Les principaux défis de la fabrication additive et comment les surmonter

Les procédés de fabrication additive (AM) consistent à ajouter de la matière jusqu'à ce que le produit soit fini. La fabrication additive est l'opposé de la fabrication soustractive (SM), les méthodes traditionnelles de l'atelier d'usinage qui consistent à découper un matériau solide jusqu'à ce que l'article soit terminé. L'impression 3D est l'activité la plus souvent associée à la fabrication additive, mais elle comprend des technologies telles que :

• Extrusion - Le matériau est poussé à travers une filière ou un orifice pour créer la forme souhaitée. Les matériaux fréquemment utilisés dans l'extrusion sont les métaux, les plastiques et les composites. Les tuyaux, les fils, les cadres de fenêtres et les boîtes de conserve en aluminium sont des exemples de produits façonnés par extrusion.
• Lamination - Combinaison de deux ou plusieurs couches de matériau. Il est souvent utilisé pour protéger et préserver des documents, des photographies et d'autres matériaux, en leur conférant une résistance et une rigidité accrues. Les matériaux sont collés ensemble à l'aide de la chaleur, de la pression ou d'un adhésif. Le pelliculage est utilisé dans divers secteurs, notamment l'impression, l'emballage et la fabrication.
• Jet de liant - Un agent liant est incorporé dans le processus pour combiner des particules de métal, de céramique ou de poudre composite. La poudre est étalée en couche mince, puis liée de manière sélective à l'agent liant. L'injection de liant est relativement rapide et permet de produire des pièces complexes avec une grande précision et un niveau de détail élevé.
• Jetting de matériau - Technologie d'impression 3D utilisant une résine photopolymère liquide durcie par une lumière UV. Semblable à la stéréolithographie (SLA), le jet de matériau projette des gouttelettes de matériau sur une plate-forme de construction, couche par couche, selon un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO) en 3D. Après le dépôt de chaque couche, le matériau est durci à l'aide d'une lumière UV, ce qui permet de produire des pièces très détaillées et précises. Le procédé de projection de matériaux permet d'imprimer dans une large gamme de matériaux, y compris des résines transparentes, caoutchouteuses et flexibles.
• Dépôt direct d'énergie (DED) - Des faisceaux à haute énergie, tels que des faisceaux d'électrons, des faisceaux laser et des arcs de plasma, fondent et déposent des matériaux de manière contrôlée pour construire une pièce tridimensionnelle couche par couche. Ce procédé offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes de fabrication soustractives ou formatives conventionnelles, comme une plus grande souplesse de conception, des temps de traitement plus courts et la possibilité de produire des pièces de géométrie et de forme complexes.
• Fusion sur lit de poudre (PBF) - Une autre technologie d'impression 3D qui développe des pièces complexes couche par couche à partir de poudre de métal ou de plastique. Dans le cas de la fusion sur lit de poudre, un laser fait fondre et fusionne de manière sélective de petites particules de matériau dans un lit de poudre. Ce processus est répété jusqu'à ce que la pièce en 3D soit produite. La technique PBF permet de produire des pièces aux géométries complexes et aux détails compliqués avec une grande précision et une grande répétabilité.
• Polymérisation en cuve - Procédé de polymérisation en masse dans lequel des monomères sont ajoutés à une cuve ou à un conteneur et chauffés dans des conditions structurées. La chaleur fait réagir les monomères ou les polymérise pour former un polymère. Ce procédé permet de former des polymères de poids moléculaire plus élevé que les autres procédés de polymérisation.

Cet article explore les défis (primaires, techniques, opérationnels, organisationnels) dans le secteur de la fabrication additive, comment les surmonter et les résoudre en travaillant avec un partenaire expérimenté en fabrication additive.

Il existe plusieurs possibilités d'améliorer le domaine de la fabrication additive. Ces défis sont notamment les suivants :

• Dépenses d'investissement - L'investissement initial pour l'équipement d'impression 3D est substantiel, mais il est loin d'être aussi important que les méthodes traditionnelles de fabrication soustractive. Les conditions économiques actuelles contribuent également à l'aversion pour les dépenses d'investissement importantes. Les dépenses d'investissement peuvent être difficiles à justifier lors d'une incursion dans un secteur nouveau et dynamique. Si l'objectif est d'accélérer la fabrication de prototypes, les méthodes comptables traditionnelles peinent souvent à calculer un retour sur investissement justifiable.
• Maintenance - La technologie des imprimantes 3D (3DP) évolue et les pannes ne sont pas rares, même avec un entretien régulier. Les temps d'arrêt et la maintenance sont des coûts potentiels qui effraient les investisseurs. Les pièces essentielles peuvent être maintenues en stock en raison de problèmes résiduels dans la chaîne d'approvisionnement, ce qui augmente les coûts de possession.
• Pénurie de main-d'œuvre - L'expertise technique nécessaire à la gestion et à l'exploitation de l'équipement constitue un autre défi. Le marché a une énorme demande d'expertise technique pour superviser et faire fonctionner l'équipement AM. Cette expertise peut devoir être développée en interne avec une formation externe, ce qui est un processus lent lorsqu'il s'agit de justifier des biens d'équipement. Les conversions de fichiers et l'expertise en matière d'équipement ne représentent qu'une partie des besoins en main-d'œuvre. En fonction de la technologie, un opérateur peut être nécessaire pour échanger les filaments en cours d'impression, ajuster les réglages, retirer les structures de soutien et effectuer les opérations de post-traitement.
• Disponibilité des matériaux - Compte tenu de la relative jeunesse des technologies d'AM, la disponibilité des matériaux est bien moindre que celle des services de fabrication traditionnels. Avec moins d'antécédents en matière de matériaux et une sélection de matériaux plus limitée, l'AM offre un grand nombre d'opportunités. Heureusement, le développement des matériaux AM progresse à un rythme soutenu.
• L'environnement de l'AM - Pour beaucoup, un changement de paradigme est nécessaire pour adopter une nouvelle technologie qui évolue rapidement. De nombreux investisseurs attendent que le développement technologique atteigne un plateau et que tous les problèmes soient résolus. Ces opinions finiront par changer avec le temps et l'amélioration des matériaux et des technologies.

