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Fabrication additive – Du design au produit fini

Fabrication additive – Du design au produit fini

by Gaëtan Lefèvre24 juin 2016
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Des mots très forts comme « rupture », « innovation disruptive » ou encore « révolution » sont associés à l’avènement de la fabrication additive. Cette technologie est également intégrée aux démarches de « l’industrie 4.0 » ou à l’usine du futur. Devant un tel déploiement de force, doit-on en déduire une remise en cause des processus qui nous permettent de passer de l’idée à la production ?

Par Philippe Bauer, expert processus, outils et innovation en architecture mécanique chez Thales Air Systems.

 

L’émergence de nouvelles technologies permet à tous de devenir « de petits producteurs ». Tentons de revisiter les étapes de construction pour vérifier si l’adage « à partir de maintenant ce sera comme d’habitude ! » ne se vérifie pas une fois de plus.

L’entreprise industrielle est souvent synonyme de complexité, de moyens matériels et humains lourds à mettre en œuvre. Le déploiement de la fabrication additive s’accompagne d’une envie d’abolir ces difficultés au profit d’un processus « libératoire ». Cette technologie change la vision de l’industrie en apportant des réponses moins quantitatives ou standard, mais plus nombreuses. Elle permet de mieux cibler les besoins, voire de les individualiser. Cette diversité nous amène plus que jamais à redoubler d’efforts pour générer des idées.

Le marché est couvert

La notion de localité est importante pour la fabrication additive. C’est son terrain ! Elle y promeut sa capacité à se rapprocher des clients et à localiser ses réponses en s’adaptant à la géographie du besoin. Ces marchés fourmillent et pourtant, ils sont délaissés par l’industrie dont l’inertie limite la mobilité créative et géographique. Les clients difficiles n’intéressent pas la grande industrie, la boîte aux lettres de l’ISS n’est pas envahie de publicités tous les matins. Rien n’a changé, mais tout à évolué. Pour s’installer au coeur de ce type de marché « local », il faut multiplier les business plans et les travailler soigneusement afin d’éviter de nombreux échecs. Pas de laisser-aller ! Proposer ou répondre à un marché impose d’être en empathie avec ce dernier et de ne pas céder aux fantasmes des modes et des pensées rapides ou illusoires.

Je suis, donc je veux

La fabrication additive promet beaucoup de choses à condition de savoir ce que l’on veut. Voilà le coeur du problème. Il n’existe pas de révolution dans la manière de préparer le terrain des idées. Laissez seuls dix ingénieurs en réunion « technique », ils confronteront avec acharnement leurs solutions et seront sans voix lorsque l’animateur leur demandera de rappeler, simplement, le sujet du besoin. Entre ceux qui ne croient que ce qu’ils voient et ceux qui ne veulent voir que ce en quoi ils croient, il faudra retrouver le chemin de la fertilité des idées.

Nous ne sommes pas tous des génies ou des talents innés. La fabrication additive réinvente le besoin de prendre du recul, de sortir de nos spécialités pour retrouver l’inspiration. N’agissons pas trop vite ! Pensons, d’abord, un peu ! Sortons de nos trajectoires habituelles. Plus que jamais, les designers sont les alliés de nos ingénieurs. Ils les aident à déplacer les frontières des idées et des techniques. Se libérer des coûts, des délais et ouvrir, de nouveau, le champ des possibles est ardu pour un ingénieur. Pour réussir, il faut être plusieurs et accepter de prendre le temps d’une perte momentanée de contrôle. Rien ne change dans les processus de recherche d’idées, il faut les appliquer au bon moment et changer de posture. Même si elles sont coûteuses en termes de temps, elles apportent une maîtrise bénéfique.

Trouver une bonne raison d’être

L’optimisation topologique nécessite que les besoins fonctionnels soient exprimés sous les formes géométriques les plus élémentaires. Ainsi, un plan est défini par trois points et une normale. Une large face plate est une réponse surabondante. Trois plots de matière suffisent. Seule une analyse fonctionnelle exhaustive permet de répondre au cahier des charges des besoins géométriques. Les processus académiques de l’analyse fonctionnelle sont réglés, efficaces, enseignés et méritent d’être à nouveau utilisés à l’éclairage des nouvelles possibilités de la fabrication additive.

