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Comment les États-Unis ont-ils pris la tête dans la course à la fabrication additive ?

Comment les États-Unis ont-ils pris la tête dans la course à la fabrication additive ?

by Gaëtan Lefèvre14 avril 2016
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Depuis les premiers brevets déposés en 1984, les États-Unis mènent la danse dans le secteur de la fabrication additive. En plus de posséder quelques-unes des sociétés les plus influentes du secteur, le gouvernement américain fournit de nombreux efforts afin de concentrer ses compétences nationales sur le développement de cette technologie. La situation américaine en fait rêver plus d’un ! Analyse d’une prise de dominance dans le secteur de la fabrication additive.

Par Giorgio Magistrelli, expert fabrication additive, gestionnaire d’entreprises et de projets.

 

Il y a plus de trente ans, la France et les États-Unis ont été à l’origine de la fabrication additive (FA). Dans les faits, cette technologie est née en France. Le premier brevet a été déposé en juillet 19841 par Jean-Claude André, chercheur au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et à l’Institut polytechnique de Lorraine, Olivier de Witte et Alain le Méhauté, ingénieurs électrochimiques au centre de recherche de la Compagnie Générale d’Électricité (CGE), ancien Alcatel, à Marcoussis. Cette technologie a été le résultat d’une recherche sur la géométrie fractale et la manière de produire un tel objet. Compte tenu de l’impossibilité de fabriquer les pièces à géométrie fractale par usinage ou moulage, les chercheurs ont eu l’idée d’inventer l’impression en 3D. L’imprimante française fonctionnait avec des lasers de Cilas, une filiale de la CGE fondée en 1966 afin d’exploiter industriellement et commercialement les résultats des laboratoires de recherche sur les sources et les équipements laser. Malheureusement, les concepteurs n’ont pas été suivis par les fabricants et l’aventure française s’est rapidement arrêtée. Olivier de Witte est devenu, quelques années plus tard, le responsable de la société 3D Systems en France.

Au même moment, en 1982, aux États-Unis, Chuck Hull expérimente la stéréolithographie (SLA) etc les possibilités de fabrication par couches successives. Le 11 mars 1986, il enregistre son brevet US 4,575,330. À ce moment, l’accent est clairement mis sur l’amélioration du prototypage rapide de petites pièces en plastique pour tester de nouveaux produits. Ce processus innovant introduit une technique révolutionnaire basée sur l’utilisation d’un laser Ultra-Violet (UV) venant frapper et durcir une zone ciblée de la résine. Ce brevet définira le format de fichier 3D «.stl» et permettra également, de créer l’entreprise 3D Systems Corporation, fondée à Valencia, en Californie. Ce géant de la fabrication des imprimantes 3D lancera à la fin de l’année 1988 le premier système SLA, la SLA-250, et le premier système de material jetting en 1996.

2012, une année décisive

Au cours des années 1980 et 1990, la fabrication additive a été utilisée comme une méthode de prototypage rapide pour le moulage et l’outillage. Il faudra, cependant, attendre le début du siècle pour que son développement prenne vraiment de l’ampleur. Depuis cinq ans, la fabrication additive connaît une nouvelle phase de croissance. Le soutien d’organismes fédéraux, comme la National

Science Foundation (NSF) et le Department of Defense (DOD), a été crucial pour la recherche et le développement initial de cette technologie aux États-Unis. Selon l’Institut de la politique scientifique et de la technologie (Science and Technology Policy Institute2), depuis 1986, la NSF a dépensé plus de 200 millions de $ pour la recherche sur la fabrication et les activités connexes. Aujourd’hui, plusieurs organismes fédéraux sont impliqués dans la R&D sur la fabrication additive : la National Aeronautics and Space Administration (NASA), l’Institut national des normes du département du Commerce des États-Unis (National Institute of Standards of the U.S. Department of Commerce – NIST), le Department of Defense (DOD) et le ministère de l’Énergie américain (Department of Energy). Au sein du DOD, plusieurs organismes de recherche sont impliqués, dont l’Agence de recherche de l’armée, la marine et la force aérienne (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA).

