L'IMPRESSION 3D MÉTAL DEVIENT PLUS ACCESSIBLE

Pour beaucoup d'entreprises, le seuil à franchir pour se lancer dans la fabrication additive métallique était trop élevé. Cette situation évolue progressivement avec l'arrivée sur le marché d'imprimantes à métaux et de systèmes d'AM à faible coût qui traitent des matériaux nettement moins chers. Est-ce le moment de se lancer dans l'impression 3D métal?

Quelle est la taille du marché?

Le marché de l'impression métal a renoué avec la croissance l'année dernière, après que le secteur ait été sous pression en 2020 en raison du frein aux investissements, notamment dans les industries aérospatiale et automobile. Selon certains analystes, la croissance à deux chiffres enregistrée en 2021 se poursuivra pendant au moins dix ans . AMPower, une société de conseil allemande, prévoit que le marché de l'impression métal connaîtra une croissance d'environ 26% au cours des prochaines années. IDTechEx, une société britannique d'études de marché, prévoit une croissance annuelle de près de 19% jusqu'en 2032.

Une croissance à deux chiffres semble impressionnante, surtout si on la compare aux taux de croissance des ventes de machines-outils, par exemple. Mais il s'agit de chiffres concernant un marché très restreint, dont la taille exacte n'est même pas connue. L'association allemande des constructeurs de machines-outils (VDW), par exemple, déclare ne pas pouvoir donner de chiffres car il n'existe pas encore d'accords univoques au niveau mondial sur l'enregistrement des machines de MA.

Les consultants d'AMPower estiment que l'année dernière, les ventes d'imprimantes métal ont atteint environ 1 milliard d'euros. A titre de comparaison: selon le VDW, en 2020, on a vendu dans le monde des rectifieuses pour une valeur de 4,3 milliards d'euros. Un marché de niche, lors d'une année faible en matière d'investissements dans les machines-outils, mais qui est plus de quatre fois plus important que le marché de la fabrication additive métallique un an plus tard.

L'impression métal suscite L'attention  

Alors, faut-il ignorer la technologie? Non, selon les fabricants de systèmes AM. Les conditions des chaînes d'approvisionnement mondiales sont tellement perturbées que cela a créé un climat idéal pour la poursuite de la croissance de la fabrication additive. "Les perturbations deviennent la nouvelle normalité, tout le monde en souffre", déclare Tali Rosman, qui dirige l'activité d'impression 3D métal chez Xerox.

Selon une étude réalisée par la société américaine Gardner, 90% des entreprises investissent actuellement dans une plus grande flexibilité afin de se rendre moins dépendantes des aléas des longues chaînes d'approvisionnement. Ces entreprises considèrent la fabrication additive comme l'une des solutions, non seulement pour produire localement, mais aussi pour utiliser la fabrication additive afin de réduire le nombre de pièces individuelles et de diminuer les stocks en produisant à la demande.

Il reste encore de nombreux obstacles à surmonter avant la véritable percée de la fabrication additive

Il reste encore de nombreux obstacles à surmonter avant que la fabrication additive ne fasse une réelle percée, reconnaissent les initiés du secteur. Par exemple, il faut des matériaux meilleurs et moins chers. Et les systèmes d'AM doivent être intégrés plus facilement dans les flux de travail numériques qui permettent de contrôler l'ensemble de la production.

L'amélioration des connaissances en matière de conception pour la fabrication additive est peut-être le plus grand défi. Mais pour la plupart, il est clair que la fabrication additive métal est en train de basculer. SmarTech estime que la valeur de toutes les pièces imprimées en métal sera d'environ 30 milliards de dollars d'ici 2030.

Alors la fabrication additive métal sera lancée. Même si, d'ici-là, des techniques telles que le jet de liant, l'extrusion et la déposition d'énergie dirigée (DED) auront également trouvé leur place, l'analyste Scott Dunhamm s'attend à ce que la technologie de fusion laser sur lit de poudre (PLBF) reste dominante.

Solutions AM à faible coût

Jusqu'à présent, les PME et les grandes entreprises ont ignoré cette technologie, en partie à cause des investissements élevés. Ceux-ci se chiffrent souvent en centaines de milliers d'euros et il faut ajouter les investissements supplémentaires pour le stockage des poudres, les gaz, la manutention, etc. Plusieurs parties ont donc mis au point des solutions nettement moins coûteuses. Des imprimantes métal à lit de poudre sont désormais disponibles pour environ 100.000 euros.

