Pourquoi l'impression 3D révolutionne la fabrication moderne

Il y a eu un énorme battage médiatique autour de la fabrication additive (et de l'impression 3D) ces dernières années. Mais la technologie est-elle vraiment réalisable pour tous les fabricants ? Cela dépend.

Des parties du corps aux maisons, l'impression 3D, aussi appelée fabrication additive dans le secteur manufacturier, est passée rapidement d'une mode technologique digne des gros titres pour les consommateurs à un moyen viable et accessible de construire des choses, comme des implants médicaux, des pièces automobiles et aéronautiques, et des prototypes en plastique pour les designers industriels.

Qu'est-ce que la fabrication additive exactement ? La MIT Technology Review la décrit comme la version industrielle de l'impression 3D où une machine « construit un objet en ajoutant des couches ultraminces de matériau les unes après les autres. » Plutôt que l'usinage traditionnel qui soustrait ou enlève des éléments du matériau existant (comme dans le travail des métaux conventionnel, le fraisage et l'usinage CNC) — la fabrication additive construit à partir de zéro.

Quels sont les avantages de la fabrication additive ? Elle offre aux entreprises des options plus larges pour innover et personnaliser la fabrication aux besoins d'outillage interne et de pièces et matériaux clients — et réduire les coûts en « diminuant la quantité de matière perdue pendant la fabrication, améliorant le rendement produit, et/ou réduisant les apports en main-d'œuvre », selon Deloitte University Press dans un article détaillant les applications 3D pour l'outillage.

Impression 3D : l'adoption de la fabrication additive est en hausse

Selon une étude de PwC et du Manufacturing Institute, environ deux tiers des fabricants ont déjà adopté la technologie sous une forme ou une autre, et plus de la moitié l'utilisent déjà pour le prototypage — un bond significatif par rapport à il y a seulement deux ans, où 35 % des fabricants essayaient la technologie.

Et comme le suggère l'enquête, les fabricants supposent que la croissance rapide autour de l'additif ne fera qu'accélérer. Plus de la moitié des fabricants s'attendent à ce que la fabrication additive soit utilisée pour la production de grands volumes dans les cinq prochaines années, contre seulement 38 % il y a deux ans.

Le marché de la fabrication additive pour les métaux soutient ces conclusions. Selon la recherche « Additive Manufacturing with Metal Powders 2017 » de SmarTech Publishing, le marché des systèmes de fabrication additive et des matériaux en poudre métallique était de plus de 950 millions de dollars en 2016 — et devrait croître jusqu'à 6,6 milliards de dollars d'ici 2026.

Défis de l'impression 3D, fabrication additive : temps et coût

Malgré le battage médiatique considérable autour de la fabrication additive, il y a des limites à comprendre. Premièrement, la fabrication additive peut être lente à produire. Produire le genre de volume qu'on obtient avec l'usinage CNC en métaux n'est pas une comparaison pomme-pomme.

« Pour les métaux, c'est un autre problème », dit Gordon Styles, fondateur et président de Star Rapid, dans une interview avec Engineering.com. « Il n'y a aucun intérêt à imprimer en 3D quelque chose qui est conçu pour l'usinage CNC ; ce sera naturellement beaucoup plus lent à imprimer car le temps d'impression est relatif au volume de matériau. La plupart des pièces métalliques conçues pour le CNC sont volumineuses et prennent donc beaucoup de temps sur une imprimante 3D. »

Plusieurs entreprises travaillent à accélérer le processus, note Styles. Mais cette technologie améliorée suscitera un autre défi de taille pour les entreprises : le coût. La fabrication additive peut être coûteuse, il est donc important de comprendre tous les « leviers de coût », trouve Jason T. Ray, consultant en stratégie industrielle de fabrication avancée.

« En raison du caractère nouveau de la FA [fabrication additive] et des coûts d'investissement initiaux élevés pour acheter les machines, les cas d'utilisation se transforment souvent en un marteau cherchant des clous, plutôt qu'en un processus piloté par l'analyse coûts-avantages », note Ray dans l'article « Calculating the Cost of Additive Manufacturing » pour le magazine Disruptive. « Quand cela arrive, l'accent sur la reconception est réduit, et les entreprises finissent par produire des composants conçus à l'origine pour les méthodes de fabrication traditionnelles et ne capturent ainsi qu'une fraction des avantages d'utilisation finale associés à la FA. »

Mais comme l'a trouvé un rapport de l'Université de Nottingham, ce ne sera pas le cas pour toujours. Leur théorie : à mesure que la technologie des machines devient plus avancée, le cas économique pour adopter l'additif en production devient plus réalisable. Cependant, tant que les machines restent les mêmes, le coût continuera de rester élevé.

« Bien que nous soyons limités aujourd'hui, dans 10 ans nous verrons des centaines de matériaux disponibles », a dit Styles à Engineering.com. « Le problème n'est pas vraiment la disponibilité des matériaux, c'est le temps et l'effort requis pour changer de matériau. Aujourd'hui, il faut environ 24 heures pour reconfigurer une machine pour un nouveau matériau. »

Cependant, il y a des cas où l'usinage CNC pourrait être plus coûteux que la fabrication additive. Mais il n'y a qu'un seul moyen sûr de le savoir.