Comme pour toute nouvelle technologie, plusieurs défis techniques restent à relever avant que la plupart des fabricants n'adoptent l'industrie de l'AM. Il s'agit notamment des défis suivants :

• Vitesse de production lente - Le procédé 3DP est connu pour ses vitesses de fabrication lentes, ce qui l'empêche d'être utilisé pour des applications de production à grande échelle. Les fabricants d'équipements sont conscients de cette lacune et recherchent avec diligence des méthodes permettant d'améliorer les vitesses de production. Les imprimantes SLS (Selective Laser Sintering) ont adopté deux têtes d'impression pour fritter la poudre plus rapidement. D'autres prototypes d'imprimantes peuvent apparemment imprimer trente couches simultanément au lieu d'une. Enfin, certaines imprimantes ont amélioré leur vitesse de 2 000 %.
• Automatisation du post-traitement - La plupart des pièces obtenues par AM et imprimées en 3D nécessitent une certaine forme de post-traitement. Cela nécessite une main-d'œuvre supplémentaire et contribue aux frais généraux par unité. Certaines opérations d'AM nécessitent l'enlèvement du support, le ponçage, le nettoyage, le lissage de la vapeur, le durcissement, etc. Le défi consiste à automatiser ces opérations à l'aide de la robotique et de systèmes de manutention automatisés.
• Logiciels - Les capacités de préparation et de conception des données sont limitées. Les entreprises ont besoin d'une infrastructure numérique appropriée pour gérer efficacement leurs opérations d'impression 3D. C'est pourquoi l'industrie a mis au point des logiciels de gestion des flux de travail spécialement conçus pour l'impression 3D. Ces logiciels facilitent la gestion du flux de travail, y compris les demandes, l'analyse de l'imprimabilité, l'analyse des machines, la programmation de la production, la gestion du post-traitement et la communication avec les fournisseurs.
• Qualité - La variation d'une pièce à l'autre est un problème pour de nombreuses technologies d'AM. La composition du matériau est une source cruciale de variation due à la contamination. Une partie de ces variations est liée au matériau, tandis qu'un stockage et une manipulation inadéquats en sont un autre aspect. Des tests normalisés sont nécessaires pour garantir la qualité des matériaux et de la manipulation. La possibilité de surveiller la fabrication en temps réel à l'aide de caméras et de capteurs intégrés dans une imprimante 3D permettra de passer d'un système de contrôle en boucle ouverte à un système de contrôle en boucle fermée. Le système en boucle fermée permet de surveiller la fabrication en temps réel et contribue à la cohérence des géométries, des propriétés des matériaux et des finitions de surface qui favorisent la qualité.  
• Matériaux - La sélection des matériaux s'est considérablement améliorée, mais il reste encore beaucoup à faire pour que le secteur de la fabrication assistée par ordinateur dépasse les technologies existantes. Les informations sur les matériaux sont insuffisantes, car il n'existe pas de base de données complète sur les matériaux avec des paramètres d'impression établis et des spécifications clairement définies. Les fabricants hésitent à utiliser une technologie présentant de telles lacunes en matière d'information.
• Normes - L'industrie manque de lignes directrices à l'échelle de l'industrie, y compris de normes universellement comprises et acceptées. Certains acteurs clés de l'élaboration des normes, comme ISO et ASTM International, ont mis en place des comités dédiés à l'élaboration de normes en matière d'AM.

Les nouvelles technologies n'ont pas de précédent pour l'adoption de la fabrication additive au niveau opérationnel, et il existe peu de modèles commerciaux et de calcul des coûts basés sur la technologie AM. La propriété de la conception numérique est un autre problème juridique qui effraie de nombreuses entreprises, tout comme la grave pénurie de personnel qualifié dans les domaines de l'AM.

La bonne nouvelle est que la popularité et l'adoption de l'AM augmentent rapidement. Le développement rapide de nouveaux matériaux permet à l'AM de remplacer de nombreuses technologies soustractives conventionnelles. L'établissement de normes d'AM acceptées à l'échelle mondiale aidera également l'industrie à accroître son empreinte dans la fabrication.

Ces préoccupations peuvent être atténuées en s'associant à un partenaire expérimenté dans le domaine de l'impression 3D. Cette étape élimine les dépenses d'investissement et la courbe d'apprentissage. Un partenariat permet d'accéder à davantage de matériaux additifs et à diverses options de post-traitement. Outre les partenariats directs avec des fabricants, plusieurs entreprises de fabrication distribuées ont des fabricants locaux et sont disponibles pour superviser ces services.