Ces organismes fédéraux soutiennent les laboratoires de recherche et d’enseignement ainsi que les petites et grandes entreprises. Ils parrainent des conférences techniques et participent à l’élaboration et aux évolutions des nouvelles technologies. Pour soutenir les efforts de recherche et de développement d’emploi, les organismes de R&D fédéraux ont également mis en place le développement de plusieurs feuilles de route technologiques. En se concentrant sur le développement de la fabrication additive, en août 2012, dans le cadre de l’initiative We Can’t Wait, initiée par le président américain Barack Obama, sur les techniques avancées de production, les États-Unis ont établi l’America Makes et le National Additive Manufacturing Innovation Institute. Il s’agit d’un partenariat public-privé entre les agences du gouvernement fédéral, le secteur privé et les universités ouvrant à une collaboration pour trouver des solutions aux obstacles relatifs à la fabrication additive ; accélérer la recherche, le développement et la démonstration des opportunités et des applications ainsi que la croissance dans le secteur manufacturier. L’investissement prévu du gouvernement fédéral initial était de 30 millions de $ pour la période 2012-2014 avec une prévision jusqu’en 2017 d’un total de 55 millions de $.

Lors de son discours sur l’état de l’Union en 2013, le président américain Barack Obama a annoncé que l’impression 3D avait le « potentiel de révolutionner la manière dont nous fabriquons presque tout ». « Notre priorité est de faire de l’Amérique un pôle d’attraction pour créer de nouveaux emplois et pour la fabrication. Après avoir perdu des emplois pendant plus de 10 ans, nos compagnies ont créé environ 500 000 emplois au cours des trois dernières années. Caterpillar a relocalisé ses emplois qui étaient au Japon et Ford du Mexique. Après avoir délocalisé des usines dans d’autres pays comme la Chine, Intel ouvre de nouveau une usine la plus avancée, ici, à la maison. Cette année, Apple recommence à produire des Macs en Amérique. Nous pouvons accélérer cette tendance. L’année dernière, nous avons créé notre premier institut d’innovation de fabrication à Youngstown, dans l’Ohio. Un ancien entrepôt désaffecté a été réhabilité en atelier de fabrication dans lequel les employés maîtrisent les techniques de l’impression 3D. L’impression 3D a le potentiel de révolutionner la manière dont nous fabriquons presque tout. Il n’y a aucune raison pour que cela ne puisse pas arriver dans d’autres villes. Alors ce soir, je vous annonce le lancement de trois autres centres similaires, dans lesquels les entreprises travailleront en partenariat avec les départements de la Défense et de l’Énergie afin de transformer les régions délaissées par la mondialisation en bassin d’emplois high-tech. Et je demande au Congrès d’aider à créer un réseau d’une quinzaine de ces plates-formes et de garantir que la prochaine révolution industrielle sera Made in America ».

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Le Réseau national pour l’innovation dans la manufacture (National Network for Manufacturing Innovation – NNMI), guidé par le Centre national pour la manufacture et l’usinage de la défense (National Center for Defense Manufacturing and Machining – NCDMM), réunit 45 instituts et finance des projets de recherche sur des composants innovants. Ce réseau investit, par exemple, dans les matériaux biorésorbables pour les dispositifs médicaux ou dans de nouveaux alliages métalliques. Au sein de ce réseau, l’institut America Makes, basé à Youngstown, dans l’Ohio, est devenu une référence. Selon le récent rapport du Government Accountability Office (GAO)3, le programme du gouvernement America Makes a reçu des fonds supplémentaires grâce à des projets financés par l’État et le secteur privé. L’armée, la marine, l’armée de l’air et l’Agence pour la logistique de la défense se sont engagées à travailler en partenariat avec America Makes pour développer une feuille de route inclusive entre tous les ministères. Focalisée sur la fabrication additive, cette feuille de route s’associera aux nombreuses autres et prendra effet dans les prochains mois. Diverses agences américaines financent également une grande variété d’activités de recherche et de développement. L’accent est mis sur l’utilisation de nouveaux matériaux, processus et applications pour la fabrication additive. Par exemple, le Department of Defense (DOD) réalise des recherches sur son utilisation dans les composants électroniques pour les circuits et les antennes mais aussi dans les biotechnologies comme l’impression de cellules vivantes d’un tissu biologique comme la peau, permettant le traitement de victimes de brûlures ou pour les transplantations d’organes.

