Auteur: Karl D’haveloose
On peut en débattre autant que l'on veut, que l'on soit féru de technologie ou investisseur. Mais une chose est sûre : la fabrication additive (en anglais : Additive Manufacturing ou, comme nous l'abrègerons ci-après dans cet article, AM) ne remporte pas particulièrement les faveurs des investisseurs à l'heure actuelle. Et pour être honnête, si l'on interroge les fournisseurs, notamment ceux spécialisés dans l'impression 3D métal, on constate que ce secteur a encore du mal à sortir de l'entonnoir de vente. Je pense toutefois que toute vérité doit être nuancée, et que chaque personne a toujours raison lorsqu'elle fait des raccourcis. Alors qu'il y a six ans, tout le monde pensait qu'il suffirait d'acheter une imprimante 3D métal pour commencer à imprimer dès le lendemain, on entend aujourd'hui dire que certaines de ces machines ont été abandonnées dans un coin, où elles ne servent plus à rien si ce n'est à prendre la poussière.
Voici donc, pour commencer, ce que j'en pense personnellement. Pour l'instant, et surtout si l'on s'intéresse de plus près à des entreprises comme Materialise, qui imprime également aux États-Unis pour l'industrie, la défense et le secteur médical (prothèses), on constate, en analysant les chiffres, que ce sont principalement le secteur médical et, dans une moindre mesure, la défense qui permettent à l'impression 3D de se maintenir. L'impression industrielle est en effet dans l'impasse, et compte tenu de la conjoncture, cette situation devrait perdurer encore quelque temps.
Cependant, en Belgique aussi, dans le segment des outils complexes et coûteux, des moules et des prototypes ambitieux dont on ne fabrique parfois qu’un seul exemplaire, on voit se multiplier les projets qui font appel à l’impression 3D, notamment en titane et dans d’autres alliages. Je vais à présent revenir plus en détail sur mon titre, qui fait allusion à la manière dont la conception pour la fabrication (en anglais : Design for Manufacturing – abrégé ci-après en DFM) peut être révolutionnée par sa 'demi-sœur', qui n'est autre que la conception pour la fabrication additive (en anglais : Design for Additive Manufacturing – abrégé ci-après en DfAM). Et pour cela, je vais commencer par vous expliquer brièvement la différence qui existe entre ces deux méthodes. Ensuite, nous examinerons quelques cas concrets susceptibles d'intéresser tant les ingénieurs que les investisseurs.
Avec ou sans 'A' entre DFM ?
La conception pour la fabrication additive (DfAM) est une méthode de conception qui vise spécifiquement à optimiser les performances fonctionnelles et la rentabilité des produits fabriqués par fabrication additive (AM). Alors que la conception pour la fabrication (DFM) traditionnelle vise à réduire la complexité des pièces fraisées ou moulées, le DfAM consiste au contraire à tirer parti de l'énorme liberté qu'offre la fabrication couche par couche en termes de formes. Et comme vous le savez très bien, un de ces procédés est additif, tandis que l'autre est destructif.
Le DfAM va au-delà de la simple adaptation d'une conception existante : il nécessite de repenser radicalement la structure du produit.
Directives de conception restrictives
Malgré la liberté qu'elle offre, l'AM va de pair avec des contraintes techniques spécifiques dont il faut tenir compte lors de la phase de conception :
Il faut savoir qu'aujourd'hui, même les acteurs de premier plan tels que Siemens NX et Autodesk Fusion 360 proposent déjà des outils de CAO intégrés pour l'AM. Mais il y a aussi les spécialistes qui se concentrent exclusivement sur la génération de modèles basés sur l'AM, tels que nTopology et Ansys Additive Suite. Il y a donc bien assez de plateformes de conception à disposition.
Maintenant que nous savons de quoi il s'agit et quels sont les paramètres et les contraintes à prendre en compte, nous devons aller à l'essentiel de ce qu'Industrialnews Monthly souhaite vous faire comprendre : quand est-il judicieux d'opter pour des modèles basés sur l'AM, et quand vaut-il mieux s'en tenir à une conception traditionnelle pour l'usinage complexe ? Et surtout, existe-t-il des exemples concrets de réussite pouvant inspirer la confiance nécessaire, que l'on soit ingénieur, responsable de production ou investisseur ?
Nous savons que le DfAM est en train de complètement bouleverser la logique de production traditionnelle ; il est donc utile d'expliquer brièvement comment cette approche est mise en pratique, et par qui. Et, en tant que lecteur, vous vous demandez certainement aussi si ces exemples concrets sont des cas isolés, et s'il en existe dans notre petit pays.
L'injecteur de carburant du moteur LEAP de GE… et bien plus encore !
