SLS France, actuellement en campagne de financement participatif sur myOptions, exploite les bénéfices de l’impression 3D pour la conception et la production de dispositifs médicaux. Nous vous proposons de découvrir plus avant les enjeux et intérêts de cette technologie grâce à l’analyse de Raphaël Knoerr, docteur en Sciences et consultant scientifique du groupe Asteryos.

L’impression 3D, quel contexte économique ?

Le déploiement de la révolution numérique depuis les années 1980 a profondément impacté les méthodologies manufacturières de l’industrie en vue de se positionner stratégiquement sur des marchés ultra-concurrentiels selon les secteurs d’activité. Ce constat impose aux entreprises de se doter d’une réactivité optimale et d’une adaptabilité permanente au renouvellement des produits et des services. En ce sens, les entreprises se doivent d’améliorer la qualité de leurs produits tout en réduisant les temps de conception et développement pour une mise sur le marché dans des délais raccourcis. Un des leviers permettant d’atteindre cet objectif est l’intégration dans leur chaine de production de nouvelles technologies issues de l’évolution numérique.

Parmi ces technologies, l’impression 3D, autrement désignée par fabrication additive, s’est imposée ces dernières années comme une méthodologie de fabrication de premier plan, et ce dans des domaines applicatifs aussi variés que l’industrie automobile, l’aéronautique et le médical. Durant la période de 1990 à 2000, l’impression 3D a été utilisée essentiellement au cours des phases amont de la conception de produits : pour la fabrication de maquettes d’aspect et fonctionnelles, la visualisation de projets, la vérification d’ergonomie pour l’architecture ou les études de design. Elle s’est cependant rapidement imposée ces dernières années dans les processus de production en série de pièces manufacturées.

Principe de la fabrication additive

Le principe à la base de la fabrication additive consiste à la réalisation d’un volume prédéfini qui constituera le produit grâce à un empilement successif de strates. En amont, la préparation de la maquette numérique permet de définir les sections de l’objet 3D à réaliser par son découpage successif par des plans parallèles ; la distance entre chaque section correspondant à l’épaisseur d’une couche. En vue de créer l’objet, les sections sont empilées séquentiellement les unes sur les autres à l’aide d’une imprimante 3D. Ainsi, la fabrication additive est un processus de conception génératif qui peut se synthétiser en deux principales étapes qui sont réitérées jusqu’à obtenir le produit fini :

  • Création d’une strate de matière suivant un périmètre et une épaisseur fixés ; la matière étant déposée localement où elle est nécessaire.
  • Dépôt de la nouvelle strate par addition de la matière en surface de la couche précédente.

Basé sur ce principe, la chaine de valeur de la fabrication additive couramment réalisée au niveau industriel débute par la définition la maquette numérique qui peut être réalisée soit par modélisation 3D à l’aide d’un outil logiciel (CATIA, Pro/ENGINEER, etc.) ou l’acquisition du modèle 3D avec un scanner 3D. L’étape suivante, réalisée par le logiciel de l’imprimante, consiste à découper l’objet en une multitude de couches d’épaisseur fixe, plus ou moins fines (de quelques microns à quelques millimètres). Par superposition de couches, les imprimantes transcrivent les données numériques en instructions de commande pour la reconstitution de la pièce. En fin de cycle, certaines opérations en post-production sont nécessaires afin d’obtenir le niveau de finition de pièce souhaité.

Les atouts techniques de la fabrication additive

Au regard du haut potentiel de cette technologie, l’impression 3D a bouleversé les méthodologies de fabrication traditionnelles (usinage ou formage), rendant les outillages dédiés ou les ébauches brutes de matière utilisés dans ces procédés traditionnels inutiles et levant par la même les contraintes liées à leur conception et leur fabrication. L’impression 3D offre de nouvelles perspectives dans l’industrie que ce soit dans le prototypage rapide, la production de petites et moyennes séries, la personnalisation et l’optimisation de forme et de masse.

Plus précisément, l’intérêt principal à la mise en œuvre de la fabrication additive concerne la conception de pièces possédant des formes très complexes, aux géométries difficilement atteignables à partir des procédés conventionnels. L’implémentation de la fabrication additive contribue à l’obtention d’une pièce d’un seul tenant en une seule opération et donc de repousser les limites des techniques traditionnelles. D’une part, la possibilité de produire des géométries complexes sans contrainte supplémentaire s’explique par le fait que les problèmes de géométrie, traités en 3D en fabrication traditionnelle, sont décomposés en une séquence de problèmes 2D beaucoup plus faciles à appréhender. Sur le principe que la pièce est fabriquée couche par couche, il est ainsi possible d’obtenir des formes creuses sans avoir recours au noyautage ou aux dépouilles, ou sans devoir prendre en compte l’accessibilité des outils lors de la réalisation de canaux internes non rectilignes.