Nous n’analysons pas la géométrie d’une pièce existante pour la transférer en fabrication additive, nous revisitons les solutions géométriques apportées aux fonctions. Et ces fonctions doivent se limiter à répondre aux besoins identifiés et justifiés. Rien n’a profondément changé. Il faut redéployer l’utilisation de l’analyse fonctionnelle pour parcourir à nouveau la trajectoire géodésique qui relie les solutions aux besoins.

Se former aux règles

Les mécaniciens n’ont pas l’habitude de gérer des évolutions rapides de leur métier. Comme présenté dans mon précédent article « Fabrication additive – Les nouveaux défis des concepteurs en mécanique » paru dans A3DM Magazine n°1 (que vous pouvez retrouver sur le site Internet www. a3dm-magazine.fr), concevoir pour la fabrication additive, c’est appliquer des règles : savoir ce qui est possible et ce qui ne l’est pas. Rien de bien nouveau, donc : à devoir gérer l’acquisition d’une nouvelle technique, il faut se former. Pour exister pleinement, la fabrication additive doit rester un mode d’élaboration parmi d’autres.

L’hybridation peut être une des clés du succès. Il ne faut pas être dogmatique en prônant que la fabrication additive puisse remplacer les procédés de fabrication traditionnels. Les techniques de fabrication additive se complètent entre elles. Par exemple, les technologies sur lit de poudre et la technologie de projection laser peuvent s’associer avec bénéfice. Elles s’hybrident aussi avec les moyens traditionnels. Une pièce de tournage peut être complétée par des géométries obtenues en fabrication additive. Un tube extrudé peut être parachevé de formes externes ajoutées grâce au procédé de projection de poudre. Un assemblage majoritairement mécano-soudé peut incorporer des composants en provenance de la fabrication additive. N’oublions pas qu’une pièce métallique conçue en fabrication additive se comporte comme un banal brut de fonderie qui sera repris en usinage pour garantir certaines précisions nécessaires aux fonctionnalités. Elle sera donc comme à son habitude pourvue des surépaisseurs et des référentiels d’usinage nécessaires à sa reprise.

Pas de révolution donc ! Cette technologie est un procédé qui complète la panoplie des technologies actuelles et s’associe à ces dernières. L’atelier de fabrication du futur pourra aussi bien retirer de la matière qu’en ajouter.

Additive Fertigung (3D-Druck) erlaubt die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien und innenliegenden Hohlräumen. Auf diese Weise können innovative Produktdesigns oder Komponenten für den Leichtbau realisiert werden.  Siemens treibt die Industrialisierung der Additiven Fertigung mit der Weiterentwicklung seiner Automatisierungs- und Steuerungstechnik sowie von Industriesoftware voran. Additive manufacturing (3D-printing) allows the production of components with complex geometries and interior cavities, thus making it possible to realize innovative product designs and components for lightweight construction. Siemens is driving the industrialization of additive manufacturing through the further development of its automation and control technologies and industry software.

« Dossier de définition »

La fabrication additive impose le modèle 3D comme référence de création de la géométrie. La conception et fabrication assistées par ordinateur (CFAO) nous avaient habitués à cela lorsqu’il s’agissait de programmer un parcours d’outils à partir d’un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO). La CFAO exploite les surfaces, parfois complexes, et génère les parcours d’outils en trois ou cinq axes. Le dossier de définition, pour sa part, indique ce qu’il faut faire et ce qui a été précédemment validé comme réalisable. Le dossier de fabrication indique comment faire pour respecter cette définition.

Le « dossier de définition » doit transmettre aux acteurs de la chaîne de valeurs des informations exploitables par chacun. Il est temps d’intégrer toutes ces données dans le seul modèle 3D. La technologie « 3D as master » élimine le plan 2D comme vecteur complémentaire d’informations. On peut enfin arrêter d’éparpiller les données entre plusieurs fichiers, l’un 3D et l’autre 2D. Le modèle 3D embarque des « vues » préparées par le concepteur. Ces vues cumulent des notes, des côtes, des tolérances géométriques, des indications de zones traitées, etc. L’utilisateur peut les visualiser sur des logiciels simples qui lui permettent d’imprimer sur du papier les vues qu’il souhaite, sous l’angle qu’il désire. Autant de vues qu’il juge nécessaire pour documenter le travail à faire. Il peut construire son dossier de fabrication en exploitant d’une façon simple et rapide les données de référence.

