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Fabrication additive – Des formations adaptées pour tous

Fabrication additive – Des formations adaptées pour tous

par Gaëtan Lefèvre25 février 2016
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La fabrication additive révolutionne les pratiques. Certes, mais encore faut-il savoir quelles nouvelles pratiques adopter ! Et qui pour les adapter ! Les acteurs et les entreprises sont en attente de ces bonnes pratiques. Mais ne s’apprennent-elles pas dans les entreprises qui maîtrisent les technologies composantes de cette chaîne de production de valeur ?

Par Alain Bernard, professeur d’université à l’École centrale de Nantes, vice-président de l’AFPR (Association française de prototypage rapide : www.afrp.asso.fr).

 

Les enjeux de la fabrication additive sont de diffuser de nouveaux savoirs, de fournir de nouveaux outils, d’aider à penser autrement pour pouvoir concevoir et fabriquer différemment. Cependant, les acteurs de la chaîne de valeur sont-ils prêts ? Ont-ils suffisamment confiance pour créer des produits en fabrication additive ? Avons-nous compris que souvent la fabrication additive seule ne peut apporter toute la valeur à l’objet fabriqué ? Les connaissances conventionnelles en matériaux, procédés, mesure (et bien d’autres) sont donc loin d’être mises au rebut. Le challenge pour les entreprises mais aussi pour les consommateurs est d’avoir suffisamment confiance. Confiance dans la chaîne de production de valeur pour y intégrer la fabrication additive.

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Production pour la compagnie Ortofon, Institut danois de technologie (DTI). Crédit : Olivier Jay.

Une formation en naissance

Les acteurs de la formation sont nombreux à être concernés par la fabrication additive. Et les besoins dans ce domaine sont aussi divers : des connaissances de base à des spécialisations poussées. Aujourd’hui, si quelques modules de formation existent localement dans certains établissements « de l’opérateur confirmé au scientifique spécialiste », les profils de compétences restent à préciser dans l’ensemble des domaines impactés. La chaîne de production de valeur prend naissance chez les personnes qui imaginent de nouveaux concepts, mais aussi les analystes de la valeur et les penseurs de la « satisfaction des besoins » et de la « réalisation de fonctions ». Nous ne pourrons imaginer et concevoir de nouveaux produits sans les connaissances et les outils pour créer des scénarios technologiques. Ces derniers doivent être mis au service de la création puis de la fabrication d’objets, aux spécifications toujours plus complexes. La combinaison des technologies le long de la chaîne de production de valeur transforme la traditionnelle gamme de fabrication. Des préconisations dont les organismes de normalisation commencent à s’emparer.

Alors pourquoi attendre ? Pourquoi ne pas écrire de nouveaux manuels de formation ? Pourquoi ne pas imposer des modules de formation dans tous les cursus universitaires ? Ne constate-t-on pas, de plus en plus, de pratiques de fabrication additive dès le collège et le lycée ?

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Trophée des Assises Européennes de la Fabrication Additive, création de Christian LAVIGNE (sculpture numérique modulable, 2014). Réalisation de la société 3A (titane, technique EBM, 90 x 90 x 100 mm).

Un domaine en soi

Au regard de la chaîne de valeur de la fabrication additive, nous pouvons nous demander si quelqu’un est apte à maîtriser les éléments d’un bout à l’autre. Peu de personnes en sont capables, et très souvent, ces derniers le sont car ils sont spécialistes d’une technologie, d’un procédé en particulier. Si l’on veut réellement tirer profit de l’utilisation de la fabrication additive, une vision systémique de la chaîne de production de valeur est essentielle. Et comme c’est le cas pour d’autres procédés, leur intégration passera par une confiance accrue dans les capacités réelles de ces technologies au regard du potentiel qu’on leur attribue.

Cette confiance, bien sûr, passe par une fiabilité technique et une capacité de mise en œuvre sans discussion possible. Elle passe aussi par une espérance avérée dans les Hommes. Rien ne s’y oppose en soi. Il faut toutefois pouvoir identifier quelles sont les compétences clefs à tous les niveaux. Et des compétences viennent des connaissances acquises au cours du temps et capitalisées soit dans la tête, soit par la pratique. La fabrication additive fait appel à de très nombreux domaines de connaissances. Les mathématiques, la physique, la chimie, la métallurgie, la mécanique, l’électrotechnique, l’informatique mais aussi de très nombreux autres procédés. Elle peut être vue comme un domaine en soi mais ne peut pas justifier des diplômes spécifiques à tous les niveaux scolaires et universitaires.

