L a fabrication additive, ou impression 3D, s'est fait connaître auprès du grand public ces dernières années. Les «imprimantes 3D» grand public permettent d'imprimer des objets en plastique à partir d'un simple modèle CAO, par dépôt de couches successives. Mais la fabrication additive existe depuis longtemps dans l'industrie, et gagne de nouvelles applications. « Dans les années 1980, on parlait de prototypage rapide », rappelle Paul Henri Renard, directeur général du Centre technique industriel fonderie (CTIF). On employait alors la stéréolithographie ( voir encadré page 36 ). Un système qui évite de passer par les procédés habituels, comme la confection d'un moule. « On produisait déjà de petites séries dans les années 1990 », ajoute Bart van der Schueren, vice-président de Materialise, qui propose un service de fabrication additive. Les applications concernaient notamment le milieu de la santé, avec par exemple la fabrication d'appareils auditifs, pour produire des pièces de forme personnalisée.

Le principe de la fabrication additive permet d'alléger des pièces par une démarche d'optimisation technologique, afin de réduire la quantité de matière de l'objet.

Mais cette technique ne se limite plus au plastique aujourd'hui: résine, bois, céramiques, fibre de carbone, verre… voire des bâtiments ou des tissus vivants, la fabrication additive ouvre un champ d'applications très large, mais souvent encore à l'état de recherche. Cependant, depuis une dizaine d'années, la fabrication additive de pièces métalliques gagne doucement l'industrie. D'engins de laboratoire, les machines s'industrialisent et séduisent certains secteurs. « Nous avons constaté que les entreprises sont passées du stade de la curiosité à celui de la recherche d'applications , observe Gilles Allory, responsable de l'équipe Procédés performants et inno-vants du Cetim, à Saint-Étienne. En 2014, les industriels ne savaient pas encore comment s'y prendre.Ils imaginaient la technologie miracle, qui pourrait tout faire. Aujourd'hui, ils sont mieux renseignés, ont réfléchi à ce que pourrait leur apporter cette technologie. » En effet, la fabrication additive n'a pas vocation à remplacer les méthodes traditionnelles. Cette technologie permet de produire des formes plus complexes, et laisse ainsi le champ libre en termes de conception.

M La fabrication additive sur lit de poudre est la plus répandue pour les pièces métalliques. Ce procédé est également utilisé pour la production de pièces en plastique.

Prototypage et production

Aujourd'hui, on compte sur le marché de la fabrication additive différents types d'acteurs: « Des start-up orientées vers le prototype aident des entreprises à évaluer la technologie, et les pièces fabriquées selon cette méthode », observe Paul Henri Renard (CTIF). Certains grands groupes investissent « pour se faire leur expérience », ajoute Christophe Tisserand, responsable produits fabrication additive chez le fabricant de machines Renishaw. D'autres groupes font appel à des sous-traitants, « qui produisent des pièces tout en amenant un accompagnement en ingénierie et en conception », ajoute-t-il.Avec le médical, l'aéronautique est un secteur précurseur dans l'usage de cette technologie, notamment pour la fabrication de pièces métalliques. « L'aéronautique a investi massivement, et ce n'est que le début , estime Charles de Forges, directeur général de Spartacus 3D, qui accompagne les entreprises lors de leurs projets en fabrication additive. Mais aujourd'hui,d'autres industries abordent le sujet : énergie, ferroviaire, ou encore automobile. Beaucoup ont suivi les choses de près sans s'investir,mais commencent à avoir des idées. » Si la production de pièces plastiques est majoritaire aujourd'hui, selon Gilles Allory (Cetim), « c'est la fabrication en métal qui représente la plus forte croissance. » Mais comment tirer profit de cette technologie ? « Il faut exploiter la liberté de forme qu'offre la fabrication additive », conseille Gilles Allory. La plupart du temps, il n'est pas utile de chercher à reproduire des pièces que l'on sait fabriquer avec des technologies conventionnelles. La fabrication additive risque alors d'être plus coûteuse. « La fabrication directe de pièces en polymères est intéressante si les tailles de séries sont trop faibles pour la fabrication d'un moule, ou que leur forme est très complexe , explique Gilles Allory. Les conduites de conditionnement d'air dans les avions,par exemple,ont une forme très biscornue, pour passer entre la carlingue et l'habillage intérieur. Et la taille de série ne justifie pas la réalisation d'un outillage coûteux pour les produire ».

