Pour quels projets faut-il envisager l'impression 3D? Et par où commencer?
Fabrication additive: inutile d'attendre
De nombreuses entreprises métallurgiques du Benelux sont des sous-traitants. Elles reçoivent des demandes pour des pièces dont le client a généralement déjà déterminé la technique de fabrication. C'est l'une des raisons pour lesquelles la fabrication additive reste une technologie de niche chez nous. Mais les petites entreprises de fabrication doivent-elles continuer à attendre?
La 3D a le vent en poupe
À l'échelle mondiale, les ventes d'imprimantes 3D sont en hausse depuis plusieurs trimestres déjà. Cette croissance provient principalement de deux segments: les imprimantes à filament bon marché sur le segment d'entrée de gamme et les systèmes haut de gamme pour le métal et les plastiques. Dans cette dernière catégorie, c’est notamment la production de drones qui stimule la demande en imprimantes plastiques haut de gamme.
La croissance du chiffre d’affaires des systèmes de FA métallique est en partie tirée par les fabricants d’électronique grand public qui se lancent dans la production additive de composants métalliques. Cette évolution est particulièrement visible dans le domaine des boîtiers de montres connectées et des composants internes complexes des smartphones haut de gamme, tels que les charnières des téléphones pliables, pour lesquels la demande est forte, notamment en Asie. Alors que le fraisage CNC était longtemps la norme, l’impression 3D offre désormais la possibilité de produire avec moins de perte de matière et une plus grande liberté géométrique, notamment pour le titane et les alliages spéciaux.
Les applications dans le domaine de la défense stimulent également les investissements dans les imprimantes métalliques, notamment aux États-Unis. Ainsi, la société américaine Beehive Industries a passé commande auprès d’EOS de trente systèmes M4 ONYX AM. Beehive va ainsi produire le système de propulsion de drones, après que le ministère américain de la Défense l’aura homologué. Toujours aux États-Unis, la production d’implants de hanche et de genou passe de l’usinage CNC à la fabrication additive. Les équipementiers médicaux spécialisés dans ce type d’implants proposent désormais la version issue de la fabrication additive en standard. Enfin, l’engouement pour l’IA donne également un coup de pouce à la fabrication additive. L’un des principaux défis des centres de données dédiés à l’IA est l’évacuation de la chaleur générée par les serveurs; là encore, les avantages de l’impression 3D métallique sont de plus en plus souvent mis à profit.
Inutile d’attendre
De nombreuses entreprises métallurgiques du Benelux sont des sous-traitants: ce sont leurs clients qui déterminent en grande partie ce qu’ils veulent et avec quelle technologie les composants doivent être fabriqués. Dans le même temps, les petits constructeurs de machines, en particulier, comptent sur leurs fournisseurs pour trouver la meilleure solution de fabrication. C’est précisément là que réside une opportunité. Les fournisseurs créent de la valeur ajoutée lorsqu’ils possèdent des connaissances en fabrication additive et, plus important encore, en 'Design for Additive Manufacturing' (DfAM). Quelles demandes des clients devraient les inciter à envisager sérieusement l'impression 3D?
Intégration des pièces
Le premier élément déclencheur est une pièce de machine composée de nombreuses pièces distinctes. En regroupant ces pièces en un seul modèle imprimé en 3D (consolidation de pièces), les coûts d’assemblage diminuent et les raccords tels que les soudures ou les boulons deviennent superflus. Cela renforce l’intégrité structurelle et réduit les délais de production. Pour les composants de très haute précision, l’impression 3D métallique peut parfois même aboutir à un meilleur résultat, bien que la technique soit en soi moins précise que, par exemple, le fraisage ou le tournage. L’avantage réside alors dans la fusion des pièces en un seul ensemble: une précision plus difficile, voire impossible, à obtenir par assemblage.
Réduction du poids
Un deuxième facteur déclencheur important est la demande de réduction de poids sans perte de résistance. Lorsqu’un constructeur de machines vise une meilleure efficacité énergétique ou des temps de cycle plus courts pour les pièces mobiles, l’optimisation topologique peut apporter une solution.
Les structures en treillis permettent également de conserver la résistance tout en réduisant le poids, car il n’est plus nécessaire que toutes les parties soient constituées de matériau massif. Avec l’usinage traditionnel, de telles structures complexes et organiques sont souvent impossibles à réaliser ou trop coûteuses. L’impression 3D métallique excelle justement dans la suppression de matière là où cela n’est pas nécessaire d’un point de vue structurel. Pour certaines entreprises du secteur métallurgique, cela peut sembler un sacrilège, mais certains plastiques se rapprochent aujourd’hui des propriétés mécaniques de l’aluminium, entre autres. Les filaments renforcés de fibre de carbone sont largement suffisants pour de nombreuses applications, surtout lorsque cela est pris en compte dès la conception. Ils peuvent alors constituer une alternative à part entière à certains métaux.
Par ailleurs, l’impression 3D offre également des avantages au niveau de la production. Le processus est en grande partie automatisé; une intervention manuelle n’est nécessaire que lors de la préparation du travail et, le cas échéant, lors de la finition. Dans le cas de l’impression par filament, ces opérations de finition restent limitées. Dans le cas de l’impression par poudre de polymère également, les étapes de finition peuvent désormais être partiellement automatisées afin d’améliorer la rugosité et les propriétés du matériau. C’est notamment le cas de l’impression SLS, où des particules de poudre plastique sont fusionnées à l’aide d’un laser: il existe des machines abordables qui coûtent nettement moins cher qu’un centre d’usinage à cinq axes.