Ainsi, du baccalauréat au doctorat, des lycées professionnels aux universités et aux grandes écoles, les établissements scolaires et universitaires disposent de tous les ingrédients pour former les étudiants mais aussi les enseignants, que ce soit en formation initiale ou continue. La journée organisée, à Paris, le 11 décembre sous le double sceau du réseau AIP-PRIMECA et de l’AFPR a montré au travers des nombreuses présentations et témoignages, toute la richesse et le potentiel déjà présents dans notre système éducatif.

Les plates-formes sont riches, plurielles et s’appuient sur des matériels et logiciels représentatifs des machines disponibles sur le marché. Elles comprennent des équipements complémentaires comme des scanners, des machines de polissage, d’usinage, des fours de traitement thermique, des procédés de coulée plastique sous vide, des presses à injecter, des micro-fonderies permettant de la coulée métallique basse pression. Ces derniers peuvent d’ailleurs servir à montrer le potentiel de la fabrication additive pour la fabrication de moules ou d’outillages. Ainsi, afin d’aller au bout des choses, comme cela est déjà le cas pour d’autres procédés plus conventionnels comme la fonderie ou la mise en forme par emboutissage ou le forgeage par exemple, il devient indispensable de modéliser et de simuler en fonction des caractéristiques propres aux procédés. Il est temps de pouvoir créer à coup sûr des géométries, des matériaux et des scénarios de fabrication conformes aux exigences de qualité souhaitées pour des produits selon les secteurs d’application. Les formations doivent permettre d’établir, d’entretenir et de faire fonctionner des plateformes technologiques up-todate, en appui sur du personnel technique et des enseignants formés aux techniques et aux pratiques à développer. Tout ceci, les outils de conception et d’industrialisation du commerce ne nous le donnent pas malgré de nombreuses composantes existantes.

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Atelier de prototypage

– Machine impression 3d objet : Stratasys et EnvisionTEC

– Coulée sous vide : Silmix de Technocast

– Coulée métallique : VPC40 de Schultheiss

– Gravure laser de Sisma

– Scanner 3D

Différentes solutions (sur la figure : icône de chez iconfinder.com)

Richard Allard, professeur agrégé en Microtechniques

Les phases de production de valeur

Les apprentissages sont donc multiples, de niveaux et de contenus très différents, allant de la sensibilisation à la formation opérationnelle. Nous avons besoin de personnels capables de designer ou paramétrer la fabrication, une main d’œuvre la mettant en pratique, etc. Sans oublier les mesures et les contrôles de fabrication. Cet aspect des plus importants devra être intégré aux formations. Ceci est d’autant plus prégnant pour certains procédés pour lesquels la manipulation du matériau ou la proximité avec le procédé présentent des risques dont il faut se protéger. Si l’on considère la chaîne de production de valeur, les étapes principales sont donc la conception, la préparation de la fabrication, la mise en oeuvre de la machine et des éléments nécessaires à la fabrication, y compris le matériau avant et après fabrication, et enfin les post-traitements qui vont permettre de terminer la pièce avec toute la valeur attendue par le client.

L’étape de conception requiert différentes compétences spécifiques. Le plus souvent, le concepteur doit être capable de fournir une analyse fonctionnelle. L’enjeu n’est pas de reproduire des pièces existantes (solution classique pour des pièces de rechange) mais bien d’imaginer et d’intégrer des fonctions nouvelles. La fabrication additive permet la conception de géométrie complexe et la possibilité de minimiser la matière utilisée. Ces avantages sont rendus possibles par les outils d’optimisation topologique et les logiciels de simulation. Des connaissances dans ces outils sont donc indispensables pour les conditions futures de mise en œuvre.

La phase de préparation nécessite une connaissance fine du procédé. Elle est intimement liée à la conception. Il est, par exemple, nécessaire de savoir comment placer et orienter la ou les pièces à produire. De nombreuses questions se posent lors de cette phase. Comment associer différentes pièces au sein d’une même fabrication ? Quelles sont les contraintes de finition ? Comment minimiser ces opérations ? Et bien d’autres ! Cette phase requiert une excellente connaissance du procédé de fabrication mais aussi des capacités offertes par les procédés de post-traitement. Il faut penser le processus technologique de manière complète et pas uniquement l’étape de fabrication. La formation à la phase de fabrication peut donc être un complément aux autres apprentissages.