Des évolutions déjà en cours se stabilisent. Le modèle 3D existe depuis plusieurs décennies et finit par s’imposer comme source de données unique. La période transitoire qui associait la 2D à la 3D va se terminer pour les pièces fabriquées par fabrication additive et cela s’étendra aux autres modes de fabrication.

Il y a matière à

Jean-Jacques Fouchet de la société Z3DLAB nous a expliqué, lors de sa présentation au congrès APS Meetings de février 2016, qu’« une pièce c’est une matière ». Un vrai changement ! La chaîne de transformation est impactée. Pourtant ce changement est frileux, car nous nous attachons encore trop à valider les matières traditionnelles pour un procédé de transformation nouveau. Si certaines s’en sortent correctement, d’autres résistent et déçoivent. Si nous revenons aux besoins, alors il faut créer et produire les matières adaptées. Les technologies et les sciences de la matière sont assez outillées et performantes pour avancer sur ce terrain. Il faudra du temps, mais probablement moins qu’avant. Bien sûr, ce travail n’est pas à la portée de tous : il mobilise l’industrie, naturellement.

Finition incontournable, main-d’oeuvre nécessaire

La pièce conçue par fabrication additive nécessite une finition, des nettoyages ou des préparations mécaniques et/ou chimiques comme des traitements thermiques pour atteindre les performances souhaitées. L’outillage technologique est classique et incontournable. La main-d’oeuvre est encore nécessaire. Ces tâches nécessitent la mise en place de moyens respectant les normes environnementales et leur surveillance. Si certaines personnes pensaient alléger ces processus, c’est manqué. Ces sujets dérangent et montrent bien que cette technologie ne s’offre pas sans contraintes. Cette fois, l’évolution est discutable. Je ne résiste pas à me montrer diabolique et vous propose un cocktail « high tech » : prenez donc quelques vapeurs d’ABS sur la FDM multi-têtes et une cuillère à café de poudres nanométriques de Carbone Zircone Titanisé auprès de l’atomiseur. Plongez dix minutes sous les tirs des quatre lasers croisés d’une SLM boostée et finissez par une bonne douche de rayons X sous l’EBM « ultra power ». Avec tout ça, on devient très vite chef de projet chez Marvel Comics, Hulk !

Il existe peu d’espoirs que la fabrication additive perdure au sein d’ateliers ou de laboratoires d’alchimistes. L’industrie et ses clients se doivent de faire rentrer dans le rang ces technologies et d’imposer à nouveaux les règles qui vont nécessairement dimensionner les structures, bien au-delà de la surface d’une chambre de geek dans la capitale.

Halte ! Contrôle

À nouvelles topologies de pièces, nouveaux besoins de contrôles ! Les géométries 3D imposent la métrologie 3D, les scanners laser et les comparaisons par rapport aux données de référence numériques. Plus de 100 paramètres pilotent la réussite d’une conception par fabrication additive. La transformation par microfusion laser des procédés sur lit de poudre (laser ou faisceau d’électron) créent la métallurgie de la pièce. La maîtrise des moyens de contrôles métallurgiques de la matière fusionnée est fondamentale. Les corps creux, pour leur part, sont rendus inaccessibles et justifient l’utilisation de moyens lourds tels que la tomographie pour les visionner et les contrôler sans les détruire. Nous parlons aussi de monitoring pour piloter le fonctionnement du procédé en continu. Nous installons également des éprouvettes à plusieurs endroits stratégiques de la pièce pour pratiquer un contrôle destructif sur des échantillons représentatifs. Il existe des similitudes avec la fonderie. Il est d’ailleurs intéressant de noter que cette technologie intervient de plus en plus pour remplacer les procédés de fonderie dont la complexité, bien que maîtrisée depuis longtemps, reste l’apanage de spécialistes au travers d’une supply chain qui se fragilise. Elle allège les besoins d’outillages, réduit le lead time, permet de diversifier et de s’adapter à des productions ponctuelles, mais ne diminue pas forcément l’expertise nécessaire à la maîtrise du procédé. Comme je le dis souvent à certains de mes fournisseurs : « on ne déclare pas disposer d’un savoir-faire, on le prouve ». Et la panoplie des moyens déployés en est la preuve.

