Applications innovantes de la fabrication additive : Transformer les industries de haute technologie

L'utilisation de composants logiciels de fabrication additive croît dans les industries de haute technologie. Selon le cabinet d'études de marché MarketsandMarkets (M&M), la production d'imprimantes 3D et les sorties de fabrication additive ont atteint 3,5 milliards de dollars de valeur en 2017. Les principaux adopteurs de la fabrication additive étaient les industries des dispositifs médicaux, aérospatiale et automobile.

Ce n'est pas surprenant. En fabrication additive, le coût d'impression d'une forme complexe est le même qu'un design simple, surtout en petites quantités.

Dispositifs médicaux et chirurgie

Les avantages de la fabrication additive sont une aubaine pour l'industrie médicale. En tirant parti de la fabrication additive, l'industrie médicale construit des implants hautement personnalisés pour applications dentaires et orthopédiques. Puisque la fabrication additive élimine le coût de l'outillage et de la mise en place (requis en fabrication soustractive), les médecins n'ont pas à s'inquiéter des économies d'échelle lorsqu'ils proposent des implants et prothèses personnalisés au patient.

De plus, la fabrication additive a également permis aux fabricants de produire des conceptions très complexes et hautement délicates, comme des articulations conçues pour se connecter aux os humains. Pour produire ces solutions, les imprimantes 3D doivent fabriquer des structures de treillis fractales minuscules dans lesquelles le tissu osseux peut fusionner, fournissant ainsi une connexion solide entre l'implant et l'os. Il n'y a pas d'autre façon de produire de telles formes.

De même, les implants et insertions dentaires impliquent à la fois une personnalisation incroyable et une conception très complexe pour obtenir un ajustement précis. Il y a une précision considérable dans le processus d'implant dentaire. D'abord, cela commence par une radiographie de votre bouche pour examiner vos os. Ensuite, le chirurgien doit percer un trou pour l'implant dentaire. Cependant, le chirurgien doit garantir que l'implant (comme la vis pour l'implant) est parfaitement aligné avec la disposition de vos dents. Grâce à l'impression 3D, les dentistes peuvent maintenant sécuriser des implants faits sur mesure. Ces implants et guides de forage associés sont conçus sur mesure dans un logiciel CAO d'impression 3D spécialisé puis fabriqués avec un haut degré d'automatisation.

Pour la chirurgie cérébrale, les médecins construiront un dispositif sur mesure suivant un scanner CT de leur patient. Comme en dentaire et orthopédie, cela implique de produire un implant qui s'adapte précisément au crâne du patient et guide les outils du chirurgien pendant l'opération. Encore une fois, un logiciel 3D spécialisé a automatisé la conception de ces aides chirurgicales.

Aérospatiale et infrastructures

L'aérospatiale a été un pionnier dans l'adoption de la fabrication additive. Récemment, ses efforts ont abouti à une pièce imprimée en 3D pour une utilisation sur des turboréacteurs commerciaux.

Le turboréacteur LEAP — une coentreprise de General Electric (GE) et Safran Aircraft Engines — est équipé de buses à carburant imprimées en 3D. L'Administration fédérale de l'aviation américaine a autorisé la buse pour une utilisation à bord d'avions commerciaux en 2015. Non seulement cette pièce pèse 25 % de moins que son prédécesseur sur les moteurs de génération plus ancienne, mais selon GE, elle est cinq fois plus durable.

Tout en offrant des avantages substantiels en économie de carburant et réduction d'émissions de carbone sur les avions équipés de moteurs LEAP, la pièce imprimée en 3D rationalise également la chaîne d'approvisionnement de production. L'impression 3D a permis à GE de remplacer 20 pièces différentes par une seule unité. Non seulement cela simplifie le processus de fabrication, mais cela réduit aussi les coûts de maintenance du cycle de vie.

L'utilisation de logiciels CAO et d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) 3D est une pièce essentielle des efforts de conception et développement de l'industrie aérospatiale. GE a tiré parti de la CAO/IAO pour entreprendre les études de conception, simulations et analyses nécessaires pour développer la nouvelle buse et évaluer sa viabilité avant de passer à l'étape de prototypage.

Imaginez les économies de coûts impliquées pour les compagnies aériennes exploitant des douzaines de ces avions, surtout sur une période de 20 ans et plus. Ce sont les avantages directs de la fabrication additive, donc on peut voir comment sa croissance dans la gestion d'autres sous-ensembles et composants étendra les gains pour fabricants, fournisseurs et consommateurs dans une multitude d'autres domaines.

Au-delà de l'optimisation pour la réduction des coûts, l'impression 3D a également permis aux industries d'entreprendre des fabrications très complexes. Considérez les échangeurs de chaleur. Ces dispositifs ont un grand nombre de tubes, ailettes et autres entrées pour faire circuler fluide chaud d'un côté et fluide froid de l'autre. Mais son processus d'assemblage nécessite de souder les ailettes de refroidissement et de les insérer dans une boîte étanche. C'est un processus de fabrication laborieux et chronophage avec une marge considérable d'échec.

Mais avec l'impression 3D, l'échangeur de chaleur peut être fabriqué en un seul coup consolidé. Cela pourrait prendre une période relativement longue pour fabriquer l'unité unique, mais le résultat final est beaucoup plus fiable. Comme LEAP, l'objectif est de consolider le nombre de pièces requises pour l'assemblage en plus d'apporter des améliorations de performance significatives.

L'avenir de la fabrication additive

Les technologies impliquées dans la fabrication additive augmentent en capacité et diminuent en prix. De plus, de nouvelles applications de fabrication additive sont toujours découvertes. Cependant, il reste des obstacles majeurs en matière de contrôle de processus et de prévisibilité du processus.

En termes de contrôle de processus, la fabrication additive manque de normes industrielles pour régir le processus de fabrication de matières premières en pièces finies. La fabrication traditionnelle — y compris la fabrication soustractive — bénéficie de ces normes (par exemple, comportement métallurgique pendant le processus d'usinage,estampage ou forgeage). Il existe des références industrielles standard pour les ingénieurs auxquelles se référer et consulter.

Cependant, l'industrie n'a pas encore construit ces normes pour la fabrication additive. Par exemple, des entreprises aérospatiales individuelles — comme GE — construisent des régimes de contrôle propriétaires pour leurs efforts de fabrication additive, tandis que le fournisseur individuel d'impression 3D manque entièrement de régimes de contrôle et de normes industrielles. Cela peut être remédié au mieux par des organismes de normalisation développant des certifications de conformité communes disponibles pour tous, en particulier les petits fabricants.

Enfin, la prévisibilité du processus reste un défi majeur pour ceux utilisant des imprimantes 3D. Optimiser l'orientation de la pièce, le matériau de support et les paramètres de processus nécessite des essais-erreurs considérables. Mais cela présente aussi une opportunité massive pour ceux développant les outils logiciels utilisés en impression 3D. La simulation basée sur la physique serait un grand pas en avant. Combiner cet élément de simulation avec des informations de processus spécifiques à la machine des fabricants d'imprimantes 3D aidera les fabricants à réduire leurs taux d'erreur et de rebut.

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