L’Agence de recherche de l’armée, la marine et la force aérienne (DARPA) et le département de l’Énergie ont créé des installations de démonstrations à l’université d’État de Pennsylvanie et au Laboratoire national d’Oak Ridge pour faciliter le déploiement de technologies de fabrication additive. L’Institut national des normes du département du Commerce des États-Unis (NIST) finance des recherches dans la science des mesures afin de fournir une plus grande assurance dans la qualité des pièces produites. Il coopère également avec le comité ASTM F42 sur le développement de normes.

Quelques années auparavant, l’institut Edison Welding a également créé, en 2010, le Consortium de la Fabrication Additive (AMC) pour soutenir le développement du secteur manufacturier dans les techniques émergentes de fabrication additive. Basé à Columbus, dans l’Ohio, ce consortium regroupe 17 industries axées sur le développement de la fabrication additive métallique, des organismes gouvernementaux et des centres de recherches universitaires.

Parmi les efforts des Etats-Unis de concentrer leurs compétences nationales sur le développement de la fabrication additive, il convient de rappeler l’Organisation du gouvernement pour la fabrication additive (GO additive), créée en 2014. Cet organisme a été mis en place par le gouvernement américain comme un groupe informel et rassemblant 130 fonctionnaires bénévoles des institutions nationales. Ces membres viennent de l’armée américaine et des forces aériennes, du DOD, de la Federal Aviation Administration (FAA), de la Food and Drug Administration (FDA) et du NIST. Il a pour but de faciliter la collaboration entre les organisations du gouvernement fédéral ayant un intérêt dans la fabrication additive. Selon les responsables de la force aérienne, le groupe peut développer une liste des matériaux qualifiés et pièces certifiées.

Les compagnies américaines dans le monde

Parallèlement au développement de la société 3D Systems Corporation et des procédés SLA et material jetting, vu dans l’introduction de cet article, les États-Unis continuent à jouer un rôle de premier plan dans l’expansion de la fabrication additive comme pour la technique de frittage sélectif par laser (SLS – Selective Laser Sintering). Le procédé SLS est né en 1992 avec un brevet développé par la société Stratasys Ltd. Basée à Minneapolis, au Minnesota, et Rehovot, en Israël, elle est un des leaders mondiaux de solutions pour l’impression 3D et la fabrication additive. Relativement peu coûteuses, les imprimantes 3D « plastique » entrent sur le marché en 1996 avec la « Genisys » de Stratasys. Cette société continuera de se développer en rachetant Solidscape, une société fabricante d’imprimantes 3D qui fournit des applications de moulage dans les bijoux, les marchés médicaux, dentaires et industriels, en 2011. Puis, en 2013, elle acquiert MakerBot, producteur d’imprimantes 3D pour bureau et pour particuliers. Elle a également breveté les techniques d’impression 3D FDM et PolyJet pour produire des prototypes et des produits manufacturés directement à partir de fichiers CAO 3D ou autres fichiers 3D. Stratasys possède aujourd’hui plus de 3 000 employés et détient plus de 800 brevets accordés ou en cours d’approbation. Elle a reçu plus de 25 prix pour ses technologies et son leadership. Elle a vendu 6 665 systèmes industriels de fabrication additive en 2014 (à l’exception des imprimantes 3D). Avec 51,4 % de part de marché, contre 54,7 % l’année précédente, Stratasys reste leader4 pour la 13e année consécutive, malgré cette baisse. Cependant, depuis 2012, les États-Unis ne mènent plus le marché en matière de production et de vente. Ce phénomène s’explique par la fusion entre Stratasys et Objet Geometries Ltd et fait suite à l’enregistrement de la nouvelle entité juridique en Israël. Les autres principales sociétés dans le monde sont : EnvisionTEC (Allemagne), MCOR Technologies (Irlande), EOS (Allemagne), Roland DG (Japon) et Carima (Corée du Sud).

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Vente imprimante 3D par fabricant A3DM Magazine 2Vente imprimante 3D par region monde A3DM Magazine 2Installations industrielles par pays A3DM Magazine 2

La formation et les engagements des universités américaines

Dans la fabrication additive, la mécanique, l’électronique et l’informatique deviennent cruciales tout comme l’ingénierie, le design et la fabrication. La préparation de la machine (ou de l’imprimante), la manipulation des matériaux, des tests de qualité ou la gestion des phases post-traitements sont importantes, ainsi que les différentes exigences en matière de contrôle de la qualité pour la production limitée et/ou en série. L’avenir de la production industrielle est interdisciplinaire. Le système éducatif doit donc s’adapter à la gestion de projets, la communication et l’organisation du travail. Une main d’oeuvre qualifiée est essentielle. Les métiers dédiés à la fabrication additive vont jouer un rôle dans le développement des marchés.

