Surmonter les 10 principaux défis de la fabrication additive pour la production en 2020 — Insights d'experts

Mis à jour en 2020

La flexibilité de conception, l'efficacité matérielle et la production de faible volume font de la fabrication additive (FA) une option attrayante pour de nombreuses entreprises. Pourtant, pour exploiter pleinement la FA dans un environnement de production, plusieurs obstacles doivent être adressés.

Défis technologiques

1. Vitesses de production lentes

La vitesse reste un facteur critique, surtout pour les industries à haut volume comme l'automobile et les biens de consommation. Les imprimantes 3D traditionnelles sont souvent à la traîne derrière la fabrication conventionnelle en débit.

« La pièce finale est le débit ou la vitesse des machines. [L'automobile] les volumes de production sont considérablement différents de ceux de l'aérospatial ou du médical. Donc nous devons regarder des systèmes capables de produire des pièces en minutes ou secondes plutôt qu'en jours et heures. Tout ce que nous pouvons faire pour pousser la technologie vers des vitesses de construction plus rapides est définitivement ce qui nous aidera aussi. »

Harold Sears, Responsable technique des technologies de fabrication additive chez Ford

Les fabricants investissent massivement dans des solutions haute vitesse. EOS, par exemple, développe Laser Pro Fusion, qui utilisera jusqu'à 1 million de lasers diodes dans un seul système SLS, réduisant potentiellement les temps de construction dramatiquement. En impression métallique, l'impression Multi-niveaux Concurrente (MCP™) d'Aurora Labs permet le dépôt simultané de plusieurs couches — 30 couches en un seul passage, avec un objectif de 100 couches l'an prochain. Leur imprimante PMP1 a atteint 350 kg/jour, une amélioration de vitesse de 2000 % par rapport à l'an dernier.

Bien que ces technologies soient encore en développement, la trajectoire suggère que la FA répondra aux demandes de vitesse de production dans un futur proche.

2. Développement des matériaux et incohérences

« L'industrie de la fabrication additive a définitivement besoin de solutions pour plus de matériaux. L'impression 3D est théoriquement capable de produire des pièces de haute complexité et fonctionnalité, qu'elle soit mécanique, biologique, électrique. Mais faire en sorte que cela arrive se résume à avoir assez d'options de matériaux. »

Simon Fried, Co-fondateur de Nano Dimension

La FA a fait des progrès significatifs dans les matériaux polymères et composites. Les grandes entreprises chimiques — Arkema, BASF, DuPont — développent des polymères renforcés carbone qui rivalisent avec la résistance des métaux. Markforged a introduit Onyx FR, le premier composite ignifuge pour la FA. Les matières premières métalliques voient aussi des progrès, bien que le cycle soit plus long. Malgré la croissance, l'industrie manque encore d'une base de données matériaux complète, menant à des propriétés incohérentes et une répétabilité difficile.

Les organismes de normalisation comme ISO et ASTM établissent des spécifications pour les poudres métalliques (nickel, titane, acier inoxydable), et des collaborations comme America Makes avec Stratasys et NIAR ont produit une base de données ULTEM 9085 pour FDM. Ces efforts aideront les entreprises à sourcer et qualifier les matériaux de manière fiable.

3. Post-traitement manuel

Alors que le prototypage peut tolérer une finition manuelle, la production exige l'automatisation. Les pièces FA métalliques requièrent l'enlèvement de poudre, traitements thermiques de soulagement de contrainte, enlèvement de supports, usinage CNC, et parfois pressage isostatique à chaud pour éliminer la porosité.

