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La fabrication additive au sein de l’usine du futur

La fabrication additive au sein de l’usine du futur

by Gaëtan Lefèvre13 décembre 2016
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L’industrie 4.0 n’est plus un doux rêve mais bien une réalité. L’intégration de la fabrication additive dans la 4e révolution industrielle devient donc un défi à relever. Les questions d’aujourd’hui pour le monde de demain !

Par Oliver Edelmann, le docteur Florian Bechmann et Oliver Kaczmarzik de Concept Laser.

 

Bien que la fabrication d’additive ne représente que 0,03 % du marché mondial de la production avec une valeur de dix trillions de dollars américains, elle est passée de la phase d’expérimentation à une activité florissante. En 2016, les ventes dans le monde ont augmenté d’environ 30 % à plus de 7 milliards de dollars. C’est la conclusion d’une étude menée par le cabinet international de conseil en gestion Bain & Company1. Et ce n’est que le début_! Bain & Company estime que des taux de croissance annuels de plus de 30 % continueront d’être atteints et que le marché parviendra à 12 milliards de dollars d’ici 2018. Selon l’évaluation du cabinet, l’impression 3D est sur le point d’atteindre une production de masse. Le rapport d’experts EFI 20152 prévoit un volume du marché mondial de la fabrication d’additive d’environ 21 milliards de dollars d’ici 2020.

D’une tendance à un boom

La fabrication additive (FA) a atteint le stade de la production industrielle de masse. Elle est depuis longtemps passée de la phase de prototypage à celle de production. L’industrie 4.0, aussi nommée « 4e révolution industrielle », est le nouveau grand défi auquel réfléchissent tous les acteurs de la FA. Selon Peter Sander, responsable des technologies et concepts émergents chez Airbus, d’ici 2018, la compagnie aérienne prévoit d’utiliser, par fabrication additive, du titane, de l’acier inoxydable et de l’aluminium en série. Les utilisateurs de l’industrie aéronautique américaine ont déclaré, quant à eux, que cette technologie doit être au coeur de leur stratégie de développement. Les défis de la production économique en série se déroulent à trois niveaux : la numérisation, l’automatisation et la mise en réseau des machines jusqu’à la création d’une usine « intelligente ». Mais pour l’« industrie 4.0 », les solutions doivent être plus efficaces et plus économiques.

Un certain nombre de secteurs ont défi ni la fusion laser de métaux comme représentant leur direction stratégique. Les exemples sont nombreux dans le secteur aérospatial, l’aéronautique (voir le dossier Fabrication additive et aéronautique) ainsi que le dentaire et le médical. D’autres secteurs importants tels que celui de l’automobile l’ont également intégrée. Là aussi, l’impression 3D semble offrir une gamme prometteuse de solutions pour le futur.

Comment le marché évolue-t-il ?

Au cours des trois ou quatre dernières années, de nombreuses industries se sont lancées dans la phase « exploratoire » de l’impression 3D. Les pionniers, c’est-à-dire les innovateurs, analysent toutes les structures antérieures produites par l’usinage ou le moulage pour établir si celles-ci peuvent être remplacées par la fabrication additive. Ils sont passés à une phase d’adaptation des procédés de fabrication additive. Nous considérons cela comme la première étape vers la production en série industrielle. Cette phase nécessite de nouvelles réponses de l’industrie des machines et de l’ingénierie des installations. La liberté de conception et le potentiel de construction, l’intégration fonctionnelle, la production à la demande, les économies de temps et de coûts ainsi que les considérations relatives à l’économie de ressources et à la production durable jouent ici un rôle important.

Comment une approche additive modifie-t-elle l’esprit de conception ?

Les avantages de cette technologie n’ont pas été complètement exploités. Aujourd’hui, les concepteurs adoptent une approche plus systématique. Les paramètres de performance sont définis et des « solutions adaptées au processus » sont développées à partir de ceux-ci. La pièce peut être repensée pour convenir à la fabrication additive. Cela ne produit pas seulement un résultat visuel. Les composants de conception bionique peuvent être jusqu’à 20-30 % plus légers que les composants usinés ou coulés. Dans certains cas, la réduction de poids potentielle peut atteindre 60-80 %, par exemple si un bloc métallique rectangulaire est réduit à sa fonction réelle. Il est aussi important d’enregistrer les propriétés thermiques et mécaniques pour déterminer les exigences des pièces et les livrer avec un design, délibérément adapté au processus. Concrètement, cela signifie que les pièces ne sont pas seulement plus performantes, mais qu’elles sont également plus légères et possèdent une géométrie différente. En fin de compte, chaque gramme de poids économisé signifie une augmentation de l’efficacité économique de la fabrication additive.

