Fabrication additive vs soustractive : différences clés expliquées

La fabrication est une étape cruciale de la production qui convertit réellement les matières premières ou les rebuts en produits désirés en y ajoutant une valeur substantielle. Plusieurs procédés de fabrication existent pour répondre au besoin de traiter une grande variété de matériaux de manière extensive. Le besoin croissant de produits miniaturisés avec une meilleure qualité de surface et plus de fonctionnalités intégrées a ouvert la voie au développement rapide de la fabrication et, par conséquent, divers procédés sophistiqués ont évolué qui peuvent traiter les matériaux efficacement pour mieux répondre à la demande du marché actuel. Le champ de la fabrication s'est également étendu progressivement pour couvrir un vaste domaine allant des secteurs industriels traditionnels aux entreprises avancées basées sur les produits ou les services pour contribuer adéquatement à leurs exigences.

Divers partisans ont tenté de classer tous les procédés de fabrication de manière systématique ; cependant, dans de nombreux cas, une telle classification ne parvient pas à englober sans ambiguïté les nouveaux procédés développés. En considérant tous les procédés pertinents, la fabrication peut être catégorisée en cinq groupes suivants :

• Procédés de moulage : Ici, la matière première est fondue pour être versée dans une cavité pré-construite et la même est laissée subir une solidification. Ainsi, un produit avec la forme inverse de la cavité est obtenu. Ce procédé ancestral est approprié pour donner une forme de base au composant car il ne peut ni produire des formes complexes ni donner des surfaces lisses. Tous les procédés de moulage et de moulage sous pression (comme le moulage en sable, la coulée sous pression, le moulage par injection, etc.) suivent ce principe de base.
• Procédés d'assemblage : Ici, deux ou plusieurs composants solides peuvent être joints soit temporairement, soit de manière permanente. L'assemblage peut être accompli soit par fusion pour former une coalescence, soit avec l'aide d'autres éléments mécaniques. Le soudage, le rivetage, le brasage, le brasage fort, le couplage, l'assemblage par ajustement, le collage adhésif, la fixation, le joint à clavette, le joint à rotule, etc. relèvent de l'assemblage. Les procédés de démontage relèvent également de cette catégorie.
• Procédés de modification : Ici, les propriétés du matériau ou la forme de base peuvent être altérées par divers moyens pour mieux correspondre aux exigences. Divers procédés de formage comme le forgeage, le laminage, l'étirage, l'extrusion, etc. sont utilisés pour la transformation de forme ; tandis que le traitement thermique, le traitement cryogénique, le revêtement, etc. sont utilisés pour modifier les propriétés des composants.
• Procédés additifs : Ici, des couches de matériau sous forme semi-solide sont ajoutées les unes sur les autres pour construire directement un composant tridimensionnel véritable ayant les caractéristiques requises et une précision accrue. Ainsi, cela élimine le besoin de post-traitement ; cependant, de tels procédés sont adaptés aux composants de petite taille. Les procédés de prototypage rapide (comme l'impression 3D, la stéréolithographie, le frittage sélectif par laser, etc.) suivent le principe additif.
• Procédés soustractifs : Comme son nom l'indique, ici, le matériau est retiré couche par couche à partir d'une pièce brute solide pour finalement produire le produit prévu. Donc, il y a gaspillage de matériau. L'usinage ou les procédés de coupe des métaux suivent le principe soustractif. Les exemples incluent le tournage, le façonnage, le fraisage, le perçage, le meulage, le rodage, le fraisage par jet abrasif, l'électroérosion, le fraisage par faisceau laser, etc.

Tableau : Différences entre fabrication additive et soustractive

Fabrication additive	Fabrication soustractive
Ici, des couches de matériau sont ajoutées les unes sur les autres pour construire un composant 3D.	Ici, des couches de matériau sont retirées d'un bloc solide pour obtenir le composant 3D souhaité.
Elle convient aux matériaux ayant un point de fusion bas.	Le point de fusion ne pose généralement aucune restriction.
La densité volumique du matériau de travail peut être modifiée pendant l'opération.	La densité volumique du matériau de travail ne peut pas être modifiée pendant l'opération.
Aucun gaspillage de matériau ne se produit.	Le gaspillage de matériau se produit sous diverses formes comme les copeaux, la vaporisation, etc.
Les procédés additifs conviennent à une gamme étroite de matériaux.	Les procédés soustractifs n'imposent aucune restriction sur le matériau de travail.
Elle convient aux composants de petite taille. Elle ne peut pas accommoder de grands composants.	Elle peut traiter des objets de petite à grande taille.
Toute forme complexe peut être produite directement par ces procédés.	La complexité du composant impose une restriction sur sa faisabilité.
Des parties creuses internes entièrement fermées peuvent être fabriquées facilement.	Une cavité entièrement fermée ne peut pas être produite.
Les procédés additifs sont longs et nécessitent un équipement sophistiqué, un ouvrier expérimenté et un contrôle d'environnement strict.	Les procédés soustractifs sont efficaces en temps, économiquement moins chers et ergonomiquement plus confortables.

Philosophie d'addition et de soustraction

Les deux philosophies sont utilisées pour produire de véritables composants ou caractéristiques tridimensionnels avec une précision dimensionnelle améliorée et une tolérance serrée ; cependant, elles diffèrent dans leurs approches. La fabrication additive suit le principe d'ajout de matériau couche par couche les unes sur les autres selon le design pour finalement construire le produit ayant les caractéristiques prévues. Ainsi, le processus commence avec une hauteur nulle (pas de matériau) et sa hauteur augmente progressivement à mesure que les couches sont déposées. Le matériau est généralement déposé sous forme semi-solide et la couche suivante est ajoutée une fois que la couche précédente est complètement sèche. Contrairement à cela, dans la philosophie de fabrication soustractive, le matériau est retiré couche par couche à partir de l'emplacement souhaité d'un bloc solide pour finalement obtenir le composant désiré. Ainsi, le processus commence avec un bloc de matière première solide et le matériau est retiré de celui-ci pour créer les caractéristiques prévues. Le matériau peut être retiré de plusieurs façons (comme le cisaillement sous forme de copeaux solides, la fusion et la vaporisation, l'ionisation, le pulvérisation, etc.) en fonction du procédé employé.

