1. Introduction
Dans le contexte du développement de produits, le terme de prototypage rapide (RP) était largement utilisé pour décrire les technologies qui permettaient de créer des prototypes physiques directement à partir de données numériques. Les premières méthodes de prototypage rapide sont apparues à la fin des années 1980 et ont été utilisées pour produire des modèles et des pièces prototypes. Les utilisateurs de la technologie RP ont réalisé que ce terme est insuffisant pour décrire les applications plus récentes de ces technologies. Le comité ASTM F-42 a récemment été créé dans le but de standardiser la terminologie de la fabrication additive (AM) et de développer des normes industrielles. Selon leur première norme, ASTM F2792-10, l’AM est définie comme “le processus d’assemblage de matériaux pour fabriquer des objets à partir de données de modèle 3D, généralement couche par couche, par opposition aux technologies de fabrication soustractive”. Le principe de base de cette technologie est qu’un modèle géométrique, initialement généré à l’aide d’un système de conception assistée par ordinateur tridimensionnel (CAO 3D) (par exemple CATIA, Pro/Engineer, SolidWorks), peut être fabriqué directement sans avoir besoin de planification des processus [1].
Il existe de nombreux termes connexes utilisés pour décrire l’AM, et des synonymes courants incluent la fabrication additive, la fabrication par couches additives, la fabrication numérique directe, l’impression 3D et la fabrication sans moule. Au cours des 20 dernières années, l’AM a évolué des simples imprimantes 3D utilisées pour le prototypage rapide dans des résines non structurales vers des systèmes de fabrication rapide sophistiqués pouvant être utilisés pour créer des pièces fonctionnelles dans différents matériaux d’ingénierie directement, sans utiliser d’outillage. La plupart des travaux réalisés à ce jour ont été menés avec des matériaux polymères, mais le développement de procédés d’AM tels que la fusion/sintering laser sélective, la fusion par faisceau d’électrons et la mise en forme par impression laser ont permis de construire des pièces en utilisant des matériaux métalliques, des composites à matrice métallique et des matériaux céramiques. Les pièces fabriquées par fabrication additive sont maintenant utilisées dans les domaines de l’aérospatiale, de l’automobile, de la médecine, ainsi que dans les produits de consommation et militaires [1-3].
La fabrication additive ou l’impression 3D suscite une attention sans précédent de la part des médias grand public, de la communauté des investisseurs et des gouvernements nationaux du monde entier. Cette attention a atteint son apogée lorsque l’impression 3D a été mentionnée par le Président des États-Unis Barack Obama lors de son discours sur l’état de l’Union en février 2013. L’AM, qui n’a que 25 ans et qui est encore une industrie relativement petite, a connu une transformation, passant de l’obscurité à quelque chose dont on ne cesse de parler. En 2011, environ 1600 articles ont été recensés. En 2012, ce chiffre est passé à 16000, soit une augmentation décuplée. Le prototypage a été la principale application de cette technologie, d’où le nom de prototypage rapide, et cela reste une catégorie clé. Cependant, l’application qui connaît la croissance la plus rapide concerne la fabrication réelle de pièces pour des produits finaux. En seulement 10 ans, cette application importante est passée de presque rien à plus de 28% du chiffre d’affaires total mondial des produits et services. La fabrication de pièces finales, plutôt que le prototypage, est là où se trouve l’argent de la fabrication et c’est la partie la plus significative de l’avenir de l’AM. Les chercheurs et les leaders de l’industrie de l’Union européenne (UE) ont identifié l’AM comme une technologie émergente clé. Des relations de collaboration ont été établies entre les universités, l’industrie et les entités gouvernementales au sein et entre les pays. Le niveau global d’activité et d’infrastructure dans l’UE dépasse celui des États-Unis dans ce domaine clé. Plusieurs grands projets coopératifs ont été financés, d’une valeur de millions d’euros à travers l’Europe, parmi lesquels AMAZE (fabrication additive visant à réduire les déchets et à améliorer la production efficace de produits métalliques de haute technologie) [4], RAPOLAC (production rapide de pièces aérospatiales de grande taille) [5], Custom Fit (visant la fabrication de produits de consommation et médicaux personnalisés en masse) [6], E-BREAK (composants et sous-systèmes de percée de moteur) [7], TiAlCharger (turbochargeurs en alliages de titane aluminés – amélioration de l’efficacité énergétique, réduction des émissions) [8], et bien d’autres. Les grandes entreprises aéronautiques, telles que Boeing, GE Aviation et Airbus, travaillent d’arrache-pied pour qualifier les procédés et les matériaux d’AM pour les vols. Boeing, par exemple, compte désormais 200 références de pièces AM sur 10 plates-formes de production, pour des avions militaires et commerciaux [9].
