INVESTIR DANS UNE PROPRE IMPRIMANTE 3D
OU SOUS-TRAITER?

L’impression de métal offre une liberté de conception exceptionnelle

On parle beaucoup des possibilités exceptionnelles de l’impression 3D de métal. Et l’impression de métal connaît, en effet, des propriétés uniques diffi­ciles à égaler avec d’autres techniques de production. Le principal avantage est incontestablement la liberté de conception: le coût de la production est en soi assez indépendant de la forme du produit. La complexité n’entraîne que peu, voire pas de coûts supplémentaires. La fabrication additive offre donc évidemment aussi un sérieux avantage pour les pièces très complexes. Cette liberté de conception fait en sorte qu’on puisse apporter très facilement des adaptations au concept – on peut varier à l’infini en apportant de petites adaptations au projet. Cette même liberté de conception permet aussi ‘des smart designs’, des conceptions évitant ou suppri­mant tout assemblage: avec d’autres technologies, la production de différents sous-éléments pour un certain objet résulte souvent d’une nécessité ou d’une restriction, inhérente à la technologie. L’impression 3D offre ici d’importantes opportunités permettant de repenser les concepts en fonction de l’efficacité.

SÉRIES POUR LA PRODUCTION DE MASSE

Une des raisons pour lesquelles l’impression 3D de métal est devenue un sujet aussi brûlant ces dernières années, c’est parce que différents éléments peuvent aujourd’hui déjà être imprimés en série pour la production de masse. Les vitesses d’impression et les coûts liés à l’impression de certaines pièces sont, en effet, de plus en plus attractifs.

Bien utiliser la technologie

Attention, la production additive de pièces en métal n’offre souvent des possibilités intéressantes que si la technologie est aussi utilisée correctement. L’application efficace de l’impression 3D de métal exige bien plus que l’utilisation d’une imprimante. La conception de la pièce que vous comptez imprimer, constitue, en effet, toujours le facteur différenciateur pour tirer avantage de l’Additive Manu­facturing (AM).

Les ‘avantages’ ci-dessus ne sont, de plus, que quelques généralités, car en fait, l’impression 3D de métal englobe quelques technologies différentes, avec chacune leurs avantages et leurs inconvénients. Vous trouverez plus d’informations sur les différentes technologies pour l’impression de métal dans le site web du Métallerie.

LIT DE POUDRE

Dans cet article, nous nous basons principalement sur les machines utilisant la technologie du lit de poudre (SLM ou DLMS). Dans le cadre de ce processus, une couche de poudre de métal atomisée est fondue à des endroits précis et adhère ainsi (par laser ou faisceau d’électrons). Une nouvelle couche de poudre est ensuite posée, et le processus est répété pour produire une pièce. Cette méthode d’‘impression’ est pour le moment toujours la technologie largement la plus appliquée pour l’impression de métal. La technologie est idéale pour la production additive de structures exigeant une grande précision.

Cette précision entraîne toutefois des incon­vénients. Les machines exigent souvent des tolérances étroites, p.ex. pour la poudre de métal utilisée comme matériau, la vitesse de production est relativement lente et la production de très grands composants est déjà un peu plus compliquée. Et c’est justement ici qu’une autre technologie excelle: la Directed Energy Deposition (DED) et ses variantes (comme le ‘cladding’ et le ‘wire arc additive manufacturing’). Nous attarder sur ces technologies nous mènerait trop loin dans cet article, mais vous devez savoir qu’elles représentent une méthode de production attrayante et complémentaire. Par rapport aux procédés à lit de poudre, les vitesses de production et donc aussi le rythme de processus sont élevés. En raison de la précision et de la rugosité de surface, cette méthode d’impression se prête cependant plutôt à la production de pièces plus grosses pour les applications offshore, maritimes et l’industrie aéronautique et aérospatiale. On retrouve, en revanche, les imprimantes à lit de poudre dans toutes sortes de secteurs: automobile, construction mécanique, médical (et dentaire) et aéronautique. Un volume de construction moyen d’une telle imprimante se situe autour des 300 x 300 x 250 mm, mais il y a aussi de nombreuses imprimantes avec p.ex. 100 x 100 mm de diam., et des imprimantes avec une surface de construction de 2 x 0,5 x 0,5 m seraient en préparation. Différents types d’acier, de titane, d’aluminium, de cobalt-chrome et d’alliages de nickel sont disponibles en poudre.

