Magazine Vendredi 9 novembre 2018 - 11:32

La fabrication additive trace sa route

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À l’heure actuelle, les grands constructeurs automobiles ont bien compris l’importance de la fabrication additive dans l’industrie du futur. Si la technologie concerne principalement les voitures de sport ou les concept-cars, la production en série est bien au cœur des discussions. Le secteur automobile, leader dans les avancées industrielles, est porteur des technologies additives.

Outre les applications industrielles, les quatre principaux secteurs utilisant la fabrication additive sont l’automobile, l’aéronautique et le spatial, l’automobile, les produits grand public et électroniques, ainsi que le secteur médical. Selon de récentes estimations, le marché de la fabrication additive était évalué à 3,520 milliards de dollars américains, en 2017. Il devrait augmenter à un taux de croissance annuel de 14,58 %, pour atteindre 7,964 milliards de dollars d’ici 2023. Selon Davide Sher, analyste senior chez SmarTech Markets Publishing, les prévisions concernant cette technologie dans le secteur automobile «­ pourraient atteindre 12,6 milliards de dollars d’ici dix ans­».

« Nous prévoyons que le marché global de la fabrication additive dans le secteur de l’automobile atteindra 5,3 milliards de dollars de chiffre d’affaires en 2023 puis 12,6 milliards de dollars d’ici 2028. L’adoption du segment automobile à des fins de production marquera un point d’inflexion pour la fabrication additive », nous explique David Sher. Bien que ces chiffres puissent sembler élevés – avec un segment global d’environ un milliard de dollars aujourd’hui – tous les indicateurs semblent confirmer que les prévisions de 24 % de taux de croissance annuel moyen, au cours des dix prochaines années, ne sont pas irréalistes. En fait, l’un des plus grands défis dans le cadre de la prévision du futur du marché a été de suivre l’évolution constante des nouveautés et des innovations annoncées presque quotidiennement par les principaux acteurs du marché automobile et de la fabrication additive.

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Principaux secteurs porteurs de la fabrication additive

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Les avantages de la fabrication additive pour le secteur automobile

La chaîne logistique automobile et la fabrication additive

La fabrication additive présente de nombreux avantages, dont la plupart sont étroitement liés aux impacts positifs sur la gestion de la chaîne logistique, tout en réduisant fortement les délais et les coûts de développement des produits. Elle améliore la qualité et la conformité de la conception, tout en réorganisant les délais de commercialisation et en réduisant les transports entre les différentes phases de production. Le flux de travail des processus de fabrication additive découle de l’utilisation de conceptions tridimensionnelles numérisées d’un produit par un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Les processus de fabrication sont ensuite définis sous contrôle informatique. La relocalisation de la production grâce à la fabrication additive impacte directement les chaînes d’approvisionnement traditionnelles. Dans le secteur automobile, les constructeurs cherchent à produire plus rapidement des pièces innovantes avec une implication limitée de la part des fournisseurs. Les fabricants d’équipements leur répondent en déployant beaucoup d’efforts pour simplifier leur chaîne d’approvisionnement.

Le marché de la fabrication additive reste axé sur le prototypage et l’outillage. La production de pièces représente le défi actuel et la principale opportunité de revenus au cours des dix années à venir. Durant cette période, la production de pièces en métal et en polymère, que ce soit en interne ou par sous-traitance, devrait être la principale source de revenus, et totaliser près de 4,3 milliards de dollars américains à la fin de la période de prévision. Davide Sher a confirmé que « les principaux fournisseurs se concentraient désormais sur la production de pièces automobiles. Parmi les systèmes répondant à cette offre, nous retrouvons la Multi Jet Fusion de HP, le système de Desktop Metal, ceux de GE et enfin Stratasys. Parallèlement, les leaders actuels du marché, tels que Stratasys, 3D Systems, EOS et EnvisionTEC, ont tous mis à niveau et optimisé leurs technologies et leurs processus afin de tirer parti de l’opportunité d’une production par lots plus élevée. […] Les principaux constructeurs automobiles ont signé des partenariats avec les fabricants de systèmes de fabrication additive, en se concentrant sur la production de pièces. Enfin, les logiciels nouvelles générations de Siemens, d’Autodesk, de Dassault Systèmes, de Materialise et bien d’autres permettent désormais la conception optimisée de pièces pour l’intégration des technologies additives dans le flux de production de bout en bout ». On retrouve ainsi des outils avancés de FAO (fabrication assistée par ordinateur), de CAO (conception assistée par ordinateur), de simulation de processus de fabrication additive et de surveillance de processus.

