Le cas de l'impression 3D dans le secteur manufacturier

Il y a eu énormément de 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, également connue sous le nom d'additif dans le secteur de la fabrication, est rapidement passée d'une mode technologique digne des gros titres pour les consommateurs à un moyen viable et accessible de construire des choses, telles que 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 ? Le MIT Technology Review la décrit comme la version industrielle de l'impression 3D où une machine "construit un objet en ajoutant des couches ultrafines de matériau une par une". Plutôt que le travail d'usinage traditionnel qui soustrait ou supprime des éléments du matériau existant (comme dans le travail conventionnel des métaux, le fraisage et l'usinage CNC), la fabrication additive se construit à partir de zéro.

Quels sont les avantages de la fabrication additive ? Il offre aux entreprises des options plus larges pour innover et personnaliser la fabrication en fonction de l'outillage interne et des besoins en pièces et matériaux des clients, et pour réduire les coûts en "diminuant la quantité de matériau perdu pendant la fabrication, en améliorant le rendement du produit et/ou en réduisant les intrants de main-d'œuvre", selon à 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 The Manufacturing Institute, environ les 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 seulement deux ans auparavant, avec 35 pour cent des fabricants testent la technologie.

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

Le marché de la fabrication additive pour les métaux corrobore ces conclusions. Selon l'étude "Additive Manufacturing with Metal Powders 2017" de SmarTech Publishing, le marché des systèmes de fabrication additive et des matériaux en poudre métallique dépassait les 950 millions de dollars en 2016 et devrait atteindre 6,6 milliards de dollars d'ici 2026.

Impression 3D, défis de la fabrication additive :temps et coût

Malgré l'énorme battage médiatique autour de la fabrication additive, il y a certaines limites à comprendre. Premièrement, la fabrication additive peut être lente à produire. Produire le type de volume que vous obtenez avec l'usinage CNC dans les métaux n'est pas une comparaison de pommes à pommes.

"Pour les métaux, c'est un problème différent", déclare Gordon Styles, fondateur et président de Star Rapid, dans une interview avec Engineering.com. « Il est inutile d'imprimer en 3D tout ce qui est conçu pour l'usinage CNC; il sera naturellement beaucoup plus lent à imprimer car le temps d'impression est relatif au volume de matière. La plupart des pièces métalliques conçues pour la CNC sont volumineuses et prennent donc beaucoup de temps sur une imprimante 3D.”

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

"En raison de la nouveauté de la FA [fabrication additive] et des coûts d'investissement initiaux élevés nécessaires pour acheter les machines, les cas d'utilisation se transforment souvent en un marteau à la recherche de clous, plutôt qu'en un processus axé sur les coûts-avantages", note Ray dans l'article " Calcul du coût de la fabrication additive » pour le magazine Disruptive. "Lorsque cela se produit, l'accent mis sur la reconception est réduit et les entreprises finissent par produire des composants initialement conçus pour les méthodes de fabrication traditionnelles et ne captent donc qu'une fraction des avantages d'utilisation finale associés à la FA."

Mais comme l'a révélé un rapport de l'Université de Nottingham, cela pourrait ne pas être le cas pour toujours. Leur théorie :à mesure que la technologie des machines devient plus avancée, les arguments économiques en faveur de l'adoption d'additifs dans la production deviennent plus réalisables. Cependant, tant que les machines resteront les mêmes, le coût restera élevé.

"Bien que nous soyons limités aujourd'hui, dans 10 ans, nous verrons des centaines de matériaux disponibles", a déclaré Styles à Engineering.com. « Le problème n'est pas vraiment la disponibilité des matériaux, c'est le temps et les efforts nécessaires pour changer de matériau. Aujourd'hui, il faut environ 24 heures pour faire tourner une machine pour un nouveau matériau."

Cependant, dans certains cas, l'usinage CNC peut être plus coûteux que la fabrication additive. Mais il n'y a qu'un seul moyen infaillible de le savoir.

"Le meilleur moyen est d'obtenir simplement un devis pour les deux processus auprès de votre fournisseur de services de prototypage rapide", explique Styles. "Une règle d'or, cependant, est la suivante :si la pièce peut être usinée par CNC, il est probablement moins cher de l'usiner par CNC, et dans 90 % des cas, c'est vrai."

