L'impression 3D va-t-elle perturber l'industrie de l'outillage ?

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Publié le 11 novembre 2019 | Par WayKen Rapid Manufacturing

Fabriquer un produit ne se limite pas à usiner les pièces et les assembler. La production implique de nombreuses tâches annexes : développement d'emballages, logistique, et surtout – développement et production de l'outillage. L'outillage désigne l'ensemble des composants nécessaires pour produire toutes les pièces dans les volumes requis et selon les spécifications. L'industrie de l'outillage pèse des milliards de dollars ; les coûts d'outillage peuvent atteindre 50 % du coût total du produit. De nouvelles technologies émergent pour réduire temps et coûts. L'impression 3D s'est avérée une technique fiable et prometteuse pour cet usage.

Au fil des ans, la fabrication additive (impression 3D) a mûri : précision, résistance des pièces, finition de surface, gamme de matériaux ont progressé spectaculairement. Il y a 5 ans, les pièces imprimées ne servaient qu'aux maquettes. Aujourd'hui, des composants métalliques imprimés équippent des moteurs Airbus, des navettes spatiales, des voitures. L'impression 3D devient utile pour l'outillage. Une évolution si rapide laisse penser qu'elle pourrait remplacer tous les procédés conventionnels de fabrication d'outillage ?

L'impression 3D plastique pour remplacer l'outillage souple

L'outillage souple (soft tooling) désigne des éléments peu sollicités. L'exemple type : moules en silicone pour coulée de plastique. Fabriqués à partir de mélanges de silicone durcis, ils sont moins durables que l'outillage dur (moules d'injection en alliages métalliques) – seulement 1 à 1000 pièces selon la complexité – mais bien moins chers. Parfaits pour prototypage, petite série, personnalisation. Un maître-modèle et une ou deux matrices suffisent pour produire un petit lot significatif. Comment l'impression 3D peut-elle améliorer et remplacer ce procédé ?

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Améliorations par la fabrication additive

L'impression 3D joue déjà un rôle clé dans la coulée silicone : indispensable pour fabriquer le maître-modèle. Elle excelle dans la production d'une pièce unique complexe : la géométrie n'impacte guère le temps ni le coût. C'est la définition même du maître-modèle pour coulée plastique. Une fois le maître-modèle prêt, il est immergé dans le silicone liquide ; après durcissement, on obtient les deux demi-matrices.

Et si on allait plus loin en imprimant directement les matrices en silicone ? Cela éliminerait le maître-modèle et son post-traitement. Les imprimantes 3D actuelles n'atteignent pas encore la finition de surface requise avec les matériaux nécessaires, mais produisent des pièces très lisses avec des polymères plus tendres. Qui dit qu'elles n'atteindront pas la même précision sur des matériaux plus complexes dans quelques années ? Quand cela arrivera, l'industrie conventionnelle de l'outillage silicone sera menacée.

Impression 3D et industrie de l'injection plastique

Voyons maintenant l'apport de l'impression 3D pour l'outillage dur (hard tooling). La majeure partie concerne les matrices en acier durables pour l'injection plastique. Mais l'outillage dur inclut aussi les matrices de forgeage, les outillages d'usinage, les outils de serrage et de mesure (ou équipements de mesure spécialisés).

Outillage dur pour différentes industries

L'outillage dur est généralement produit par usinage CNC. Matrices et outillages en acier inoxydable ou alliages durs, souvent traités thermiquement pour augmenter leur durée de vie. Ces matériaux sont très difficiles à usiner, ce qui rend la fabrication coûteuse et longue.

L'outillage dur est souvent produit à l'unité ou en très petites séries, avec géométries complexes et détails internes. C'est exactement là que l'impression 3D excelle. Pourtant, la fabrication additive n'est pas encore largement utilisée pour produire des matrices.

Pourquoi la fabrication additive n'est-elle pas encore adoptée ?

Plusieurs raisons :

• L'impression 3D métal n'offre pas encore la précision et la finition de surface de l'usinage CNC. Le post-traitement par outils de coupe reste nécessaire, augmentant le coût.
• La raison principale : les propriétés de fatigue des pièces frittées ne sont pas encore bien connues. La durabilité des pièces imprimées ne peut être prédite fiablement. Une fois les courbes de fatigue des matériaux frittés établies, l'usage pour composants durables deviendra possible.
• Peu de matériaux adaptés au frittage métallique, limitant la variété des matrices.

L'avenir de l'outillage

Quand ces limites seront levées, le rythme de fabrication s'accélérera. Les matrices seront produites en quelques jours à coût bien inférieur. L'usinage d'une pièce unique est très cher ; l'impression 3D d'une pièce sur mesure est plus rentable que la production en lot. La dureté du matériau n'aura plus d'importance car il est fondu localement, non coupé.

Surtout, la fabrication additive permettra des canaux de refroidissement internes complexes. Forets et alésages n'atteignent pas les cavités profondes, créant des taux de refroidissement inégaux. Les technologies additives offrent toute forme de canaux, efficaces, bien répartis, sans surcoût pour la matrice.

Conclusion

La fabrication additive a encore du chemin pour remplacer les méthodes conventionnelles éprouvées. Mais une fois la technologie mature et les propriétés des pièces mieux comprises, les méthodes conventionnelles n'auront plus aucune chance.