AU TRAVAIL … OU PAS SI VITE?

Toutes les applications ne se prêtent pas à l’additive manufacturing. Avant que l’AM soit introduit dans votre organisation, il est donc important qu’il y ait un use case comme un business case pour la technologie. La toute première chose à savoir est, en effet, où il y a pour votre entreprise ou application une possibilité de devenir plus compétitive au moyen de l’impression 3D. L’utilisation de production additive dans une entreprise ne doit jamais être un but en soi. L’impression 3D est purement un moyen d’accroître la compétitivité de votre entreprise.

En interne ou sous-traiter?

Si des applications intéressantes pour l’impression de métal ont toutefois été identifiées, il est temps de retrousser ses manches. Ici, de nombreuses entreprises hésitent cependant entre exécuter l’impression 3D en interne ou la sous-traiter à une société d’impression 3D spécialisée.

Dans cet article, nous nous penchons sur les deux options possibles. Il n’y a certes pas une approche uniforme: les deux options ont leurs avantages et leurs inconvénients, et le choix dépend finalement des objectifs de votre organisation. Pour vous aider à prendre votre décision, nous allons examiner les avantages et incon­vénients des deux options de plus près ainsi que les principaux facteurs dont chaque entreprise devrait tenir compte pour sa stratégie AM. L’option la plus évidente dépend de différents facteurs. La méthode que vous choisissez, doit, en effet, être adaptée à vos objectifs de workflow et de projet. Les applications que vous voulez imprimer et la fréquence à laquelle vous voulez imprimer, doivent être les facteurs déterminants pour savoir si vous sous-traitez ou achetez une imprimante.

Une première étape

Une première étape logique consisterait à s’asseoir autour de la table avec des experts ayant de l’expérience. Si vous n’avez pas encore d’expérience ou que vous voulez faire imprimer une quantité réduite de pièces, les sociétés de services sont souvent la meilleure option. Les entreprises fournissant des services d’impression sont pratiques aussi si vos pièces sont composées de matériaux très différents ou ont différentes applications.

Pour un dossier de production aussi complexe exigeant un travail de spécialistes, une société de services avec de l’expérience dans la conception pour la production additive est peut-être bien le meilleur choix.

Les fournisseurs expérimentés ne manquent pas du tout en Belgique et aux Pays-Bas (vous trouverez une vue d’ensemble actualisée sur le site web www.flam3d.be/leden). C’est pourquoi des applications spécifiques comme le cladding sont aussi souvent confiées à des entreprises spécialisées.

Qualifications

La formation et du personnel qualifié sont, en effet, déjà importants lors de la phase de conception: dans quelle mesure votre équipe est-elle familiarisée avec la conception pour l’additive manufacturing? La conception pour l’impression 3D exige des connaissances supplémentaires pour exploiter pleinement les avantages spécifiques de pièces imprimées. Les concepteurs et ingénieurs formés en méthodes de conception et prescriptions de montage pour les méthodes de production conventionnelles devront se recycler. La fabrication additive ne connaît pas une bonne partie des restrictions traditionnelles et permet aux ingénieurs de réaliser des pièces exclusivement avec la forme et le fonctionnement souhaités en tête. Si vous ne possédez pas les moyens pour comprendre complètement l’impression 3D et concevoir pour celle-ci, sous-traiter une partie de la production peut constituer une manière de minimiser et compenser les risques.

Timing

Le timing pour l’implémentation d’impression 3D doit aussi être pris en considération. Avez-vous besoin des pièces de suite ou avez-vous le temps et le budget pour apporter des adaptations à l’ingénierie et aux opérations de production pour mettre un nouveau processus en place? Si vous avez besoin des pièces immédiatement, vous avez intérêt à vous adresser à une société de services. L’installation, le réglage et la commande d’une imprimante ne sont pas toujours évidents et exigent souvent une période de rodage avec trial & error.