« Avec la FA métallique, de nombreuses étapes sont impliquées pour assurer la qualité. Cela inclut l'enlèvement correct de la poudre et le passage par un cycle de chauffage de soulagement de contrainte pour que les pièces ne se déforment pas de la contrainte résiduelle accumulée quand elles sont retirées du plateau de construction. Beaucoup de temps est souvent requis pour couper et meuler les structures de support. D'autres étapes incluent l'usinage CNC et autres travaux de finition, ainsi que le pressage isostatique à chaud, qui aide à assurer que la pièce ne contient aucune porosité. »

Terry Wohlers, Fondateur et Président de Wohlers Associates

Des solutions de post-traitement automatisé émergent — rigs de nettoyage DyeMansion, systèmes de lissage de surface AMT, et unités d'enlèvement de supports PostProcess Technologies. En métallique, la ligne de production entièrement automatisée de Digital Metal démontre comment la robotique peut gérer les boîtes de construction, le post-traitement et la manipulation de pièces, éliminant le travail manuel.

Bien que le progrès soit incrémental, l'expansion des flux de travail automatisés est essentielle pour la production FA à haut volume.

Défis logiciels

4. Capacités limitées de préparation de données

« La conception et la préparation de données sont encore un goulot d'étranglement dans cette industrie alors que l'accent est mis sur les systèmes matériels à productivité plus élevée, avec des solutions logicielles intelligentes étant exclues de cette équation. »

Yves Hagedorn, Directeur général chez Aconity3D

Les outils CAO traditionnels n'étaient pas conçus pour les exigences uniques de la FA — matériaux à gradient, structures en treillis, modélisation de porosité. Les concepteurs exportent souvent vers STL, importent dans Netfabb, puis envoient à la machine, créant des silos de données et erreurs.

« Nous entendons de nombreux clients qu'ils travaillent avec des flux de travail très disjoints. Ils font le processus de conception dans un outil CAO, puis traduisent cela en fichier STL et l'importent dans un processeur de construction, comme Netfabb. De là, cela est envoyé à la machine et la machine collecte des données là-dessus. Donc vous vous retrouvez avec ces silos de données qui ne sont pas bien connectés. »

Robert Yancey, Directeur de la stratégie industrie fabrication et production chez Autodesk

Les grands fournisseurs CAO intègrent des fonctions FA — PTC's Creo 6.0 supporte maintenant la conception et la préparation d'impression dans un environnement unique, et a acquis la firme de conception générative Frustum. GrabCAD de Stratasys et 3DXpert de 3D Systems rationalisent aussi la conversion de données. L'objectif est de permettre aux concepteurs d'itérer dans le système CAO sans échanges de fichiers fastidieux.

Défis d'assurance qualité

5. Variation pièce-à-pièce

« Une autre grande chose que l'industrie doit adresser pour être plus largement acceptée est la variation pièce-à-pièce […] La raison en est que la cohérence du matériau qui sort du système n'est pas nécessairement ce que vous voulez. Vous devez concevoir pour la pièce la plus faible que vous pourriez obtenir, ce qui signifie que vous n'exploitez pas pleinement certaines capacités de la FA. »

Zachary Murphree, VP Partenariats Technologiques chez VELO3D

Les variations proviennent de la chimie des matériaux — taille des particules, forme, contamination — et du contrôle de processus. Les systèmes de contrôle en boucle fermée, avec capteurs et caméras embarqués, peuvent détecter les écarts en temps réel et ajuster les paramètres, réduisant défauts comme piégeage de poudre, microfissures ou manque de fusion.

« Je pense que c'est le Saint Graal pour la FA car avec le contrôle en cours de processus vous êtes capable de réagir presque immédiatement aux déficiences dans votre processus. »

Yves Hagedorn, Directeur général chez Aconity3D

Actuellement, seul un petit pourcentage d'imprimantes disposent de contrôle en boucle fermée, mais la tendance croît à mesure que la FA entre dans les environnements de production.

6. Manque de standards industriels

« Ce serait incroyablement bénéfique pour toutes les parties prenantes si l'industrie avait de meilleurs standards globaux, des standards universellement compris et acceptés. Avec des standards, les entreprises peuvent comparer pomme à pomme et prendre des décisions intelligentes qui peuvent être implémentées dans un écosystème complet de fournisseurs, fabricants et utilisateurs. »

Avi Reichental, Fondateur de XponentialWorks

Les standards sont essentiels pour assurer la qualité des matériaux, processus et produits. ISO et ASTM ont déjà émis 28 normes FA en 2018, avec beaucoup d'autres prévues. Des efforts collaboratifs — comme le partenariat Oerlikon-Boeing pour pièces en titane et le Centre d'Excellence Fabrication Additive d'ASTM — accélèrent la standardisation à travers conception, matière première, processus, post-traitement, test et qualification.