Ainsi, la fabrication additive permet par exemple de produire facilement une structure en treillis. Cette caractéristique est utilisée pour certaines prothèses,afin de faciliter la fusion avec l'os. La technologie est également intéressante pour des pièces nécessitant une personnalisation. Là encore, le secteur médical en tire un avantage: « Auparavant, on utilisait des prothèses standards , explique Christophe Tisserand (Renishaw). Maintenant, on fabrique des séries de pièces unitaires.Faire 150 pièces différentes ne coûte pas plus cher que de faire 150 fois la même. » L'intérêt est également d'optimiser les pièces, notamment en termes de poids. « Typiquement,un élément fabriqué traditionnellement par usinage ou soudage peut être remplacé par son équivalent plastique, plus léger , indique Bart van der Schueren (Materialise). En robotique, par exemple, on trouve énormément de pièces fabriquées en métal, car il s'agit de petites séries. Mais l'impression 3D permet d'utiliser le plastique, et ainsi gagner en poids, donc en rapidité du robot. » Mais il est aussi possible de gagner du poids en modifiant la forme des pièces.

Des formes complexes, comme des structures en treillis, sont réalisables simplement par fabrication additive.

La technique de fabrication métallique par projection de poudre met en jeu une buse commandée par un robot industriel.

« Cette nouvelle façon de mettre en forme les matériaux implique de nouvelles possibilités de confection , commente Paul Henri Renard (CTIF). En fabrication additive, il est possible de mettre la matière uniquement là où l'on en a besoin. » Pour le métal, c'est la technologie sur lit de poudre qui offre le plus de liberté en termes de forme. Ainsi, une démarche d'optimisation topologique peut alléger une pièce: des logiciels calculent les contraintes appliquées sur la pièce, et en déduisent les endroits où doit se situer la matière. L'impression 3D, particulièrement avec le plastique, offre une grande flexibilité en permettant de matérialiser facilement et à faible coût les versions successives d'une pièce, sans avoir à changer d'outillage. La technologie de fabrication par projection de poudre métallique permet d'accéder à des applications un peu différentes: « Lorsqu'un élément dépasse sur une pièce métallique, c'est que la partie au-tour a été usinée , rappelle Emmanuel Laubriat, cofondateur du fabricant de machines BeAM. Pour économiser de la matière, ou lorsque l'on travaille avec des matériaux difficiles à usiner, la fabrication additive par projection permet d'ajouter un morceau sur une pièce existante. Cela peut également être intéressant pour la réparation ».

Repenser la conception

Dans l'aéronautique, « les avions ont une durée de vie très longue, jusqu'à 30 ou 40 ans », ajoute Paul Henri Renard (CTIF). À ces échelles de temps, il se peut que des fournisseurs de pièces disparaissent, ou ne disposent plus des pièces de rechange nécessaires. « Refaire une pièce est alors très cher, car cela nécessite de fabriquer l'outillage. Mais en fabrication additive, l'opération est plus simple : on peut imprimer la pièce à partir de son modèle informatique. C'est très intéressant pour une petite série », poursuit-il. L'outillage représente également un marché important: on sait imprimer des moules en sable pour la fonderie, des modèles en cire pour la joaillerie, ou encore des circuits de refroidissement aux formes complexes pour certains moules. « Avec ces applications, on révolutionne des technologies plus classiques, comme la fonderie d'aluminium sous pression ou l'injection plastique », estime Paul Henri Renard.

C'est à partir d'un simple modèle numérique que les machines fabriquent les pièces. À l'avenir, les logiciels devraient évoluer vers plus d'interopérabilité.