Production sur mesure et fin du stockage

Un enjeu important dans la course que se mènent les constructeurs automobiles est le secteur des pièces de rechange, la disponibilité et le délai de livraison de ces pièces. La majorité des distributeurs ont tendance à ne garder en stock que les pièces les plus vendues, le coût de stockage de pièces étant très élevé. Ainsi, soit le coût des pièces de rechange est élevé, soit le délai de livraison de la pièce est très long. Une solution directe pour résoudre ce problème et répondre rapidement à la demande réside dans la capacité à produire des pièces à la demande, localement, en utilisant les technologies de fabrication additive. Celles-ci permettent de supprimer les inventaires, de réduire les stockages, les délais de livraison et les coûts opérationnels. Porsche, par exemple, utilise la fabrication additive pour remplacer les pièces de rechange de ses voitures classiques. Ces véhicules sont produits en peu d'exemplaires, par conséquent, les coûts de stockage des composants de remplacement sont prohibitifs. La société utilise donc cette technologie pour fabriquer à la demande. 

La fabrication additive est également le moyen idéal pour fournir des pièces de véhicules anciens. Associée des scans 3D, elle permet aux revendeurs et aux consommateurs de numériser «­facilement­» le design du composant et de le remplacer par un composant fonctionnel imprimé en 3D. L’exemple le plus célèbre est celui de Jay Leno, animateur et collectionneur de voitures anciennes, qui possède une collection de 280 véhicules, estimée à plus de 50 millions de dollars. Celui-ci utilise le logiciel RapidForm pour transformer les données de numérisation 3D en un modèle CAO lui permettant d’imprimer et de remplacer des composants pour sa collection de voitures.

Le prototypage, une application fondamentale

Le secteur automobile est généralement axé sur une fabrication à grande échelle, même s’il comprend également la production des concept-cars, des camions et des autobus, des véhicules utilitaires légers, des tracteurs, des grues mobiles ainsi que d’autres véhicules similaires. L’inconvénient de la technologie de fabrication additive est une faible applicabilité pour la production de masse en raison du coût plus élevé et de la vitesse de production plus lente par rapport à la fabrication traditionnelle. Les exigences de finition de surface, l’accès difficile aux applications de technologies additives, les ressources limités (en comparaison avec la fabrication traditionnelle) ainsi que les coûts plus élevés sont autant de freins pour la technologie.

Jusqu’à maintenant, les constructeurs automobiles ont donc principalement utilisé les technologies additives pour créer des prototypes de pièces avant la production en série. Compte tenu de la flexibilité de conception, les entreprises peuvent créer et tester une grande variété de prototypes. General Motors, par exemple, utilise les procédés de frittage sélectif par laser (SLS) et de stéréolithographie (SLA) – pour plus de 20 000 composants – dans ses processus de conception et de pré-production – conception, ingénierie et fabrication – dans son département de prototypage rapide. Chrysler utilise l’impression 3D industrielle pour un grand nombre de prototypes de rétroviseurs latéraux, puis le constructeur sélectionne le plus performant. Ford a été l’un des premiers à adopter la technologie de fabrication additive : il possède cinq centres de prototypage équipés d’imprimantes 3D, dont trois aux États-Unis et deux en Europe ; son seul centre du Michigan, aux États-Unis, produit environ 20 000 pièces prototypées par an. La fabrication additive permet ainsi aux constructeurs de fabriquer diverses variantes d’une pièce à un coût extrêmement bas. La production d’un modèle physique pour chaque variante permet de visualiser et de comparer des alternatives de conception. Les constructeurs automobiles peuvent affiner la conception de leurs produits dans un délai plus court et avec un coût supplémentaire minime.

Outillage personnalisé et réduction des coûts

Tous les secteurs industriels comme l’automobile, l’aéronautique, la défense, les produits de consommation et le médical. investissent énormément dans le secteur de l’outillage, quelle que soit l’application des outils de fabrication. Le concept de la machine-outil couvre une grande variété d’articles, y compris les appareils, les gabarits, les jauges, les moules, les matrices, l’équipement de coupe et les patrons. Un outillage approprié est à la base d’une fabrication réussie. Il affecte directement la capacité de production ainsi que le cycle de vie, la qualité et la tarification des produits.

Bien que l’usinage CNC soit la technique la plus utilisée dans la fabrication d’outils, avec une qualité et des résultats extrêmement fiables, il se révèle coûteux et chronophage par rapport à d’autres moyens de production tels que la fabrication additive. L’utilisation de l’impression 3D industrielle a considérablement augmenté le cycle de développement de l’outillage et joue un rôle croissant dans les principales industries. Selon une récente étude publiée par Ernst & Young, un cinquième des entreprises actives dans les secteurs de l’aéronautique et de l’automobile utilise la fabrication additive pour imprimer ses propres outils.

La ligne de production de véhicules automobiles repose fortement sur l’outillage pour l’assemblage et la fabrication de produits de haute qualité. La fabrication additive permet aux constructeurs automobiles de fabriquer des outils plus légers, avec de nouvelles fonctionnalités. Par exemple, BMW personnalise les outils de production en ligne : ces versions sur mesure, conçues de manière ergonomique, sont 72 % plus légères que les versions originales. Selon Deloitte, la personnalisation de ces outils a permis à l’entreprise de réduire ses coûts globaux de 58 % et la durée des projets de 92 %. 