En outre, certains fabricants de matériaux et d'imprimantes promettent d'imprimer des pièces en métal avec des filaments. Ces systèmes AM à faible coût sont-ils utilisables? Oui, très utilisables, estiment les analystes, qui s'attendent à ce que l'abaissement du seuil dynamise le marché. Les fabricants tels que Xact Metal et Kurtz Ersa utilisent des sources laser moins chères dans leurs machines avec des diamètres de focale plus grands; parfois, ils placent même l'optique sur un système de coordonnées cartésiennes qui se déplace en X et en Y.

Une qualité de faisceau inférieure et un diamètre de focale plus grand affectent la précision de la surface d'une imprimante pour métaux, mais ce n'est pas un obstacle insurmontable. Le grand avantage est que cela permet aux fabricants de réduire le prix de revient. Outre la mise au point de systèmes AM moins coûteux, ces nouveaux-venus s'efforcent également de faciliter l'ensemble du processus.

One Click Metal, lancé à l'origine par certains employés de Trumpf et aujourd'hui détenu en grande partie par Index Werke, utilise par exemple des cartouches contenant la poudre. Cela simplifie l'ensemble du processus de manipulation des poudres et supprime ainsi un obstacle. Le logiciel, qui fonctionne dans le cloud, simplifie également le processus d'impression, tout cela dans le but d'augmenter l'accessibilité. 

Impression avec des matériaux solides

Les poudres font l'objet d'un débat constant. Les poudres métalliques sont chères, d'une part en raison d'un processus de production coûteux, d'autre part parce que l'offre est encore faible. En outre, elles nécessitent des investissements supplémentaires pour un stockage sûr. Certains fabricants optent donc pour une approche différente au niveau des matériaux. Comme Markeforged et Desktop Metal, par exemple. Le premier utilise du filament, le second des tiges. Dans les deux matériaux, une forte proportion de poudre métallique est emballée dans un liant polymère.

Cette approche nécessite souvent une étape de déliantage, parfois intégrée au four de frittage, ainsi qu'un frittage pour atteindre une densité élevée. Un rétrécissement se produit pendant le frittage; en moyenne, la pièce se rétracte d'environ 20% dans toutes les directions, car les particules métalliques fusionnent presque complètement et remplissent les espaces où se trouvait le liant polymère. Au final, selon les fabricants, on peut obtenir une densité dans la pièce qui est de 99% ou plus.

En utilisant le système complet - imprimante 3D et four de frittage - le rétrécissement est bien prévisible et le processus de frittage est entièrement contrôlé par le logiciel, dans lequel il ne faut rentrer qu'un petit nombre de paramètres. L'avantage du frittage est que toutes les contraintes résiduelles sont éliminées de la pièce. Avec les systèmes à lit de poudre, si les contraintes résiduelles posent problème, un post-traitement thermique est souvent nécessaire. Le frittage étant contrôlé, les pièces ne se déforment pratiquement pas, ce qui peut parfois arriver avec les systèmes à lit de poudre.

La société espagnole Meltio est l'un des nouveaux-venus dans le domaine de la technologie DED. Elle imprime avec du fil de soudage. Cette vidéo montre (en mode avance rapide) comment un robot et un axe rotatif impriment des produits sans avoir recours à une structure de support.

Il existe également des fournisseurs qui commercialisent des filaments chargés de métal pouvant être traités par des imprimantes FFF plus ou moins ordinaires. Un four de frittage industriel est alors nécessaire; les entreprises en disposent parfois. Dans ce cas, les investissements sont beaucoup plus faibles, car le four de frittage constitue généralement l'une des parties les plus coûteuses du système. Les entreprises devront alors développer leurs propres réglages pour contrôler le rétrécissement des composants. Il s'agit donc de choisir entre la rapidité et la commodité, d'une part, et le temps nécessaire au développement de l'application et l'acquisition de connaissances supplémentaires, d'autre part.

Au début de cette année, des chercheurs de l'Université Arts et Métiers de Lille, en France, ont décrit leur concept de Hardware X dans un article scientifique. Ils y décrivent un concept d'imprimante 3D métal à faible coût qui utilise des pastilles renfermant des poudres métalliques. La production des granulés remplis de poudre métallique est plus simple et donc moins chère que celle du filament rempli de métal.

Les scientifiques ont construit le HardwareX et l'ont testé avec du 316L. Les premiers résultats sont là. Combinée au fraisage CNC (éventuellement dans la même machine), la machine produit des pièces utilisables. Leur système peut rapprocher la fabrication additive de métaux et des normes de production industrielle.