Comme les procédés traditionnels de production demeurent généralement moins chers, la fabrication additive nécessite de repenser la conception des pièces. « Chaque nouvelle pièce est un déve-loppement, qui peut durer de quelques jours à plusieurs années , prévient Emmanuel Laubriat (BeAM). Cela représente donc un coût. » La démarche à adopter est de « raisonner à partir des fonctions », conseille Gilles Allory (Cetim). Peut-on ajouter des fonctions? Économiser des coûts d'assemblage ? Des corps creux, par exemple, sont difficiles à fabriquer tels quels avec les moyens traditionnels, mais ils peuvent l'être en fabrication additive. Pour Charles de Forges (Spartacus 3D), il faut prendre en compte la pièce dans son environnement, considérer le sous-système mécanique auquel elle appartient : « Il est classique de voir des pièces soudées entre elles car il n'est pas possible de fabriquer la forme globale. En fabrication additive, on peut produire plusieurs pièces liées en une seule fois. » La technologie, bien sûr, a ses limites, qu'il faut prendre en compte dès la conception. On est encore loin de la production en grandes séries, comme le fait par exemple le secteur automobile. « Aujourd'hui, quelques centaines de pièces par an représentent déjà de grosses séries , constate Charles de Forges. L'aéronautique produit parfois des séries de l'ordre de la dizaine de milliers. Mais cela pourrait augmenter à l'avenir, avec des applications pertinentes et compétitives. » Le coût de la technique reste élevé, en termes d'investissement et de prix des pièces. Il faut ajouter à cela le temps de fabrication important, « jusqu'à plusieurs jours sur lit de poudre pour fabriquer un plateau de plusieurs pièces », précise Gilles Allory (Cetim), et le vo-lume des machines, qui limite la taille des pièces. Sur lit de poudre, on atteint au maximum les 500 millimètres au cube. La technologie par projection permet de faire des pièces plus grosses, de l'ordre du mètre cube. « Il est toujours possible de faire plus grand,mais cela implique plus de contraintes mécaniques, plus de temps de travail,de traitement des pièces après fabrication. Il faut avoir les outils capables de faire de l'usinage sur de telles pièces », précise ChristopheTisserand (Renishaw). « Avec les polymères,on procède peu par transformation de la matière. Mais en fusionnant le métal, on constitue le matériau en même temps que l'on fabrique la pièce.C'est un volet plus prégnant pour le métal que pour le polymère », analyse Gilles Allory (Cetim). La technologie plastique a donné une impression de simplicité, « mais, avec le métal, la première question n'est pas la forme, mais la qualité du matériau », estime Emmanuel Laubriat (BeAM). L'utilisation de poudre pose des questions spécifiques: « La finesse des pièces métalliques imprimées est meilleure que pour une pièce de fonderie réalisée dans un moule en sable,mais moins bonne que pour une pièce usinée ,précise Paul Henri Renard (CTIF). Si l'on ne prend pas certaines précautions en imprimant, on peut créer des amorces de fissures. » La fusion de poudre métallique met en jeu des phénomènes physiques complexes, qui jouent ensuite sur les caractéristiques de la pièce. Pour certains matériaux, cela peut poser problème: « On sait utiliser de la poudre de cuivre, qui a beaucoup de potentiel pour l'impression de circuits électriques complexes , continue Paul Henri Renard. Mais le matériau est fritté : on soude les grains entre eux,le métal n'est pas totalement fondu,il reste des trous entre les grains de poudre ».

Contrôler la qualité

« En termes de caractéristiques mécaniques,on est très proches de ce que l'on peut obtenir avec les moyens traditionnels », estime Christophe Tisserand (Renishaw). À condition de prendre en compte certaines contraintes. Ainsi, les caractéristiques d'une pièce peuvent varier selon le sens dans lequel elle est imprimée, du fait de la fabrication par couches successives. « La pièce est anisotrope,elle n'a pas les mêmes caractéristiques selon les directions de l'espace , explique Paul Henri Renard (CTIF). La structure du métal est donc spécifique, différente de ce que l'on obtient en forge ou en fonderie. Il faut analyser et comprendre tout cela. » Des traitements thermiques permettent de réduire cet effet. De plus, « cette difficulté se contourne, en n'étant pas trop proche des limites du matériau lorsque l'on dimensionne la pièce », conseille Charles de Forges (Spartacus 3D). Lorsque l'on a un prototype de réfé-rence, il faut ensuite pouvoir reproduire la pièce, avec lemême aspect et le même comportement mécanique. « Répéter correctement le procédé est toujours un challenge, avec le plastique comme avec le métal. Cela nécessite un savoir-faire », explique Bart van der Schueren (Materialise). Il faut être capable de suivre le process, et d'avoir les bonnes méthodes de contrôle pour vérifier la qualité des pièces.