Défis de main-d'œuvre

7. Manque de compréhension et d'expertise

« [L']élément main-d'œuvre est vraiment critique maintenant. Il n'y a pas assez d'ingénieurs, managers, dirigeants qui comprennent vraiment la technologie assez bien pour travailler et développer une stratégie pour en tirer ce dont ils ont besoin. »

John Barnes, Fondateur de The Barnes Group Advisors

Combler le fossé des connaissances est vital. De nombreuses entreprises offrent maintenant des programmes de formation, cours en ligne et centres d'excellence pour former les ingénieurs. Les cabinets de conseil et conférences industrielles disséminent aussi les meilleures pratiques. La clé est d'adapter la bonne technologie à la bonne application, évitant le piège de forcer des designs traditionnels sur des processus FA.

Défis financiers

8. Faire l'investissement initial

Adopter la FA implique plus que d'acheter des imprimantes ; cela nécessite logiciels, matériaux, formation, équipement de post-traitement, certification et mises à niveau d'installations. Le coût initial peut être intimidant.

« Le coût de l'équipement doit baisser pour débloquer la technologie pour des marchés plus larges. »

Armin Wiedenegger, Stratégie & Développement Commercial pour la Fabrication Additive chez voestalpine High Performance Metals GmbH

Des systèmes d'entrée de gamme économiques émergent. L'imprimante composite de Markforged coûte environ 15 000 $ et a livré un retour sur investissement en six mois pour Dunlop Systems, économisant 40 000 £ par an. Les imprimantes métalliques de Desktop Metal, Markforged et Xact Metal vont jusqu'à 150 000 $, une fraction des systèmes à grande échelle. Construire un cas d'affaires autour de gains rapides — réductions de coûts, coupes de délais, économies de poids — peut attirer l'investissement et démontrer le ROI.

Défis de flux de travail et intégration

9. Écosystème FA fragmenté

« L'écosystème FA entier est fragmenté : il y a beaucoup de petites solutions et entreprises qu'il faut assembler pour créer un flux de travail et une solution de bout en bout. »

Dave Conover, Technologue en chef de la fabrication additive chez Ansys

L'intégration à travers conception, construction, post-traitement et chaîne d'approvisionnement est essentielle pour l'évolutivité. Les partenariats — comme l'intégration RIZE et Dassault Systèmes SOLIDWORKS, et l'offre chaîne de valeur complète de Henkel (matériaux personnalisés, imprimantes Loctite, services d'impression) — simplifient les flux de travail. La consolidation par collaboration écosystémique accélère l'adoption.

10. Manque d'infrastructure numérique

Une production FA efficace nécessite une colonne vertébrale numérique adaptée à ses flux de travail uniques. Les solutions IT de fabrication traditionnelles font souvent défaut. Les logiciels dédiés de gestion de flux de travail FA suivent les demandes, imprimabilité, analytiques machine, planification, post-traitement et communication fournisseurs.

Un système centralisé fournit traçabilité, planification production et synchronisation des données, permettant une intégration transparente dans un environnement de fabrication numérique.

L'industrie en évolution

Au cours de la dernière décennie, la FA a évolué d'un outil de prototypage à une technologie de production viable. Les innovations en vitesse, science des matériaux, automatisation, standards et développement main-d'œuvre pilotent ce changement. Alors que les entreprises collaborent, standardisent et investissent stratégiquement, la fabrication additive continuera de mûrir et s'étendre à travers les secteurs.

Lisez notre précédente Table ronde d'experts sur l'avenir de l'impression 3D industrielle pour plus d'insights.