Fabrication additive : une révolution pour l’ingénierie ?

Qu’est-ce-que la fabrication additive ou impression 3D ? 

La fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, est un processus de production de pièces tridimensionnelles à partir de modèles CAO. Elle consiste à déposer le matériau couche par couche jusqu'à obtenir la pièce finale. 

Bien que les technologies de fabrication additive existent depuis les années 80, elles ont connu un engouement médiatique majeur au début de la dernière décennie, avec des prévisions selon lesquelles elles révolutionneraient l'industrie en transformant la fabrication de produits de consommation et en réorganisant divers secteurs d'activités, du commerce de détail à la logistique. 

Après cette période d'engouement, les technologies d'impression 3D professionnelles ont progressé rapidement et de manière tangible. Les avancées récentes dans les équipements, les matériaux et les logiciels ont rendu l'impression 3D plus accessible à un large éventail d'activités, permettant à de plus en plus d'entreprises de bénéficier d'outils qui étaient autrefois réservés à des secteurs à la pointe de la technologie. 

Aujourd'hui, les imprimantes 3D contribuent à accélérer l'innovation et apportent leur soutien à de nombreuses entreprises dans des secteurs tels que l'ingénierie, la production industrielle, la dentisterie, la santé, l'éducation, le divertissement, la joaillerie, l'audiologie, et bien d'autres encore. 

Les avantages de la fabrication additive :  

La fabrication additive, offre de nombreux avantages en termes de productivité et de logistique. Elle permet aux entreprises de réduire leurs coûts de production en évitant la fabrication de moules pour les productions en série et en réduisant les besoins de stockage grâce à la production à la demande. De plus, l'impression 3D génère moins de déchets car elle ajoute du matériau au lieu d'en enlever, ce qui la rend économique et écologique. 

Elle se distingue également par sa capacité à personnaliser les produits en fonction des besoins de chaque client. Une simple modification du fichier numérique permet d'adapter le produit aux attentes spécifiques, offrant ainsi une plus grande flexibilité pour les modifications de conception de produits en série sans avoir à créer de nouveaux moules ou outils, comme c'est le cas dans les méthodes de fabrication traditionnelles. 

L'impression 3D contribue également à réduire les délais de livraison et les coûts de transport. Par exemple, elle permet de fabriquer localement des produits ou des pièces qui étaient auparavant produits dans des usines situées dans des pays à main-d'œuvre moins coûteuse. Cela entraîne des économies significatives en matière de transport, de stockage et de gestion de la chaîne d'approvisionnement, tout en réduisant les délais de livraison et l'empreinte carbone. Cependant, les méthodes de fabrication traditionnelles restent plus compétitives pour les produits à faible complexité et en grande quantité, bien que cette tendance puisse s'inverser avec le développement continu de la technologie. 

Dans certains domaines, l'adoption de l'impression 3D est inévitable. Par exemple, les dentistes utilisent cette technologie pour remplacer les empreintes dentaires en plâtre, ce qui permet d'accélérer le processus, d'améliorer la praticité et la fiabilité, et de réduire les transports et les risques de casse. 

L'impression 3D, autrefois utilisée principalement pour le prototypage, explore désormais de nouveaux territoires, ouvrant de nouvelles perspectives passionnantes. En constante évolution, ce secteur connaît une transformation sans précédent. Le champ d'application de l'impression 3D s'étend progressivement, en phase avec les avancées technologiques et l'expansion du marché. De l'industrie aérospatiale à la médecine, en passant par l'architecture et la mode, l'impression 3D redéfinit la perception de la fabrication et du design. 

Les limites de la fabrication additive : 

L'utilisation de l'impression 3D présente quelques limitations qui peuvent freiner son adoption à grande échelle. Tout d'abord, l'investissement initial requis pour l'achat de machines et de logiciels, ainsi que la formation du personnel, peut être significatif, surtout pour les modèles de qualité industrielle. Cependant, avec les avancées technologiques et la popularisation de l'impression 3D, les coûts ont tendance à diminuer progressivement, rendant la technologie plus accessible. 

Une autre limite réside dans la disponibilité de certains matériaux. L'impression 3D est encore limitée dans sa capacité à utiliser certains matériaux spécifiques qui sont couramment utilisés dans les processus de fabrication traditionnels. Cependant, des progrès continus sont réalisés dans ce domaine, avec l'émergence de nouveaux matériaux composites et l'expansion des options de matériaux disponibles pour l'impression 3D. 

La taille des objets pouvant être fabriqués en impression 3D est également une limite. Les imprimantes 3D ont encore des limitations en termes de taille, ce qui peut restreindre la fabrication d'objets de grande taille. Toutefois, des solutions telles que l'impression en plusieurs parties et l'assemblage ultérieur permettent de contourner cette contrainte. 

La vitesse de production est un autre facteur à considérer. Bien que l'impression 3D soit efficace pour la production de prototypes et de petites séries, elle ne peut pas encore rivaliser avec les méthodes traditionnelles de fabrication de masse en termes de vitesse de production. Cela limite son utilisation dans des contextes où une production à grande échelle et rapide est nécessaire. 