Chaîne de production, chaîne de compétences

Si la structure de production ne dispose pas des moyens précités, la supply chain se doit de les intégrer. Rien n’est plus frustrant que de concevoir en cinq jours, fabriquer en deux, devoir attendre une semaine la réalisation d’un traitement thermique, quinze jours la disponibilité d’un usineur ainsi que quatre jours celle d’un tomographe. Ce phénomène n’est pas rare lorsque la fabrication additive n’est pas intégrée dans un contexte complet. Dans une telle configuration, la technologie participe assez peu à l’amélioration du lead time. Les plus belles réussites en fabrication additive nous proviennent d’industriels conventionnels qui l’ont adapté. Ceux qui savent déjà utiliser les outils de gestion de production et qui ont intégré les post-processus, bref les industriels. La fabrication additive sort du monde du prototypage et doit se mettre au diapason de l’industrie, source de ses succès potentiels. Philippe Rivière, CEO de Prismadd Technology, écrit : « le passage du monde du prototypage au monde industriel permet d’accélérer la recherche de la performance et de l’efficience à chaque étape du processus. Ce changement demande un fort investissement de toute la supply chain pour la rendre robuste et industrielle afin de travailler sur les points critiques identifiés ». L’industrie s’accapare la fabrication additive, pas l’inverse.

velo optimisation topologique a3dm magazine renishaw

Un client, un fournisseur, un succès

J’ai eu l’honneur de décerner le prix du jury du salon 3D Print Lyon 2015 à la société Prismadd pour la réalisation d’un projet avec Airbus. Celui-ci associait plusieurs technologies de fabrication additive, en polymères FDM (par dépôt de matière fondue – Fused Deposition Modeling) et métallique par SLM (fusion sélective par laser – Selective Laser Melting). Il utilisait également l’approche de conception par optimisation topologique. Ce qui couronnait cette action était la préservation d’un site industriel nouvellement dédié à ce projet, les emplois induits et le développement technologique de la région d’accueil. Une vraie réussite ! Ceci n’aurait pas été possible sans des liens forts tissés entre l’industriel, les fournisseurs qui innovent et prennent des risques ainsi que le donneur d’ordres qui est convaincu. Philippe Rivière a été très clair vis-à-vis de son investissement dans cette technologie : « cette aventure a une particularité puisque nous partons d’un nouveau processus et devons qualifier, identifier toutes les caractéristiques clés et démontrer leur répétabilité. Nous ne pouvons le faire qu’avec une grande transparence et une bonne relation avec le client ».

La recette gagnante consiste bien à mettre en relation des professionnels. La confiance est seule garante de cette aventure qui consiste à emprunter de nouveaux chemins. Pour réussir, il faut réunir les hommes compétents ayant envie de parcourir un bout de chemin ensemble, chez le fournisseur et chez le client. La co-ingénierie est plus que jamais nécessaire. Toute production en fabrication additive doit faire l’objet d’un tour de table qui réunit les spécialistes et acteurs de la chaîne de création de valeur. Une technologie ne fait pas un succès ; chacun doit trouver les arguments qui en valorisent l’utilisation. Une ultime phrase de Philippe Rivière conclue ce sujet : « tous les flux sont impactés, communication, qualité, management, production. C’est une grande chance pour la génération actuelle que de vivre cette transformation ».

Moi, petit producteur

Nous sommes dans une évolution permanente. Seuls les passés et les expériences acquises sont capables de préparer notre avenir. Nous ne pouvons faire table rase de ce passé. Nous devons nous réunir et partager nos compétences. Chacun possède un morceau du puzzle. Nous devons conserver l’envie du risque sans en oublier la nécessaire maîtrise. L’industrie est, avant tout, une structure possédant des moyens et des individus formés et compétents. Leur aide, leurs conseils et l’honneur qu’ils ont à promouvoir leur travail est simplement incontournable pour construire l’avenir. La transition ou l’évolution ne se fera pas en un clic. Pour déployer la technologie, nous devons rencontrer les tourneurs, fraiseurs, soudeurs, fondeurs, chaudronniers, dessinateurs industriels, technologues, préparateurs de fabrication, acheteurs, lanceurs, scientifiques et leur raconter l’histoire de demain que vous imaginez et qu’ils vont vous aider à construire.

Maintenant, ce sera comme d’habitude… mais en mieux.

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Gaëtan Lefèvre

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