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Rapport mondial sur l'impression 3D

La fabrication additive offre également la possibilité de réduire le cycle complet de développement des produits et de stimuler l’innovation. Les entreprises automobiles choisissent parfois de retarder ou d’annuler les mises à jour de la conception des produits en raison de la nécessité d’investir dans de nouveaux outils. En réduisant les délais de production et en améliorant la conception des outils, les constructeurs peuvent remplacer ceux-ci plus fréquemment, permettant ainsi aux cycles de conception des outils de suivre le rythme des cycles de conception des véhicules. Posséder un système de fabrication additive en interne permet également de raccourcir la chaîne d’approvisionnement et de réduire (voire d’annuler) le risque de recevoir des outils défectueux de la part des fournisseurs.

Réduction des coûts

Les technologies additives pourraient, de plusieurs manières, permettre de réduire les coûts. Si les coûts actuels sont généralement plus élevés en fabrication additive par rapport aux systèmes de fabrication conventionnelle. L'utilisation de matériaux polymères peut limiter ceux-ci. La fabrication additive métallique, quant à elle, pourrait être plus avantageuse pour de petites séries de produits finis, dans le cas de géométries très spécifiques optimisées par CAD / CAM, notamment pour un matériau coûteux dont la fabrication traditionnelle entraîne de nombreux déchets. Enfin, la possibilité de fabriquer à la demande et rapidement un outil a un impact positif sur les flux de production et les bénéfices. La fabrication additive peut être très utile lorsque les stocks d’outils sont coûteux. Cette flexibilité permettra également aux ingénieurs de concevoir de nombreux prototypes, réduisant les coûts initiaux engendrés par les modifications apportées à la conception des outils. Le succès des futures applications de la fabrication additive dans l’industrie automobile dépendra en grande partie de la découverte de nouveaux matériaux, du développement de nouveaux systèmes et de l’évolution des nouvelles applications, dans les années à venir.

La fabrication additive embarquée

Audi adopte l’impression 3D multimatériaux

Le centre de production Audi, à Ingolstadt, en Allemagne – déjà bien approvisionné en imprimantes 3D – s’équipe d’une nouvelle machine multi matériaux et multi couleurs, la J750 de Stratasys. Celle-ci permettra au constructeur automobile d’innover dans son processus de conception de cabochons de feux arrière. Audi prévoit ainsi de réduire les délais de prototypage d’environ 50 %. Les prototypes produits en amont de la phase de production permettent à Audi d’évaluer de manière approfondie de nouvelles créations et de nouveaux concepts. Cette phase de prototypage est primordiale pour le développement de véhicules designs. Elle est utilisée pour la production de pièces telles que les enjoliveurs de roues, les poignées de portes ou encore les calandres. Les méthodes traditionnelles, comme le moulage et le fraisage, sont couramment utilisées pour créer et reproduire de nouvelles conceptions. Cependant, au centre Audi, la fabrication additive plastique a remplacé la fabrication traditionnelle, permettant ainsi à l’équipe de repousser les limites des procédés conventionnels et d’accélérer la vérification de la conception.

La fabrication additive sera utilisée pour la production de cabochons de feux arrière multicolores entièrement transparents et conçus en un seul bloc. L'offre Stratasys permet au constructeur automobile de choisir parmi plus de 500 000 combinaisons de couleurs, de textures et de transparence.

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Le centre d'impression 3D plastique Audi va utiliser l'unique imprimante 3D J750 pour produire des cabochons de feux arrière multicolores, transparents et ultra réalistes en une seule impression.

Sauber F1 Team investit dans Additive Industries et sa machine MetalFAB1

Sauber F1 Team va s'équiper de son premier système MetalFAB1 d’Additive Industries dans le cadre d’un partenariat technologique de trois ans. Jonas Wintermans et Daan Kersten, fondateurs d’Additive Industries, ont remis, il y a quelques mois, le système de fabrication additive industriel à Axel Kruse, directeur de la production, et Christoph Hansen, directeur de la production de soufflerie, chez Sauber Motorsport AG. Forte de plus de dix ans d’expérience dans la fabrication additive en matière plastique, l’équipe Sauber F1 étend désormais ses compétences et ses capacités d’impression 3D aux métaux. L’investissement dans deux systèmes MetalFAB1 lui permet de réduire son temps de cycle dans la fabrication de pièces innovantes pour ses propres modèles de soufflerie, ses voitures de course F1 ainsi que pour les activités de tiers. 

Afin d’accompagner la réalisation des trois premiers systèmes de fabrication additive métallique, la société a transféré son siège d’Eindhoven dans une nouvelle usine, à proximité de son site actuel. Le nouveau site regroupe ainsi le siège de la société, mais également le développement, l’assemblage et les opérations de test. Additive Industries souhaite ainsi se développer plus rapidement et répondre au mieux aux besoins de ses clients.

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