Lorsqu’une imprimante interne tourne toutefois bien et que les matériaux nécessaires sont présents, les résultats d’impression sont directement disponibles. Un inconvénient du travail avec une société de services, c’est la flexibilité un peu moindre en ce qui concerne le délai de livraison – limité en cas d’imprimante interne au temps d’impression.

Production en série: tout de même acheter une propre imprimante?

Si vous avez souvent besoin de pièces complètes (fonctionnelles), une plus grosse machine robuste peut avoir sa place dans votre entreprise. Les imprimantes de ce type sont une bonne option pour la production de pièces en de plus grands nombres de pièces produites dans le même matériau. Ces machines impliquent un sérieux investissement: pour les imprimantes de métal, vous payez vite 250.000 euros pour les systèmes plus petits, jusqu’à un million et plus pour un système de production en série complet. Pour que les investissements soient rentables, il faut donc être rela­tivement sûr d’une certaine quantité de pièces imprimables.

Pour ce montant, vous recevez une machine puissante pouvant réaliser de bons chiffres de productivité pour la production en série comme la production unique, grâce à la présence de plusieurs lasers. De telles machines offrent, en outre, de nombreuses possibilités pour optimiser avec un progiciel étendu et des paramètres de processus réglés individuellement les processus de production et exécuter des développements de matériau. SLM Solutions (disponible dans le Benelux chez EKZO), Renishaw (Renishaw Benelux) et TRUMPF (V.A.C. Machines) pro­posent notamment de telles machines et pré­sentent d’excellents chiffres. Vu les prix à 6 chiffres liés à ces technologies d’impression 3D industrielles, ces imprimantes peuvent se retrouver hors de portée de certaines PME. Le marché évolue cependant rapidement. A part les plus gros fabricants, on conseillait par le passé à la plupart des entreprises de sous-traiter l’impression 3D, au lieu de l’exécuter en interne. La progression rapide de la technologie et le prix moins élevé font rapidement évoluer la situation.

NOMBREUX PROTOTYPES,
UNE IMPRIMANTE

L’an dernier, de nombreuses imprimantes de métal moins chères ont aussi fait leur apparition sur le marché. Ces imprimantes 3D ‘desktop’ (ne vous méprenez pas, ces machines sont un peu plus grandes qu’un bureau moyen) permettent l’impression de métal pour un prix d’environ 100.000 euros.

Les volumes des pièces pouvant être imprimées sont toutefois limités (1 à 5 dm³, avec quelques pointes ici et là). Ces machines conviennent dès lors surtout pour les pièces plus petites. Comme nous l’avons dit plus haut, un des principaux facteurs à prendre en compte est votre application de la technologie et ainsi la complexité en fonction de votre pièce. Si vous comptez p.ex. produire des modèles réduits ou des prototypes fonctionnels pour lesquels plusieurs itérations de conception sont nécessaires, un propre système d’AM peut être plus économique. Une imprimante plus petite de ce type – ou éventuellement une imprimante non destinée au métal – peut alors être une bonne solution. Des prototypes peuvent ainsi être produits à des coûts relativement réduits. Les concepteurs peuvent recevoir un feed-back et adapter rapidement les con­cepts.

Beaucoup de facteurs peuvent ralentir l’introduction de nouveaux produits pendant la durée du développement de produits, du choix des outils au temps perdu à attendre les prototypes venant d’un fournisseur externe. Evitez ce problème spécifique avec une imprimante 3D interne. Le prototypage avec l’impression 3D aide les équipes à communiquer avec les parties intéressées et donne finalement de meilleurs produits finis et des lancements de produits plus efficaces. Une entreprise peut ainsi introduire de nouvelles innovations afin de garder une longueur d’avance sur la concurrence. Les imprimantes 3D desktop conviennent aussi si vous avez besoin de pièces rapidement. Plusieurs petites imprimantes offrent plus de flexibilité et donnent à la fois accès à différents matériaux. Souvent, les imprimantes à lit de poudre sont, en effet, configurées pour travailler avec un certain matériau. Le changement de matériau prend vite une demi-journée, voire plus. Toute la machine doit être nettoyée soigneusement en interne afin d’éviter toute contamination éventuelle. Aujourd’hui, des machines plus coûteuses travaillent avec un système de cartouches. Le passage à un autre type de poudre est plus rapide.