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

Impression 3D dans les usines :plastique, pièces, outillage, hybride

Mis à part les défis, lors du prototypage en plastique, la fabrication additive peut présenter des avantages majeurs. Lors de l'usinage CNC pour le prototypage avec du plastique, le problème réside dans ses fraises cylindriques, qui rendent difficile l'usinage des coins carrés internes qui sont courants dans ces types de conceptions. Avec l'impression 3D, les opportunités de personnalisation (et d'essais et d'erreurs dans le prototypage) sont logiques pour les concepteurs de produits, de pièces et d'outils.

La fabrication additive est "idéale pour les faibles volumes qui nécessitent une rotation rapide et bénéficient d'économies en termes de configuration, d'outillage et de temps de préparation similaires, même si les temps réels par pièce peuvent être beaucoup plus élevés qu'avec un processus purement soustractif", déclare Bob Warfield, PDG et fondateur de CNC Cookbook, dans un article sur l'usinage hybride (où coexistent procédés additifs et soustractifs).

Le cas de la fabrication additive pour les pièces et l'outillage

Les cas d'utilisation réels de la fabrication additive méritent l'attention. Plusieurs des principaux fabricants industriels tirent pleinement parti du potentiel des additifs. Voici quelques exemples d'acteurs industriels majeurs.

GE s'attend à économiser de l'argent sur les 25 000 injecteurs de carburant pour les moteurs à réaction LEAP qu'il produit chaque année de plusieurs manières. Premièrement, les techniques additives utilisent moins de matière lors de la production. Les techniques conventionnelles nécessitaient de souder méticuleusement 20 pièces, et elles produisaient une tonne de matériaux mis au rebut et gaspillés, note le MIT Technology Review.

"[L] la décision de produire en masse une pièce critique en alliage métallique à utiliser dans des milliers de moteurs à réaction est une étape importante pour la technologie", écrit Martin LaMonica de MIT Technology Review. "Et bien que l'impression 3D pour les consommateurs et les petits entrepreneurs ait fait l'objet d'une grande publicité, c'est dans le secteur manufacturier que la technologie pourrait avoir son impact commercial le plus significatif."

Le processus additif utilise ici des poudres de métal hybride qui sont pulvérisées au laser pour former, ce qui rend la pièce plus légère, entraînant des économies de carburant pour les compagnies aériennes. Le processus est moins cher à produire pour le fabricant et la nouvelle pièce réduit les coûts pour le client, ce qui se traduit par un véritable gagnant-gagnant.

Dans le domaine de l'outillage, Deloitte présente des arguments convaincants en faveur de l'utilisation d'additifs en détaillant des exemples concrets où le prototypage rapide via des processus additifs a considérablement réduit les délais d'exécution pour les pièces moulées et pour la fabrication d'outils internes. Deloitte décrit comment Ford Motor Company a largement tiré parti des additifs pour ses moteurs EcoBoost, ses supports de rotor, ses couvercles de transmission et ses disques de frein pour le Ford Explorer.

« L'entreprise utilise la FA pour créer rapidement les moules en sable et les noyaux utilisés pour couler les pièces prototypes », note Deloitte. "Cela a aidé Ford à réduire les délais de livraison jusqu'à quatre mois et a permis à l'entreprise d'économiser des millions de dollars."

Le cas de l'usinage hybride :additif et soustractif

En 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 c'est un spectacle à voir. Ces machines "hybrides" associent la liberté géométrique de l'impression 3D à la précision de l'usinage CNC.

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

Cependant, avec bon nombre 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 uniquement avec des stratégies additives.

"Il faut considérer l'impression 3D métal comme une technologie libératrice », souligne Styles. "Vous pouvez désormais concevoir des pièces apparemment impossibles et les faire fabriquer, mais la clé est de maintenir 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 replacé dans le bon contexte d'innovation :

« Actuellement, la FA pour la fabrication d'outillage ne révolutionne pas tant la chaîne d'approvisionnement ou la conception des produits qu'elle améliore l'efficience et l'efficacité des chaînes d'approvisionnement et des produits. Cependant, à mesure que la technologie AM continue de s'améliorer et que l'utilisation de la FA pour l'outillage continue d'augmenter, elle peut avoir la capacité d'avoir un impact plus direct sur les chaînes d'approvisionnement et les produits des entreprises en augmentant la capacité des entreprises à innover. »

Votre boutique a-t-elle pleinement adopté la fabrication additive ? Quels sont certains de vos plus grands défis avec la technologie ? Faites-le nous savoir dans les commentaires ci-dessous.