Point de fusion du matériau de travail

Avec les procédés additifs, le matériau de travail doit soit fondre, soit devenir plastique par chauffage. Un matériau avec un point de fusion plus élevé consommera plus de chaleur pour devenir plastique (semi-solide) afin qu'il puisse être ajouté sur la couche précédente. Ainsi, il est préféré pour les matériaux à bas point de fusion comme le plastique ou le PMMA. Cependant, le point de fusion n'est pas un facteur considérable pour le traitement des matériaux d'ingénierie par des méthodes soustractives car le matériau est retiré sous forme solide ou par ionisation. Dans de tels procédés d'usinage non traditionnels à énergie thermique où le matériau est retiré par fusion et vaporisation, l'intensité d'énergie du faisceau reste toujours excessivement supérieure au point de fusion des matériaux. Par exemple, en EDM, la température localisée dépasse 10 000 °C, ce qui est bien supérieur à 3 422 °C (point de fusion du titane, le plus haut parmi tous les métaux).

Manipulation de la densité volumique

Le plus grand avantage des procédés additifs est la possibilité de modifier la densité du matériau de travail pendant le dépôt des couches. Ici, une densité dans une plage de 20 à 100 % peut être adoptée et le volume global du matériau peut être modifié de manière contrôlée. Cela peut, d'une part, réduire la consommation de matériau et, d'autre part, réduire substantiellement le poids du composant, principalement sans sacrifier la résistance de la paroi. Une telle facilité ne peut pas être obtenue avec les procédés soustractifs, car la densité du matériau de travail reste la même tout au long de l'opération. Ainsi, le poids du composant ne peut pas être réduit une fois que le bloc de matière première de base est sélectionné.

Gaspillage de matériau

Avec les procédés additifs, une fine couche de matériau est ajoutée sur la couche précédente selon le design (conception assistée par ordinateur, comme la CAO). Ainsi, lorsqu'il y a une cavité ou une caractéristique en forme de fente, le matériau n'est pas déposé à cet endroit. Le dépôt répété de matériau en couches selon le design produit finalement l'objet 3D prévu. Aucun post-traitement supplémentaire n'est effectué ; donc aucun gaspillage de matériau ne se produit. Avec les procédés soustractifs, l'excès de matériau est progressivement retiré du matériau de base ; cependant, un tel retrait peut se produire sous diverses formes (comme les copeaux solides, la fusion et la vaporisation, l'ionisation, le pulvérisation, etc.) en fonction du procédé employé.

Adéquation

Jusqu'à présent, avec le développement complet de la technologie, les procédés additifs conviennent à des matériaux sélectifs tels que le plastique et le PMMA. De plus, ils ne peuvent pas manipuler des objets plus grands ; la capacité du système est généralement limitée à 2 kg. Cependant, les procédés soustractifs peuvent manipuler une grande variété de matériaux. Certaines propriétés mécaniques, électriques et thermiques (comme la dureté, la fragilité, la conductivité électrique, le point de fusion, etc.) imposent des restrictions sur l'usinabilité pour un procédé particulier, mais de telles limitations peuvent être surmontées en employant un autre procédé. Ces procédés sont également capables de manipuler efficacement des objets plus grands.

Production de formes complexes et de pièces creuses

Dans les procédés additifs, le dessin CAO est d'abord tranché en couches minces (l'épaisseur de la couche dépend de la précision dimensionnelle et de la finition de surface souhaitées) et ensuite le matériau est ajouté couche par couche les unes sur les autres. Ainsi, toute forme complexe peut être prise en compte lors du tranchage et des étapes de dépôt de matériau subséquentes, et élimine ainsi le besoin de post-traitement. Il peut même produire des pièces creuses internes, comme une cavité entièrement fermée. Les procédés soustractifs ont une capacité limitée à produire des formes complexes. Ils ne peuvent pas créer de cavité entièrement fermée.

Aspects industriels

Les procédés additifs sont longs car le temps de dépôt des couches et le temps de séchage subséquent y sont associés. Cependant, lors de la fabrication de petits objets ayant des formes complexes et une haute précision (par exemple, un prototype), ils peuvent être efficaces en temps et en coûts, surtout si la quantité de production est très faible. Un contrôle strict de l'environnement de l'atelier est également souhaité dans de nombreux cas. Bien que les procédés additifs émergent comme une alternative appropriée aux procédés soustractifs dans certains domaines, pour la production de masse de grands objets avec des formes simples, les procédés soustractifs peuvent largement surpasser leur rival.

Une comparaison scientifique entre la fabrication additive et la fabrication soustractive est présentée dans cet article. L'auteur vous suggère également de consulter les références suivantes pour une meilleure compréhension du sujet.

1. Additive Manufacturing of Metals: The Technology, Materials, Design and Production par L. Yang, K. Hsu, B. Baughman, D. Godfrey, F. Medina, M. Menon et S. Wiener (1^re édition, Springer).
2. Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing par A. Gebhardt et J. Hötter (1^re édition, Hanser).
3. Newman et al. (2015) ; Process planning for additive and subtractive manufacturing technologies ; CIRP Annals ; Vol. 64 (1) ; pp. 467-470.