« La meilleure façon est simplement d'obtenir un devis pour les deux processus auprès de votre fournisseur de prototypage rapide », explique Styles. « Une règle empirique, toutefois, est celle-ci : si la pièce peut être usinée en CNC, alors il est probablement moins cher de l'usiner en CNC — et dans 90 % des cas, c'est vrai. »

Pour couronner le tout, Styles souligne aussi que certains matériaux additifs pourraient nécessiter un travail supplémentaire d'usinage CNC, ce qui inclurait le retrait des supports. Et de plus, la chaleur présente probablement le problème le plus important de tous, menaçant de, littéralement, déchirer les produits.

Impression 3D en usine : plastique, pièces, outillage, hybride

Défis mis à part, pour le prototypage en plastique, la fabrication additive peut avoir des avantages majeurs. Lors de l'usinage CNC pour le prototypage en plastique, le problème réside dans ses fraises cylindriques, qui rendent difficile l'usinage des coins carrés internes communs dans ce type de designs. Avec l'impression 3D, les opportunités de personnalisation — et d'essais-erreurs en prototypage — ont du sens pour les concepteurs de produits, pièces et outillages.

La fabrication additive est « idéale pour de faibles volumes nécessitant un délai rapide et bénéficiant d'économies en préparation, outillage et temps de prép similaires même si les temps réels par pièce peuvent être bien plus élevés qu'avec un processus purement soustractif », trouve Bob Warfield, CEO et fondateur de CNC Cookbook, dans un article sur l'usinage hybride (où les processus additifs et soustractifs coexistent).

Le cas de la fabrication additive pour pièces et outillage

Les cas d'utilisation réels de la fabrication additive méritent l'attention. Plusieurs grands fabricants industriels tirent plein parti du potentiel de l'additif. Voici plusieurs exemples de grands acteurs industriels.

GE s'attend à économiser de l'argent sur les 25 000 buses à carburant pour moteurs LEAP qu'il produit annuellement de plusieurs façons. Premièrement, les techniques additifs utilisent moins de matériau pendant la production. Les techniques conventionnelles nécessitaient 20 pièces à souder méticuleusement — et elles produisaient une tonne de matériel mis au rebut, gaspillé, note MIT Technology Review.

« [L]a décision de produire en série une pièce critique en alliage métallique pour être utilisée dans des milliers de moteurs à réaction est une étape importante pour la technologie », écrit Martin LaMonica de MIT Technology Review. « Et si l'impression 3D pour les consommateurs et petits entrepreneurs a reçu beaucoup de publicité, c'est dans la fabrication que la technologie pourrait avoir son impact commercial le plus significatif. »

Le processus additif ici utilise des poudres hybrides métalliques qui sont pulvérisées au laser pour former, ce qui rend la pièce plus légère, menant à des économies de carburant pour les compagnies aériennes. Le processus est moins cher à produire pour le fabricant — et la nouvelle pièce réduit le coût du client, résultant en un vrai gagnant-gagnant.

Dans l'outillage, Deloitte fait un cas convaincant pour l'utilisation de l'additif — détaillant des exemples réels où le prototypage rapide via des processus additifs a réduit significativement les délais pour les fonderies et la fabrication d'outillage interne. Deloitte décrit comment Ford Motor Company a profité de l'additif de manière majeure pour ses moteurs EcoBoost, supports de rotor, carters de transmission et rotors de frein pour le Ford Explorer.

« L'entreprise utilise la FA pour créer rapidement les moules et noyaux en sable utilisés pour la fonderie de pièces prototypes », note Deloitte. « Cela a aidé Ford à réduire le délai jusqu'à quatre mois et a sauvé à l'entreprise des millions de dollars. »

Le cas de l'usinage hybride : additif et soustractif

Parlant d'hybride, les fabricants d'outils de fabrication additive ont commencé à développer des machines hybrides avec des capacités à la fois additives et soustractives — et elles sont impressionnantes à voir. Ces machines « hybrides » associent la liberté géométrique de l'impression 3D à la nature précise de l'usinage CNC.

« Imaginez un cas où vous devez faire des volumes extrêmement faibles de pièces extrêmement sophistiquées, par exemple, des pièces de rechange pour turbines dans une installation de maintenance », écrit Warfield. « Une machine [hybride] comme celle-ci pourrait être idéale. »

Cependant, avec beaucoup de ces nouveaux outils, les fabricants sont limités à la production de pièces uniques et ne peuvent souvent pas produire directement à partir de fichiers numériques — ce qu'ils pourraient accomplir avec des stratégies purement additives.

« Il faut considérer l'impression 3D métal comme une technologie libératrice », insiste Styles. « Vous pouvez maintenant concevoir des pièces apparemment impossibles et les faire fabriquer, mais la clé est de garder le volume de matériau au minimum. »

Pour les grands fabricants, l'additif a un impact. Mais même comme le note Deloitte, cet impact doit être mis dans le bon contexte d'innovation :

« Actuellement, la FA pour la fabrication d'outillage ne révolutionne pas tant la chaîne d'approvisionnement ou le design produit qu'elle n'améliore l'efficacité et l'efficience des chaînes d'approvisionnement et des produits. Cependant, à mesure que la technologie FA continue de s'améliorer et que l'utilisation de la FA pour l'outillage continue d'augmenter, elle pourrait gagner la capacité d'impacter plus directement les chaînes d'approvisionnement et les produits des entreprises en augmentant leur capacité à innover. »

Votre atelier a-t-il adopté la fabrication additive pleinement ? Quels sont vos plus grands défis avec la technologie ? Dites-le-nous dans les commentaires ci-dessous.