Toutes les techniques décrites ci-dessus, qu'il s'agisse des systèmes à lit de poudre peu coûteux ou des systèmes à filament, nécessitent un support pendant l'impression 3D. Desktop Metal et Markforged impriment tous deux une couche intermédiaire entre le support et la pièce, ce qui permet de retirer la structure de support facilement. On peut ainsi gagner du temps et donc réduire les coûts de post-traitement.

Mais n'oubliez pas: ces solutions n'ont de sens que si la conception de la pièce est adaptée pour tirer le meilleur parti de l'impression 3D métal.

Matériaux moins chers

Une troisième façon de réduire le coût de chaque pièce imprimée en 3D consiste à utiliser un fil de soudage standard, qui est fondu par un faisceau laser. Ces systèmes de déposition à énergie dirigée (DED) existent depuis un certain temps. Cependant, de nouveaux acteurs du marché parviennent à amener les propriétés des pièces qu'ils impriment au niveau des pièces moulées, parfois même un peu plus haut. 

Certains fabricants promettent une densité de matériau supérieure à 99,9% avec une microstructure fine. Ces propriétés sont supérieures à celles des pièces forgées et des pièces moulées. Les systèmes DED, disponibles sous forme de machines complètes ou d'unités d'impression à intégrer dans une machine CNC ou à combiner avec un robot, peuvent coûter plus de 100.000 euros, mais c'est surtout le faible prix des matériaux qui permet de maintenir le coût par pièce imprimée à un faible niveau. En outre, cette technologie est beaucoup plus simple que celle des systèmes de fusion laser sur lit de poudre (LPBF).

De plus, dans certains de ces systèmes, on peut combiner plusieurs types de fils, de sorte qu'il est possible d'imprimer des pièces composées de plusieurs alliages. Ces systèmes ont certainement leurs limites par rapport à un système de fusion laser sur lit de poudre. Par exemple, ce dernier peut imprimer des structures internes plus complexes. Mais il existe de nombreuses applications dans l'industrie métallurgique pour lesquelles la technologie DED constitue une bonne solution.

En imprimant 'near net shape', on évite d'avoir à usiner beaucoup de matériau

De plus, en combinaison avec un 4e et un 5e axe sur lesquels le produit repose, il est possible d'imprimer sans structure de support. Ces systèmes répondent à un autre problème qui prendra de plus en plus d'importance dans les années à venir: la réduction du gaspillage de matériaux. En imprimant 'near net shape', on évite d'avoir à usiner beaucoup de matériau. Certains fournisseurs, comme l'entreprise espagnole Meltio, proposent non seulement des machines entièrement intégrées, mais aussi des têtes séparées qui peuvent être intégrées dans une machine CNC ou avec un robot. D'autres, comme Gefertec (qui appartient maintenant en partie à EMAG), proposent des machines complètes.

L'entreprise américaine Xerox utilise également du fil de soudage en aluminium, qui est un matériau bon marché. La technologie Xerox est toutefois différente: l'aluminium fondu est 'projeté' sur la pièce sous forme de très petites gouttes (Liquid Metal Printing), ce qui permet à la pièce de se construire rapidement. Bien que l'investissement pour cette technologie soit considérable, le coût des matériaux est très faible et la vitesse de fabrication est élevée: on peut imprimer en 3D 220 grammes d'aluminium par heure. La précision dans le plan X-Y est limitée à 0,6 mm.

En Belgique, Valcun travaille sur une technologie - Molten metal Deposition - qui rendrait l'impression 3D métal moins chère. Cette startup gantoise utilise la technologie de l'extrusion (FDM) pour imprimer des pièces métalliques. Pour cela, elle utilise n'importe quelle matière première, même du métal recyclé si nécessaire. Comme elle recourt à l'extrusion continue, le processus est rapide. Valcun veut tordre le cou au préjugé selon lequel l'impression 3D métal est coûteuse et voit des applications dans les produits 'near-net-shape' et et dans les échangeurs de chaleur, entre autres.

L'impression 3D métal ne doit plus être coûteuse. Il existe des solutions qui sont à la portée d'une PME habituée à dépenser 100.000 euros ou plus pour un centre d'usinage à commande numérique.

Peut-être même que ce n'est pas le coût inférieur, mais la facilité d'utilisation des nouveaux systèmes, qui rend l'impression 3D métal plus accessible.