MATÉRIAUX ET POST-TRAITEMENT

Les poudres de métal utilisées pour l’impression à lit de poudre sont presque exclusivement produites au moyen d’atomisation, un processus lors duquel le métal est fondu et vaporisé dans un environnement contrôlé. Les particules de métal fondues se figent en une forme ronde. Elles doivent idéalement être parfaitement rondes et non poreuses. Le diamètre des particules est aussi particulièrement important pour la qualité du produit fini. Ces propriétés sont surtout essentielles pour les systèmes à lit de poudre et le diamètre doit être contrôlé avec précision afin de ne pas influencer négativement les propriétés de fluage de la poudre: les poudres sont, en effet, ‘étendues’ sur le lit. Des particules plus épaisses ou poreuses peuvent aussi influencer fortement le processus de fusion – et donc la qualité finale. Des poudres avec des diamètres entre 30 et 45 microns sont nécessaires pour cette technologie.

Le prix de ces poudres est donc plutôt élevé. Un kilo de poudre de titane est disponible à partir d’environ 200 euros, mais cela peut excéder 700 euros pour la poudre pour applications médicales.

Il faut également tenir compte du fait que les coûts totaux pour l’exécution en interne d’impression 3D sont bien plus élevés que les coûts d’investissement initiaux liés à l’achat d’une machine. Les coûts courants pour l’exploitation et la maintenance peuvent vite augmenter. Outre les coûts pour les machines, les entreprises ont besoin de matières premières, d’infrastructure spéciale (local, filtration de l’air et stations de finition possibles) et d’opérateurs compétents pour les commander. C’est pourquoi l’investissement dans un système industriel doit faire partie d’une stratégie AM à plus long terme afin que les coûts initiaux éventuels soient limités par les économies à long terme sur les coûts de production et de sous-traitance. Cela englobe la prise en considération d’un budget pour la maintenance, les systèmes complémentaires et l’achat de matériaux.

L’impression avec des poudres de métal exige, enfin, souvent également des gaz (azote ou argon). Lors de l’impression, une atmosphère inerte doit toujours régner dans la chambre d’impression d’une imprimante SLM. Une atmosphère inerte dans la chambre d’impression pendant la fabrication de produits en métal permet d’éviter leur oxydation. Des traitements de surface et un nettoyage peuvent encore être nécessaires. Selon la finition souhaitée ou nécessaire, ce post-traitement peut demander deux fois plus de temps que l’impression proprement dite.

APPROCHE HYBRIDE POUR UN WORKFLOW FLEXIBLE?

L’échelle de la production de pièces doit également être un point important, vu que la production à grande échelle de pièces nécessite souvent plusieurs machines. Si votre entreprise conçoit, développe et produit des produits (de la planche de dessin à la ligne de production), il peut toutefois être nécessaire d’investir dans différentes technologies d’impression spécifiques. Cela peut alors valoir la peine d’investir dans des machines pour le prototypage comme les éléments de production. Une autre option peut consister en une solution hybride. Ici, seule une partie de la capacité d’impression est sous-traitée.

Même si une entreprise possède des imprimantes 3D, sous-traiter certaines tâches d’impression peut ouvrir des possibilités pour l’impression avec différents matériaux, processus et pro­priétés; tous adaptés aux besoins de la pièce à imprimer. Combiner les deux approches peut être une manière particulièrement efficace d’in­tégrer la technologie.

Des entreprises peuvent ainsi p.ex. avoir des systèmes d’AM en interne pour la production de prototypes (ou produits finis), mais s’adresser à des sociétés de services pour les plus grosses pièces, les matériaux inhabituels, certains niveaux de finition ou des produits finis complexes. Avec des équipes et ingénieurs compétents, les sociétés de services sont bien au courant des exigences de conception AM spécifiques pour les éléments de production. Grâce à leur grande capacité d’impression, elles sont, en outre, en mesure d’imprimer d’importants batches de pièces.