La phase de mise en œuvre du procédé lui-même demande, elle aussi, une grande rigueur dans le choix des paramètres de fabrication mais aussi et surtout dans la mise en œuvre du processus complet : pré chauffage, approvisionnement et recyclage en matériau, fixation et extraction du plateau. Cette tâche d’opérateur machine est essentielle à la réussite du processus complet. Elle suppose la maîtrise de la mise en œuvre de chacune des machines mais aussi et surtout, elle demande une grande rigueur dans le respect des choix qui ont été faits lors de la préparation de la fabrication. La dernière phase est capitale car il ne faut pas détruire la valeur apportée à la pièce lors des étapes précédentes. Pour cela, les formations sont à adapter aux spécificités des opérations nécessaires à la finition de pièces ou de plateaux complets obtenus par fabrication additive. Minutie et efficacité doivent être conjuguées afin que le temps et le coût de ces étapes ne soient pas rédhibitoires par rapport au temps de cycle global.

Enfin, nous abordons les phases de contrôles et de mesures, de tests et de suivis de fabrication, de traçabilité… pour satisfaire les contraintes et les exigences de chaque cahier des charges. Aujourd’hui, les techniques de contrôles et de mesures pour visiter des formes intérieures complexes ou pour détecter des défauts dans ces pièces sont peu nombreuses (voir l’article Contrôles et mesures, un nouvel enjeu pour la fabrication additive). Cependant, une approche d’assurance qualité avec des mesures in-process devrait permettre de s’affranchir d’étapes de contrôle dans certains cas. Face à cela, il est indispensable d’acquérir les bonnes pratiques de mesures et de contrôles. Des compétences clés sont à développer en lien avec les standards et les normes sectorielles ou plus générales, telles qu’elles sont actuellement en cours de mise en place à l’ISO (International Organization for Standardization). machine EOS M290 qualifiée en 9100. application aérospatiale : laser 400 watts fusionnant une poudre d’inconel 718.

Les apprenants vont devoir acquérir des compétences complémentaires par rapport aux certitudes qu’ils ont acquises jusqu’à aujourd’hui. Il faudra repenser et réformer leurs habitudes afin de les adapter à ces nouvelles pratiques. Une nouvelle formation qui permettra de valoriser les compétences de base en les déployant dans un domaine fortement compétitif et dont le marché est en forte croissance.

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Machine EOS M290 qualifiée en 9100. Application aérospatiale : laser 400 watts fusionnant une poudre d’inconel 718.

Une approche produit/process

Le marché ne peut continuer à croître qu’en s’appuyant sur la confiance, dans les machines, les pratiques, les Hommes. Des Hommes toujours mieux formés, s’appuyant sur des bases de données matériaux-procédés, par exemple. D’une manière plus globale, le système doit apprendre et capitaliser cette connaissance pour être capable de la réutiliser à bon escient. Capitaliser du savoir et de la connaissance passent par l’analyse des domaines des possibles, en créant des modèles manipulables et utilisables au profit d’une meilleure robustesse des résultats obtenus. Cette connaissance partagée, couplée à des outils d’aide à la décision, devrait permettre à terme de concevoir non seulement la géométrie des pièces mais aussi le ou les matériaux, à différentes échelles. Et ceci en élaborant des structures particulières, en combinant les matériaux, en chacun des points de la pièce et en conséquence des propriétés locales données par ces mêmes matériaux. On parle alors de « gradient de matériau ». À ce sujet, des réussites technologiques industrielles existent déjà dans le domaine des thermoplastiques, polymères et élastomères mais aussi de matériaux métalliques combinées lors de leur projection dans un flux d’énergie.

Tout ceci montre le potentiel mais aussi la complexité de la maîtrise des modèles et des méthodes indispensables à une utilisation optimale des processus supports à la chaîne de production de valeur intégrant la fabrication additive. Soyons optimistes ! Les enfants dans les collèges s’initient aux pratiques de base de la conception de modèles numériques et à leur fabrication à l’aide d’imprimantes 3D. Dans quelques années, les étudiants auront déjà acquis cette culture et une confiance dans le principe même des procédés. La culture de la fabrication additive est en train d’entrer dans les mœurs. Des métiers vont continuer à évoluer en intégrant cette technologie. La pénétration du marché par la fabrication additive est en marche. Elle est prometteuse de valeur et de progrès. Pour ne pas en manquer l’essentiel, il faut mettre au plus vite en place des référentiels de formation et des certifications professionnelles. Un institut national pourrait fédérer cela en lien avec les acteurs professionnels de la formation, tant initiale que continue.

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Gaëtan Lefèvre
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