Outre l’atteinte de géométrie complexe, un autre avantage à l’utilisation de l’impression 3D concerne la possibilité de créer une pièce multimatériaux, caractérisée par le fait qu’elle est constituée d’au moins deux matériaux dont la distribution varie en fonction de l’épaisseur. Le potentiel offert par la fabrication additive réside dans le fait qu’au sein d’une même couche, la matière étant déposée point par point ou simultanément, il est possible de réaliser n’importe quelle composition apportant au produit des propriétés mécaniques, thermiques ou chimiques spécifiques, et ce avec une perte de matière limitée.

Intérêt de l’impression 3D au niveau industriel

Au niveau industriel, le prototypage rapide a été le principal vecteur du développement de l’impression 3D. En effet, la réalisation de prototypes était considérée comme une étape complexe, fastidieuse et coûteuse qui ralentissait le processus de conception. La technologie de fabrication additive a ainsi diminué le temps de mise sur le marché, car elle permet d’obtenir dans des délais courts les représentations intermédiaires physiques servant à la validation des étapes de conception ou de développement d’un produit (forme, aspect, ergonomie, etc.) et ce en amont de sa version finale et de sa commercialisation. Dans une phase plus avancée, la maturité de certains procédés, tels que la fusion sur lit de poudre, a permis d’intégrer cette technologie pour la fabrication rapide de certaines pièces. Avec l’accroissement de la précision des machines et l’élargissement des matériaux disponibles, les propriétés mécaniques des pièces obtenues par impression 3D sont devenues comparables à celles réalisées avec d’autres techniques de fabrication. La technologie d’impression 3D de pièces mécaniques assure les conditions nécessaires pour :

  • La fabrication de formes complexes qui serait difficilement réalisable avec les techniques classiques de moulage et d’usinage.
  • L’optimisation de la fabrication de la pièce par la réduction de la consommation de matériaux (environ 3 % de pertes) et la diminution du nombre d’étapes dans le processus industriel.
  • La diminution des temps de production, s’accompagnant d’une réduction des coûts de fabrication d’un facteur s’étalant de 2 à 10.
  • L’amélioration du bilan énergétique grâce à la production de la pièce par atomisation de la quantité de matière suffisante et nécessaire, sans copeaux ni fluides de coupe qui ajouteraient un surcoût énergétique de recyclage.
  • La décentralisation de la production grâce à la possibilité offerte par les technologies de communication d’imprimer à distance, depuis un ordinateur central.

En vue de tirer pleinement avantage de ces bénéfices, l’implémentation de la technologie 3D dans l’industrie pose de nouveaux défis sur le plan organisationnel impactant l’ensemble de la chaine de conception/fabrication au niveau de l’industrie. Il peut être cité la nécessité de la réorganisation de la chaîne de production et de la chaîne logistique (organisation des flux) ou bien encore la remise en question du mode de production avec le passage d’une production centralisée dans des usines à une production décentralisée, vers des usines locales voire des clients producteurs. La production en réseau attenant au déploiement de la fabrication additive se doit de garantir un haut niveau de qualité de production avec la maîtrise de la qualité tout le long de la logistique pour assurer la satisfaction client.

L’impression 3D apparait comme un nouveau moyen de production, supplémentaire et complémentaire, qui ne se substituera pas totalement aux centres d’usinage à commande numérique, mais qui ambitionne d’apporter une réponse technologique à leurs limites. Grâce aux atouts de cette technologie, les évolutions techniques entreprises ces dernières années ont permis à l’impression 3D de se positionner stratégiquement dans l’industrie, notamment pour la conception de pièces de petites/moyennes séries ou à forte valeur ajoutée. Les principales contraintes pour la démocratisation de cette technologie restent les faibles dimensions de pièce créées par cette technologie, des coûts machine d’impression 3D et/ou matière qui restent encore élevés et des délais élevés d’homologation et de qualification des pièces. Dès lors où ces verrous seront levés, le potentiel d’innovation lié à cette technologie pourra se révéler au travers de leur adoption massive pour la fabrication de pièces complexes et à grandes séries dans des domaines applicatifs élargis.

Raphael Knoerr

A propos de Raphaël Knoerr

Diplômé de l’École Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse, Raphaël Knoerr rejoint d’abord la société Mitsubishi Chemical Corporation (Japon) où il travaille au développement et à l’optimisation de formulations chimiques appliquées au procédé d’imprimerie laser. Il poursuit sa carrière en tant qu’Assistant R&D au sein de la société Olmix où il réalise sa thèse en tant que doctorant CIFRE. Consultant Senior en financement de l’innovation, il rejoint le cabinet Melyad (branche financement public du groupe Asteryos) en juillet 2015. Expert de l’industrie, il est désormais responsable de la qualification de l’innovation et de l’identification des solutions de financement public pour de nombreuses sociétés innovantes.