D'un point de vue technique, les injecteurs de carburant non traditionnels utilisés dans les turboréacteurs doivent comporter des circuits internes complexes afin d'assurer un mélange parfait du carburant et de l'air pour une combustion efficace. L'injecteur précédent était composé de 20 pièces distinctes qui étaient moulées et fraisées, puis assemblées par soudage et brasage fort. Grâce au DfAM, on peut désormais fabriquer les injecteurs en une seule pièce.
Mais ce n'est pas tout, puisque tous les petits canaux complexes et sinueux destinés au refroidissement interne, inaccessibles aux forets et très sensibles aux dépôts de carbone, peuvent désormais être configurés librement afin de prolonger la durée de vie du produit. L'impression a été réalisée à partir d'un superalliage cobalt-chrome par fusion laser directe de métal. Ce matériau est extrêmement résistant à la chaleur, mais très difficile à usiner. Le nouvel injecteur est ainsi 25 % plus léger que son prédécesseur et 5 fois plus durable grâce à sa durée de vie accrue et à une utilisation plus efficace des matériaux.
Du point de vue de l'investisseur (après la phase expérimentale), il est également opportun d'examiner de plus près les aspects liés au retour sur investissement, au coût total de possession et à l'évolutivité. Grâce à ce produit qui permet d'économiser du carburant, GE jouit en effet d'un important avantage concurrentiel, l'optimisation de l'injecteur ayant permis de réduire de 15 % la consommation de carburant du moteur LEAP et de multiplier par 5 sa durée de vie. Pour une compagnie aérienne, cela se traduit par des économies de plusieurs millions d'euros et une réduction du coût total de possession par avion et par an.
GE elle-même parvient ainsi à réduire ses coûts et à optimiser sa chaîne d'approvisionnement et ses stocks en supprimant 20 pièces, et ce, à partir d'un seul matériau de base (la poudre). En 2023, GE a franchi le cap des 180.000 injecteurs imprimés. Cela prouve que l'AM n'est plus une technologie de niche réservée exclusivement aux prototypes, mais bien un procédé fiable adapté à la production de masse. D'ailleurs, cette technologie est aujourd'hui aussi utilisée pour fabriquer d'autres composants.
Revenons maintenant à ce qui se passe du côté de chez nous. Où le DfAM continue-t-il d’être mis en œuvre comme un modèle économique intéressant pour les projets plus complexes (et plus rentables) ? Parmi les exemples les plus connus, nous pouvons notamment citer le cas de Materialise et Atos qui ont développé un insert de satellite en titane, celui d’ASML et Melotte qui ont mis au point de nouveaux blocs de refroidissement, celui de Guaranteed, une entreprise belge active dans le secteur maritime et de la construction navale, qui a fait appel au procédé de fabrication additive arc-fil (en anglais : Wire Arc Additive Manufacturing ou WAAM) pour réparer les arbres et les pompes des navires grâce à des bras robotisés qui impriment au lieu de souder, sans oublier le cas de la société néerlandaise RAmblab qui imprime des hélices de navires de 400 kg certifiées ainsi que des crocs et des bollards d'amarrage pour les ports et l'offshore.
Dans le cas d'ASML et Melotte, par exemple, l'ingénieur en charge du projet a réussi à repousser les limites de la gestion thermique et de la dynamique des fluides dans les blocs de refroidissement. Dans les machines de lithographie EUV d'ASML, la chaleur doit être évacuée de manière extrêmement rapide pour pouvoir maintenir un niveau de précision au nanomètre près. Les canaux traditionnels réalisés par perçage présentent en effet des 'angles morts', où des turbulences se forment et ralentissent les flux. Le DfAM permet un refroidissement conforme : des canaux qui épousent exactement la forme de la source de chaleur, avec des transitions lisses et courbes.
En concevant les blocs de refroidissement entièrement via le DfAM et en les imprimant par frittage laser direct de métal à très haute résolution, le coefficient de transfert thermique a augmenté de 30 % pour un flux laminaire.
Pour ASML, un meilleur refroidissement signifie que la machine peut fonctionner à une vitesse (cadence de production) plus élevée sans risque de surchauffe. On peut ainsi augmenter la capacité de production d'une usine de puces (Fab), ce qui est crucial sur un marché marqué par de fortes pénuries. En termes de maintenance, l'absence de soudures signifie qu'il n'y a plus de fuites, ce qui se traduit par un gain de temps de fonctionnement estimé à plus de 150 millions de dollars.
Plus concrètement, pour ceux qui souhaitent voir tout cela sous forme de graphique, on peut assez simplement parler du paradoxe de la complexité gratuite. Quelle que soit la taille de la série à produire, la conception dans une perspective DfAM devient intéressante si l'entreprise est en mesure de calculer le point de basculement entre la complexité de conception et le coût de production global par unité.