 Malgré ces limites, l'impression 3D continue d'évoluer rapidement et de repousser ses propres frontières. Les progrès technologiques constants ouvrent de nouvelles perspectives et permettent de surmonter ces limitations au fur et à mesure. La recherche et le développement se poursuivent pour améliorer les performances, l'efficacité et l'éventail des possibilités offertes par l'impression 3D. 

Les Évolutions Majeures de la Fabrication Additive : 

L'impression 3D a connu une évolution remarquable, passant des grandes entreprises et bureaux d'études à une technologie accessible et polyvalente. Au début des années 2010, de nombreuses entreprises ont inondé le marché avec des imprimantes 3D plus abordables, grâce à l'amélioration des performances du matériel intégré, l'expiration de brevets et le niveau de maturité technologique. Cependant, cette première vague d'intérêt pour l'impression 3D a rapidement diminué, car les performances des imprimantes à dépôt de filament fondu (FDM) étaient limitées.

Pendant ce temps, les technologies de fabrication additive ont continué à progresser, dépassant des seuils critiques en termes de qualité d'impression, de fiabilité et de coûts. La stéréolithographie (SLA) est devenue la deuxième technologie à émerger, rendant l'impression 3D haute résolution plus accessible avec des imprimantes compactes et faciles à utiliser. Formlabs a joué un rôle essentiel en commercialisant la Form 1 en 2013, élargissant ainsi l'utilisation de l'impression 3D dans la conception de produits, l'ingénierie, le dentaire et la joaillerie.

La troisième vague d'impression 3D a été marquée par le procédé de frittage sélectif par laser (SLS), qui permet la fabrication de pièces robustes à partir de thermoplastiques tels que le nylon. Les imprimantes SLS d'atelier sont désormais disponibles à un coût d'environ 10 000 €, offrant une alternative rentable pour la production de pièces de haute qualité.

Elle permet la création de pièces en acier, titane, alliages de nickel et aluminium, offrant des performances élevées et répondant aux exigences des secteurs aérospatial et médical. Les avantages clés de l'impression 3D métallique résident dans la capacité à réaliser des pièces complexes avec des structures en treillis serré, réduisant ainsi la quantité de matériau nécessaire et le poids des pièces. Les procédés les plus couramment utilisés sont la fusion sélective par laser (SLM) et le frittage direct par laser du métal (DMLS), qui utilisent des lasers puissants pour fondre sélectivement la poudre métallique. 

Cependant, jusqu'à récemment, les imprimantes 3D métalliques étaient coûteuses, complexes et réservées à des applications de faible volume à haute valeur ajoutée. Les prix des imprimantes DMLS et SLM commençaient à 400 000 €, nécessitant des opérateurs hautement qualifiés et des conditions de travail spécifiques. De plus, le traitement post-impression et l'usinage ultérieur étaient souvent nécessaires pour obtenir les caractéristiques finales des pièces métalliques.Desktop Metal et Markforged ont développé des systèmes compacts utilisant des matériaux composites à base de poudre métallique, offrant une alternative moins coûteuse aux systèmes traditionnels. De plus, des technologies telles que la pulvérisation métallique de XJet ouvrent de nouvelles possibilités en matière de fabrication d'objets solides en métal ou en céramique. 

Les progrès réalisés dans les processus de travail et la technologie de l'impression 3D visent à réduire les coûts de main-d'œuvre et à s'intégrer dans les processus de production existants. Des améliorations telles que les supports solubles, les postes de nettoyage automatisés et les systèmes de traitement après impression simplifiés réduisent la nécessité de main-d'œuvre dans les étapes post-impression. 

Les systèmes d'impression 3D se déplacent également vers une approche distribuée, avec des cellules d'imprimantes modulaires et automatisées, réduisant le travail des opérateurs et permettant un fonctionnement continu 24 heures sur 24. Des logiciels intelligents de gestion de cellules optimisent les files d'attente d'impression et s'intègrent aux systèmes de gestion clients, de gestion globale intégrée et de pilotage de la production. Les systèmes automatisés offrent également une plus grande redondance, répartissant la charge de travail en cas de panne d'une machine. Des cellules de production modulaires, équipées de bras robotiques, facilitent le retrait et le nettoyage des pièces imprimées, réduisant considérablement le besoin de main-d'œuvre.  

Ces avancées transforment les imprimantes 3D de bureau en machines de production à haut débit et à faible coût, offrant une plateforme polyvalente pour le prototypage et la fabrication. À l'avenir, l'automatisation pourrait s'étendre à d'autres aspects de l'impression 3D, comme l'élimination des supports, l'assemblage de pièces imprimées en 3D et l'« assemblage numérique ». 

Ainsi, l'impression 3D offre des solutions abordables, rapides et fiables pour la fabrication de pièces complexes, révolutionnant ainsi les modes de production et d’automatisation. L'impression 3D devient de plus en plus accessible à un large éventail d'industries, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités de conception et de fabrication.