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État actuel de la technologie

Les premiers concepts de la machine d’impression 3D étaient axés sur les vitesses de fabrication, la taille de fabrication et les aspects qualitatifs. Les objectifs énoncés étaient largement respectés du côté des fournisseurs. L’impression 3D pouvait donc être utilisée pour le prototypage et la fabrication de petits lots. Mais les attentes à l’égard de cette technologie ont continué d’augmenter. Et les fournisseurs se sont adaptés.

Des plateaux de fabrication plus grandes sont concevables, mais elles engendrent des contraintes plus élevées. Et l’on ne sait pas si une telle machine peut être exploitée de manière économique. En outre, des techniques intelligentes d’assemblage sont également disponibles. Il y a en outre une anticipation concernant des sources laser plus puissantes, mais cette voie seule ne sera pas forcément la plus intéressante. Il y a aussi le concept clé de technologie multilaser. Cependant, de multiples sources laser doivent être validées pour s’assurer qu’il n’y ait pas de restrictions à la qualité des pièces, avec des zones de chevauchement et le développement de dépôts de suie.

Quelles sont les exigences de la production en série ?

Les machines et les installations actuelles sont des « solutions d’îlots ». Elles fonctionnent comme des solutions « autonomes » sans véritablement s’intégrer dans l’environnement de fabrication opérationnel. Ces machines ne sont pas interconnectées entre elles, ni avec les procédés de fabrication en amont et en aval. Elles ne peuvent « communiquer » que dans une certaine mesure au sein de la chaîne de traitement numérique allant de la conception à la fabrication. Elles ne sont donc pas, encore, adaptées à la production industrielle en série «_du futur_». L’automatisation constante des processus manuels est toujours manquante. La séquence de tâches d’installation et de production de pièces dans une machine nécessite des « temps d’arrêt » inutilisés, ce qui entraîne une perte de temps pour l’opérateur. Actuellement, l’interconnexion des machines entre elles et avec des périphériques n’est pas encore assurée. Ces points critiques montrent que nous avons encore du chemin à parcourir pour atteindre les objectifs de « l’industrie 4.0 » sous le couvert d’une usine «_intelligente_». Cependant, cette approche s’associe au nombre croissant de machines utilisées. Mais si de nombreuses machines fonctionnent, la quantité d’espace nécessaire pour les solutions «_autonomes_» augmente énormément.

L’usine du futur

Des solutions commencent à être proposées. De nouvelles architectures de machines permettent de relier ces dernières de manière flexible. La station de traitement et la station de manutention peuvent être combinées selon les besoins, mais aussi exploitées séparément les une des autre. Des réseaux de machines qui « communiquent » non seulement entre eux mais également avec des dispositifs périphériques correspondants. En plus de la liaison, l’automatisation est le deuxième élément clé. Les processus manuels précédents, tels que la fourniture de poudre métallique neuve ou le retraitement de pièces, ainsi que les temps d’arrêt de la machine résultants, sont réduits au minimum. Les modules qui, par exemple, fournissent du nouveau matériel aux machines ou effectuent des travaux de construction, sont automatiquement déplacés à la position requise. Il en résulte des économies de temps et de coûts considérables qui assurent le niveau nécessaire d’efficacité économique dans la production en série. Le but principal de cette approche n’est pas d’accroître encore le nombre de sources laser ou encore la puissance de celles-ci, mais plutôt d’aborder l’automatisation et l’interconnexion de machines qui manquaient auparavant.

Notes

1 – Pierluigi Serlenga and François Montaville (Bain & Company) – « Five questions to shape a winning 3-D printing strategy » (étude septembre 2015)

2 – EFI Expert Report 2015 (Expert Commission on Research and Innovation) – February 2015

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Gaëtan Lefèvre

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