En 2013, la NASA et Aerojet Rocketdyne ont testé des composants de moteur de fusée fabriqués par fabrication additive. À des températures approchant 3300 °C, les injecteurs de carburant de fusée AM ont donné des performances identiques à celles des pièces fabriquées de manière conventionnelle. La série de tests a démontré la capacité à concevoir, fabriquer et tester un composant critique de moteur de fusée en utilisant la technologie de fabrication par fusion laser sélective (SLM). Ce type d’injecteur fabriqué avec des procédés traditionnels prendrait plus d’un an à produire, mais avec ces nouveaux procédés, il peut être fabriqué en moins de quatre mois, avec une réduction des coûts de 70% [10]. La société General Electric Aviation a utilisé le SLM pour produire des pièces pour sa future famille de moteurs turbofan LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion), réalisée en collaboration avec la société française Snecma.
Les technologies d’AM ont le potentiel de changer le paradigme de la fabrication, en passant de la production de masse dans de grandes usines avec des outillages dédiés et des coûts élevés à un monde de personnalisation de masse et de fabrication distribuée. L’AM peut être utilisée à n’importe quelle étape du cycle de vie du produit, depuis les prototypes pré-production jusqu’à la production à grande échelle, ainsi que pour les applications d’outillage ou de réparation après production. Les processus d’AM stimulent l’innovation dans la conception des composants, permettant la création de pièces qui ne peuvent pas être réalisées par des méthodes traditionnelles, et stimulent l’adoption de nouveaux modèles économiques et de nouvelles approches de la chaîne d’approvisionnement. L’AM permet la fabrication de formes très complexes avec peu de limitations géométriques par rapport aux procédés de fabrication traditionnels.
Cette liberté de conception a par exemple conduit à l’utilisation de la technologie pour fabriquer des formes optimisées topologiquement avec des rapports résistance-poids améliorés, un aspect fondamental à la fois dans la conception aérospatiale et automobile pour réduire le poids des véhicules. Pour l’industrie biomédicale, l’AM conduit déjà à une révolution dans la médecine personnalisée, où les implants dentaires, les orthèses et les prothèses auditives sont fabriqués pour s’adapter à la physiologie unique de chaque individu.
Cependant, malgré de nombreux exemples de croissance et de progrès, de nombreux mythes et idées fausses associés à la technologie se sont développés :
- L’AM est une technologie à faible contenu en main-d’œuvre “automatique”.
En réalité, une grande partie du travail se fait avant et après la production effective des pièces : en effet, il est nécessaire de préparer les données en amont, ce qui peut nécessiter une expertise en CAO, ainsi que la réparation des modèles et l’optimisation des structures de support. De plus, les principaux paramètres de construction, tels que l’épaisseur de couche, la température, la vitesse de balayage et d’autres options, peuvent nécessiter des ajustements pour une pièce particulière ou un type de matériau.
- L’AM est rapide.
Comme son nom l’indique, les systèmes d’AM construisent des pièces en déposant, fusionnant, polymérisant ou laminant des couches consécutives de matériau. Ces couches ont généralement une épaisseur de 0,025 à 0,250 mm, de sorte que les pièces nécessitent souvent des milliers de couches. Par conséquent, la préparation de grandes pièces peut prendre plusieurs jours.
- Les systèmes d’AM peuvent produire n’importe quoi.
La plupart des systèmes d’AM peuvent construire avec succès des formes qui ne peuvent pas être fabriquées facilement, voire pas du tout, à l’aide de méthodes de fabrication conventionnelles. Cependant, les processus d’AM ont également leurs limites. L’une d’entre elles est l’épaisseur minimale des parois. Une autre est l’exigence de supports sur les surfaces orientées vers le bas, qui peuvent être difficiles à enlever. La matière piégée dans les canaux internes peut également être difficile ou impossible à enlever, et la dimension des canaux internes détermine le degré de difficulté de l’élimination de la matière.
- Les systèmes d’AM et les matériaux sont peu coûteux.
En général, les systèmes d’AM industriels sont plus chers que les centres d’usinage CNC, et les matériaux de départ sont beaucoup plus chers (par exemple, des poudres de haute qualité, avec une composition chimique, une taille et une forme contrôlées).
Quoi qu’il en soit, à mesure que l’AM continue à se développer à différents niveaux et dans de nombreuses directions, elle gagnera en momentum et en respect en tant que méthode de fabrication. Les pièces en métal produites par certains systèmes d’AM sont déjà à la hauteur de leurs homologues coulées ou moulées. À mesure que les organisations qualifient et certifient ces matériaux et ces processus, l’industrie deviendra très importante. L’impression 3D ne rivalise pas avec les techniques de fabrication conventionnelles, mais les complète et les hybride pour rendre de nouvelles choses possibles.