CONCLUSION

Quelle que soit l’option choisie, votre processus d’impression 3D doit être adapté à vos besoins. Avec suffisamment de recherche, il est possible de trouver la meilleure option pour vos besoins.

Demander des exemples

Il peut être intéressant de demander des exemples imprimés de plusieurs sociétés de services et fabricants d’imprimantes 3D. Ici, plus d’informations sur la pièce exemple, comme le temps qu’il a fallu pour imprimer la pièce et la quantité de matériau utilisée, seront très utiles.

Une impression multiple justifie l’investissement

Si l’organisation s’adonne à l’impression multiple de certaines pièces, un propre investissement peut valoir la peine; surtout s’il vous faut des temps de production et itérations rapides. Dès que votre système est au point et que vous avez du personnel formé, des dates limites peuvent être atteintes plus facilement avec la production à la demande et les concepts peuvent être adaptés aussi souvent que nécessaire, sans les coûts et le temps d’attente liés à la sous-traitance.

Quelle imprimante?

Pour ce qui est des imprimantes 3D, différentes options sont possibles. Certaines imprimantes coûtent jusqu’à quelques millions d’euros, d’autres sont bien moins chères. Chaque type d’imprimante a toutefois ses avantages et ses inconvénients: bien que les coûts d’achat des imprimantes de métal ‘desktop’ soient relativement réduits, elles conviennent, en raison de leur taille compacte et de leurs possibilités limitées, moins pour un usage intensif, surtout si un important volume d’impression est exigé.

Sous-traitance

Tout le monde ne doit évidemment pas acheter une imprimante. La première étape consiste tout de même souvent à sous-traiter le travail d’impression. On peut même s’en tenir à cela; pour les quantités plus petites de travail d’impression, cela ne vaut généralement pas la peine d’acheter une machine. La sous-traitance signifie aussi un plus vaste choix de technologies et de matériaux d’impression 3D.

Votre organisation peut donc essayer différentes options, sans devoir investir dans plusieurs systèmes. De tels fournisseurs offrent, enfin, beaucoup de compétence. Les sociétés de services peuvent vous conseiller sur les matériaux les plus adéquats, les considérations en matière de conception et autres. Bon nombre de sociétés proposent, en outre, des services de conception et de finition, exigeant tous deux une préparation et un post-traitement importants des données. Les coûts d’une pièce imprimée en 3D en externe sont en toute logique plus élevés que ceux d’une pièce produite en gestion propre. La sous-traitance peut, en outre, être plus lente, à cause de retards et temps de livraison éventuels. Les besoins de votre organisation et votre stratégie AM doivent finalement être étudiés avec soin pour trouver la meilleure manière d’intégrer l’impression 3D dans vos processus de pro­duction.

POST-TRAITEMENT

Le post-traitement de pièces imprimées vaut en fait déjà bien un sujet en soi. Dans bon nombre de cas, la rugosité de surface de pièces imprimées est insuffisante. Cela doit évidemment être pris en compte. Vous voyez d’autre part aussi que cela peut être abordé de manière créative: des pièces sont, par exemple, déjà conçues de manière à ce que les étapes de post-traitement soient minimisées. Ou on enlève uniquement de la matière aux endroits où cela est vraiment nécessaire. Un post-traitement thermique (compactage, élimination des tensions) du matériau s’impose également souvent. Ici, on applique souvent (surtout pour les pièces critiques) le pressage isostatique à chaud (HIP), un processus de production utilisé pour éliminer la porosité interne dans les pièces en métal. Il s’agit d’une forme de traitement thermique utilisant une pression élevée pour améliorer les propriétés du métal. Cette pression est exercée par un gaz inerte, souvent de l’argon. En maintenant la pièce un moment dans une chambre fermée à une température et une pression accrues, on observe également un fluage et une diffusion.