En juin 2014, le Bureau exécutif du président des États-Unis a demandé aux collèges et aux universités américains de s’engager dans l’initiative Building a Nation of Makers (Construire un pays de Makers) et de soutenir le mouvement des Makers. Plus de 150 institutions ont pris ce chemin et adopté diverses mesures pour promouvoir ce mouvement, notamment en reconnaissant le rôle important des activités des Makers dans l’éducation, la recherche, l’entreprenariat, le développement économique, la science, la technologie, l’ingénierie et les mathématiques. Voici une liste de mesures prises par les enseignements secondaires et supérieurs :

  • création ou extension de Makerspaces ouverts et innovants sur les campus ;
  • formation sur l’élaboration et l’entreprenariat dans les campus ;
  • création de technologies qui changent la vie en faisant through making ;
  • formation des jeunes Makers ;
  • croissance du mouvement des Makers et de développement économique dans les communautés locales ;
  • connexion des Makers universitaires à l’industrie et aux secteurs de production.

Brevets

L’expiration des brevets en fabrication additive influence le développement de nouvelles machines et applications aux États-Unis et à l’étranger. Par exemple, lorsque le brevet de fabrication par dépôt de matière fondue (FDM – Fused Deposition Modeling) a expiré en 2005, cela a permis la création de RepRap, un prototype à réplication rapide. RepRap est la première machine de fabrication additive à bas coût et bénéficiant d’une grande popularité dans la communauté open source. Le brevetde l’impression 3D par frittage sélectif par laser (SLS – Selective Laser Sintering), de l’inventeur Carl Deckard, de l’université du Texas à Austin, est également tombé dans le domaine public, en juin 2014. De nouveaux entrants vont apparaître sur le marché et seront à la base d’une hausse de la concurrence entre fabricants.

Les principales sociétés demandeuses de brevets sont situées aux États-Unis (3D Systems, Stratasys, Hewlett Packard, Boeing), au Japon (Matsushita, Seiko-Epson, Panasonic, Sony, JSR, CMET) et en Allemagne (EOS, MTU, Fraunhofer, Degussa, Siemens). Au cours de la dernière décennie, l’office des brevets et des marques a reçu plus de 6 800 demandes de brevets liés à la fabrication additive. Depuis 2003, le bureau a accordé plus de 3 500 brevets relatifs à l’impression 3D et, depuis 2007, environ 680 brevets par an ont été déposés.

Notes

1 – Fabrication additive – Du prototypage rapide à l’impression 3D de Claude Barlier, Alain Bernard, Éditions Dunod, 2015.

2 – GAO – 670960 and Science and Technology Policy Institute, The Role of the National Science Foundation in the Origin and Evolution of Additive Manufacturing in the United States, IDA Paper P-5091 (November 2013).

3 – Le Government Accountability Office (GAO) est le département de l’audit, d’évaluation et d’enquête du Congrès. Il soutient le Congrès face aux responsabilités constitutionnelles. Le GAO examine aussi l’utilisation des fonds publics. Il évalue les programmes et les politiques fédérales. Il fournit des analyses, des recommandations et assiste le Congrès pour prendre des décisions politiques, de surveillance et de financement.

4 – Wohlers Report 2015.

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Next Industrial Revolution

Next Industrial Revolution est la matérialisation du discours du président américain Barack Obama lors de l’état de l’Union, en 2013, à Washington DC.

Cette oeuvre a été entièrement réalisée en impression 3D au FabLab Artilect de Toulouse. Dévoilée au 3D Printshow en 2013, elle est interactive. Elle donne à voir, entendre et surtout à réfléchir sur le discours du président et la technologie d’impression 3D.

Gilles Azzaro, son créateur, a réussi à rendre visible l’invisible. Une prouesse qui n’a pas échappé à la Maison-Blanche. L’artiste a été invité, le 18 juin 2014, dans le cadre de la première Maker Faire White House où l’oeuvre a été exposée.

Dans ce cas d’impression 3D, la technologie a permis de donner une forme à l’invisible, de créer une image de l’identité d’une empreinte vocale.

www.gillesazzaro.com

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Gaëtan Lefèvre
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