent être éliminés.

Rationaliser la production de cette manière permet à une fonderie de créer des moules et modèles en quelques jours au lieu de semaines et de mois. De plus, l'impression 3D peut être utilisée pour produire des moules à la demande, aidant une entreprise à minimiser son inventaire physique et donc ses coûts d'entreposage.

Focus : Teignbridge fabrique des hélices avec des modèles de coulée imprimés en 3D

Teignbridge se spécialise dans la fabrication d'hélices sur mesure et de systèmes de propulsion pour navires pour remorqueurs, yachts de luxe, chalutiers et ferries. Depuis sa fondation il y a 40 ans, l'entreprise utilise le processus de coulée en plusieurs étapes dans la production de ses produits.

L'une des étapes consiste à fabriquer un modèle, un modèle de l'objet final. Le modèle est placé dans une boîte à sable pour créer un moule. Souvent, c'est un processus intensif en main-d'œuvre et chronophage qui nécessite d'abord le fraisage d'un modèle à partir d'un bloc de bois ou de polystyrène.

Pour réduire le temps nécessaire à la création d'un modèle, Teignbridge a décidé d'opter pour l'impression 3D FDM grand format, en utilisant l'imprimante 3D BigRep ONE de BigRep.

Avoir une imprimante 3D avec une si grande enveloppe en interne permet à Teignbridge d'imprimer le modèle plastique entier en une seule fois et apporte des avantages tangibles de réduction du temps de cycle et de la main-d'œuvre.

Par exemple, en utilisant une approche traditionnelle pour fabriquer un modèle, un opérateur CNC qualifié peut passer jusqu'à 20 heures sur le fraisage, l'assemblage de sections et le post-traitement. L'impression 3D, en revanche, permet à Teignbridge d'automatiser le processus de fabrication de modèles, réduisant la main-d'œuvre de 90 %.

Dans la coulée de métal, l'impression 3D est de plus en plus utilisée comme une méthode alternative pour produire des modèles et des moules.

En plus de l'impression 3D FDM grand format, les entreprises ont également une option d'impression 3D sable. Les imprimantes 3D sable éliminent l'étape de fabrication du modèle en créant un moule en sable directement.

Bien que les systèmes d'impression 3D sable puissent être aussi grands que 4000 x 2000 x 1000 mm, ils ont tendance à être assez chers. Cela dit, les entreprises commencent à reconnaître les avantages des modèles et moules imprimés en 3D, car ils rendent le processus de coulée plus rapide, plus flexible et plus rentable.

De grandes opportunités avec l'impression 3D à grande échelle

L'impression 3D grand format reste actuellement une technologie de niche. L'une des raisons principales peut résider dans le fait que de nombreuses entreprises ne sont toujours pas conscientes des avantages et des possibilités de la fabrication additive en général, sans parler de son aspect grand format. En conséquence, les entreprises peinent à trouver un cas d'affaires approprié.

Compliquant la situation, de nombreux systèmes d'impression 3D grand format restent prohibitivement chers. En conséquence, les entreprises qui voudraient expérimenter la technologie pour trouver la bonne application ne peuvent pas se le permettre.

Heureusement, cela commence à changer, car le marché de l'impression 3D à grande échelle continue de croître, offrant des options plus abordables comme les imprimantes 3D de BigRep.

En fin de compte, la technologie d'impression de pièces plus grandes a le potentiel de s'étendre à d'autres marchés et applications. L'automobile pourrait en être un.

Les constructeurs automobiles pourraient utiliser l'impression 3D grand format pour prototyper des pièces plus grandes telles que des ailerons et des panneaux de carrosserie, qui sont difficiles à imprimer avec les machines actuelles.

« Tout véhicule est composé de nombreux petits composants qui s'adaptent bien aux enveloppes de construction des machines d'aujourd'hui », déclare Harold Sears de Ford Motor Company, s'entretenant avec AMFG lors d'une récente interview. « Mais il y a aussi beaucoup de composants plus grands qui ne rentrent tout simplement pas aujourd'hui. Nous aimerions vraiment voir les fabricants envisager d'autres systèmes avec une enveloppe de construction plus grande. »

Clairement, la demande pour l'impression 3D grand format est là, motivée par les avantages de réduction des délais et des coûts. Maintenant, l'industrie doit continuer à faire progresser la technologie pour combler ce besoin, permettant à d'autres industries de s'ouvrir à de plus grandes opportunités, littéralement et figurativement.