La fabrication additive connue par le grand public sous le nom "d'impression 3D" est de plus en plus utilisée aujourd'hui. Elle s'intègre dans une nouvelle politique dans les domaines de la recherche et de la production.

Qu’est-ce que la fabrication additive ?

La fabrication additive est un procédé de fabrication développé à partir des années 1980. Il consiste en la mise en forme de pièces par ajout de matière contrairement à la fabrication traditionnelle qui, lors de l’usinage procède par enlèvement de matière. Les pièces produites grâce à cette méthode peuvent être réalisées en plusieurs matériaux : métaux (aciers, titane), céramiques, polymères… Dans les années 80, cette technique est mise en place pour le prototypage et les tests d’un produit avant sa production. Cependant, elle est, aujourd’hui, utilisée pour la production de pièces dans diverses entreprises. La fabrication additive est employée dans différents secteurs industriels. En effet, cette technologie intéresse tout particulièrement le secteur de l’automobile, de l’aérospatial ainsi que celui du biomédical. Elle permet de combiner temps de production faible et coût peu élevé. La taille des pièces produites dépend principalement de la taille de la machine, avec un ordre de grandeur de 50*50*50 cm³.

La fabrication additive et l’École des Mines de Saint-Étienne

Depuis quelques années, l’École des Mines de Saint-Étienne souhaite s’impliquer dans la fabrication additive, avec une interaction accrue avec les partenaires Stéphanois. C’est une équipe de plus de 5 personnes (chercheurs et doctorants) qui travaillent actuellement sur ce thème. Nous avons eu l’occasion de rencontrer l’un d’entre eux, Aurélien Villani. Il est maître assistant à l’École et spécialisé dans le domaine de la simulation numérique. Titulaire d’un doctorat des Mines de Paris, il a rejoint cette équipe en octobre 2016 avec pour mission d’étudier les caractéristiques micro-structurales des pièces produites par fabrication additive, et d’optimiser leur propriétés. L’EMSE dispose, via un partenariat avec l’ENISE, de deux de ces machines. Cette mutualisation des équipements permet aussi une complémentarité des savoir-faire des deux établissements.

A combien s’élève cette technologie ?

Les prix d’achat des machines de fabrication additive sont très variables. Cela dépend du type de procédé, des capacités de la machine, des capacités volumiques de fabrication. Les prix varient aussi en fonction du matériau. Par exemple, pour les machines dédiées aux polymères, on trouve des machines de 5K à 200K€. Pour celles dédiées aux métaux, les prix peuvent varier entre 500K€ et 2M€. Ces coûts très élevés ont entraîné une certaine mutualisation chez les acteurs de ce secteur. En ce qui concerne les matières premières qui sont sous forme de poudre, les prix dépendent de la qualité de la poudre et surtout du matériau. On trouve par exemple le kilo de poudre d’aciers inoxydables à 200€ et celui de titane à 500€. Cependant, le coût apparemment important est à relativiser, du fait que la présence d’un technicien n’est pas obligatoire durant du processus de fabrication.

Quelles sont les étapes de cette méthode ?

Il existe plusieurs méthodes de fabrication additive. La plus utilisée d’entre elles se nomme Selective Laser Melting ou SLM (fusion/frittage laser sur lit de poudre). Elle repose sur la répétition de deux étapes principales : le dépôt d’une couche de poudre, dont la taille caractéristique est de l’ordre de la dizaine de micromètres, et le passage d’un laser qui permet de fondre cette dernière. L’enchaînement de cette séquence permet de construire progressivement la pièce. Avec cette méthode, il est possible de réaliser des pièces de géométrie complexe. Cependant, du fait de la superposition de couches, le produit présente des propriétés mécaniques différentes selon la direction du passage du laser. Cela est dû à la vitesse de fusion et de solidification de la poudre, qui s’accompagne de température localement très importante. Afin d’éviter des déformations de la pièce produite et ainsi garantir son intégrité structurelle, une cuisson de cette-dernière est effectuée. Enfin, pour éliminer la rugosité de la pièce, on procède à un traitement de surface plus ou moins important selon l’utilité et la fonction de la pièce. La méthode SLM est la plus utilisée actuellement car elle est rapide d’exécution et il reste la moins cher du marché. Elle procure, de plus, la meilleure finition.

Machine de fabrication additive

Les exigences d’aujourd’hui : risques, dangers, pollutions, recyclage, normes

En fabrication additive, les améliorations à faire concernent essentiellement le recyclage. La morphologie des poudres change après chaque utilisation à cause du rouleau appliqué sur une couche. Les alliages ne sont presque pas réutilisables. En ce qui concerne le procédé de fabrication, les risques sont très faibles puisque l’étalage de la poudre, de même que la fusion se font sous confinement, ce qui diminue les risques d’inhalation. Des masques et des lunettes protectrices sont mis à la disposition des manipulateurs. Les machines de fabrication additive ne sont pas plus énergivores que les machines d’usinage classiques, au contraire : pour une hélice à trois pâles par exemple, le temps d’utilisation machine est 5 fois inférieur pour la fabrication additive. Les normes sont faites les plus souvent sur les pièces finies. Il existe des certifications sur les matériaux utilisés qui sont difficilement modifiables : introduire un nouvel alliage en aéronautique prend plusieurs années. Aujourd’hui, avec la fabrication additive, plusieurs machines sont sous certification.

Quel avenir pour la fabrication additive ?

Depuis son apparition, la fabrication additive n’a cessé d’intéresser un public de plus en plus large, allant des grands groupes industriels aux particuliers. Il y a eu un effet de mode autour de cette technologie. Cela explique en partie l’augmentation de son utilisation dans l’industrie et, notamment, dans le domaine de la recherche et du développement. Du fait de cette augmentation, les prix des machines de fabrication, et donc les coûts de production, auront tendance à diminuer.

Aujourd’hui, des recherches sont réalisées afin d’optimiser ce procédé de fabrication. Une attention toute particulière est portée sur la possibilité de réutiliser la poudre non fondue mais aussi sur les matériaux utilisés. Une nouvelle demande est apparue. Les industriels souhaitent désormais pouvoir simuler toutes les étapes de la fabrication additive. C’est pour cela que certains professionnels se sont lancés dans la commercialisation de logiciels permettant de satisfaire la demande de ces industriels. Enfin, l’avenir est aussi là où on ne l’attend pas : la NASA réfléchit actuellement à des systèmes d’impression 3D de nourriture !

Mouhamed SAMBE & Adel MEGHERBI