Une alternative au moulage?
Un troisième facteur déterminant réside dans les longs délais de livraison des pièces moulées complexes. Au lieu d’attendre des mois pour obtenir un moule et réaliser le processus de moulage qui s’ensuit, un prestataire disposant de capacités de FA peut parfois livrer la même pièce en une à deux semaines. Cela s’avère particulièrement pertinent pour les pièces de rechange ou les prototypes qui doivent être testés immédiatement sur le plan fonctionnel.
Une étape intermédiaire est également possible: imprimer des noyaux de fonderie avec un moule en sable, puis couler la pièce de manière traditionnelle. Cette approche combine un processus de moulage validé et certifié avec un délai d’exécution bien plus court et des coûts réduits. L’impression 3D directe de pièces lourdes est également possible. Pour cela, on utilise souvent la technologie WAAM (fabrication additive par arc électrique). Des secteurs tels que celui du pétrole et du gaz ont désormais certifié cette technologie et l’ont intégrée à leur arsenal. Ils recourent de plus en plus souvent à la fabrication additive pour produire des pièces de rechange critiques. Les économies réalisées proviennent alors principalement de la suppression des stocks qui restent souvent inutilisés pendant des années.
La société néerlandaise Castlab développe actuellement une base de données dans laquelle toutes les données techniques pertinentes, y compris les plans d’exécution des pièces moulées, peuvent être stockées. Lorsqu’une pièce de rechange est nécessaire, il est possible de comparer entre eux le fraisage CNC, le moulage et la fabrication additive en fonction d’une vingtaine de facteurs.
Devenir un partenaire expert
En participant de manière proactive dès la phase de re-conception, le sous-traitant passe du statut d’exécutant à celui de partenaire d’expertise. Il renforce ainsi directement la position concurrentielle de ses clients. L'investissement ne porte alors pas uniquement sur le parc de machines, mais surtout sur la capacité à faire prendre conscience aux clients des gains cachés dans leurs propres conceptions.
Pour les petites et moyennes entreprises métallurgiques, le défi consiste à développer une expertise en FA tout en poursuivant la production classique. Cela implique de faire des choix: quelle technologie convient à l’entreprise et à sa clientèle, et comment acquérir suffisamment de connaissances sur la conception pour la fabrication additive? Au début, le choix de la technologie peut être reporté en collaborant avec des prestataires de services d’impression 3D. À terme, cependant, il faudra faire son propre choix et investir pour garder le contrôle total du processus de production et conserver la marge en interne. La raison peut-être la plus importante d’adopter la technologie de FA en interne est que les entreprises métallurgiques, précisément, peuvent l’intégrer à leur production mécanique existante.
C’est important, car pratiquement toutes les pièces métalliques imprimées en 3D nécessitent encore un usinage de finition. Grâce à leurs connaissances, leur expérience et leur parc de machines CNC, les entreprises d’usinage peuvent justement optimiser cette étape et en tirer profit.
Compléter et non remplacer
Cette décision d’investissement ne doit pas reposer uniquement sur le prix d’achat d’une machine. Le coût total de possession et la valeur stratégique à long terme sont tout aussi importants.
Un système de FA métallique haut de gamme, qu’il s’agisse d’un lit de poudre au laser, de la technologie WAAM ou du LMD au laser, ne remplace pas la fraiseuse ou le tour CNC. Il ajoute un outil supplémentaire qui ouvre les portes de marchés où les géométries complexes et les itérations rapides sont la norme. Pour tirer parti de cette valeur ajoutée, il faut toutefois adopter une autre façon de penser: la conception pour la fabrication additive (Design for Additive Manufacturing). Dans cette approche, c’est la fonctionnalité de la pièce qui est au centre des préoccupations, et non les limites de l’outil. Une intégration réussie nécessite une approche intelligente et progressive. Commencez de manière pratique par les objectifs les plus faciles à atteindre, tels que les outillages internes, les moules ou les pinces robotisées.
Les coûts d’échec sont alors faibles et la courbe d’apprentissage est raide. Dès que l’organisation maîtrise le flux de travail, du logiciel de découpe à la finition physique, elle peut passer à la production de pièces par fabrication additive.
AMÉLIORER L'EMPREINTE ÉCOLOGIQUE
La numérisation de la chaîne d’approvisionnement, avec des entrepôts numériques, offre à l’industrie des opportunités de réduire son empreinte écologique. Au lieu d’expédier des produits physiques à travers le monde, un fichier numérique peut être produit localement dès que le besoin s’en fait sentir. Ce modèle à la demande réduit le gaspillage de matériaux et rend moins nécessaire le stockage à grande échelle des pièces.
Pour le sous-traitant moderne, l’accent se déplace ainsi de la simple usinage et fraisage vers la gestion des actifs numériques et la garantie de la qualité des matériaux dans le cadre d’une production locale. L’une des entreprises qui acquiert de l’expérience dans ce domaine est la société pétrolière et gazière norvégienne Equinor. Elle a déjà passé une première commande pour la production à la demande de volants servant à actionner des vannes. Rien qu’en Norvège, 8.000 volants, déclinés en plus d’un millier de modèles, doivent être remplacés chaque année.
DNV a entre-temps certifié le premier volant en plastique imprimé en 3D destiné à cette application. Outre la suppression des stocks coûteux, le volant en plastique présente un autre avantage dans un environnement corrosif: une durée de vie plus longue.