Les machines de fabrication 3D devraient à l'avenir permettre de suivre en temps réel les procédés de fabrication, afin de s'assurer de la qualité des pièces produites.

En effet, le travail ne s'arrête pas une fois la pièce fabriquée. « Il y a presque systématiquement besoin d'usiner ou de polir , commente Emmanuel Laubriat (BeAM). Il y a un vrai champ d'innovation sur cette question. » Car, avec une forme complexe, il est moins facile d'équilibrer une pièce ou de la faire tourner autour d'un axe. « Il faut que la pièce ne bouge pas, ne soit pas désaxée. Ce sont des questions qui ne se posent pas avec des pièces simples , commente Charles de Forges (Spartacus 3D). Il existe des solutions, mais il n'est pas rare que cela cause plus de difficultés que la fabrication de la pièce elle-même ».

Le contrôle est une autre difficulté. « Il y a un verrou à lever. Puisque l'on accède à des géométries complexes,il faut effectuer des contrôles dimensionnels de surfaces inhabituelles , prévient Gilles Allory (Cetim). Les pièces plastiques sont concernées par le contrôle géométrique,mais moins par les questions de santé de la matière,contrairement aux pièces métalliques. » Or, il n'y a pas encore d'approches standardisées pour les méthodologies de contrôle. Il faut donc optimiser les moyens habituels, tels que les rayons X, la tomographie, le ressuage ou encore les ultrasons. « Cela va devenir critique dans certains cas », estime Charles de Forges (Spartacus 3D). Pour Emmanuel Laubriat (BeAM), « il faut de nouveaux systèmes de contrôle non-destructifs. Il en existe en post-process, mais ils sont coûteux. » C'est pour cette raison que BeAM a lancé le programme I Am Sure, réunissant des industriels comme Airbus Group et Thales. Focalisé sur les pièces métalliques, ce projet vise à développer le suivi du process, afin de détecter en temps réel les défauts au cours de la fabrication. Cette méthode sera complétée par la tomographie à rayons X. « Il y a une communauté technologique importante qui travaille sur le sujet du contrôle , ajoute Gilles Allory (Cetim). Le but est de développer des méthodologies qui pourront être transférées à l'industrie, et donner des normes (voir encadré cicontre page 39)».

À l'avenir, l'ensemble du système de fabrication additive va continuer à évoluer. « Il y a un potentiel d'innovation énorme », se réjouit Emmanuel Laubriat (BeAM). « Il s'agit surtout de faire des machines plus industrielles, permettant notamment d'effectuer des contrôles en cours de production », décrit ChristopheTisserand (Renishaw). Les poudres devraient être mieux filtrées,et leur manipulation plus automatisée. L'amélioration de la vitesse devrait quant à elle permettre la production de plus grandes séries. Cela peut passer notamment par l'augmentation du nombre de têtes laser, permettant de produire plus de pièces simultanément. Enfin, l'augmentation de la taille permettra d'accéder à plus d'applications. Quant aux matériaux, ils devraient se diversifier,grâce aux recherches menées sur de nouveaux alliages.

CTIF La fabrication additive est généralement plus chère que les méthodes classiques. Mais certains projets tirent avantage des caractéristiques de cette technologie, afin de produire certaines pièces à moindre coût.

Les logiciels connaissent eux aussi des évolutions importantes, notamment en termes de formats de fichiers, pour les transposer plus facilement de la simulation ou de l'optimisation topologique vers l'impression. « Il faut une compatibilité entre marques », plaide Bart van der Schueren (Materialise), qui dispose d'une plate-forme logicielle indépendante des fabricants,permettant d'effec-tuer l'interface avec les logiciels CAO. « La traçabilité est un autre axe important , continue-t-il. Pour les marchés contrôlés comme le médical, il faut savoir avec quels paramètres chaque pièce a été fabriquée ». « Il existe des dizaines de technologies différentes , résume Gilles Allory (Cetim). Il est probable que les machines qui fonctionneront dans 10 ans n'existent pas encore. De nouvelles technologies viennent bousculer le jeu.Les performances vont beaucoup évoluer, elles sont loin d'être optimisées aujourd'hui. C'est aux utilisateurs de faire fructifier leur imagination,et de trouver des idées que l'on ne pourrait pas réaliser autrement ».