Magazine Jeudi 9 janvier 2020 - 11:47

Le développement constant des normes en fabrication additive

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Si la fabrication additive est de plus en plus populaire et que les ventes d’imprimantes 3D sont en hausse, les problèmes réglementaires se développent également. Pourtant, de nombreux acteurs travaillent sur la normalisation en fabrication additive et coopèrent à l’échelle internationale.

Initialement considérée comme un procédé destiné au prototypage rapide, la fabrication additive s’est constamment développée au cours des dix dernières années. Du prototypage à la fabrication de pièces, la technologie est aujourd’hui utilisée dans tous les secteurs industriels tels que le médical, le dentaire, l’aéronautique, le spatial, l’automobile, le bâtiment, l’architecture ou encore la bijouterie. Chaque industriel innove, aidé par une technologie incitant aux mutations.

Le paysage de la normalisation

Les avantages de la fabrication additive sont maintenant bien connus des industriels. La technologie additive a fait ses preuves. Elle permet et facilite la conception et la production de pièces. Les produits peuvent être personnalisés et fabriqués sur demande. Elle réduit l’utilisation de matières premières et supprime de nombreux assemblages. Elle optimise les chaînes d’approvisionnement, lève les barrières de conception et ouvre de nouvelles opportunités en termes de design de pièces et de fabrication. Elle réduit les délais de fabrication et permet de relocaliser la production. Enfin, elle améliore les solutions de maintenance, réparation et révision (MRR - MRO : Maintenance, Repair and Overhaul). Malgré ses nombreux avantages, elle n’est cependant pas amenée à remplacer les méthodes de fabrication traditionnelles, non seulement parce qu’elle n’est pas forcément plus rentable, mais également en raison de la normalisation.

Actuellement, de nombreux experts s’accordent pour dire que les normes en fabrication additive constituent un obstacle majeur à l’adoption de cette technologie. Les besoins de reproductibilité sont de réels freins à son utilisation. Les procédés et matériaux sont nombreux, beaucoup d’entreprises développant leur propre ensemble de technologies. Les normes spécifiques à la fabrication additive portent principalement sur trois domaines d’application : l’aéronautique et le spatial, le médical ainsi que l’électronique. Toutefois, elles ne sont guère spécifiques à l’industrie. Les organismes de normalisation s’intéressent depuis peu au sujet. Soixante-quatre pour cent de celles-ci sont encore en phase de développement.

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Pourquoi instaurer des normes en fabrication additive ?

Les normes en fabrication additive sont conçues pour garantir les produits, les services et les systèmes. Elles visent à promouvoir la connaissance du secteur, à stimuler la recherche et à encourager la mise en œuvre de la technologie. Elles fixent des règles dans un secteur spécifique. Elles représentent un consensus entre les acteurs du secteur. La normalisation est essentielle pour l’introduction à grande échelle de la technologie.

  • La standardisation crée une conformité au milieu de nombreux procédés, machines et matériaux. La normalisation intervient alors pour définir un standard permettant de regrouper les technologies et les matériaux par familles. Ces besoins sont essentiels face à de nombreux procédés brevetés par les fournisseurs dans le but de se différencier de leurs concurrents, alors que les systèmes utilisent souvent des processus et des matériaux similaires.
  • Les pièces imprimées sont fabriquées à partir d’un fichier numérique. Elles peuvent être copiées n’importe où dans le monde, avec de nombreuses machines, entraînant des problèmes de droit d’auteur, de propriétés intellectuelles et de réglementation.
  • Les pièces conçues par fabrication additive possèdent des propriétés différentes des pièces conventionnelles. Cette technologie est un processus sensible dans lequel chaque « pixel » de la pièce est produit individuellement. Cette caractéristique constitue un obstacle à la qualification de la technologie dans des applications critiques. L’élaboration de normes aide ainsi à résoudre ce problème.
  • La fabrication additive permet de créer des pièces de grande qualité, mais la technologie offre peu de retour et de garantie sur la qualité d’une production en série, en raison d'un manque de surveillance et de contrôle des processus. Les normes de qualité pour les matériaux, les processus et les essais de pièces peuvent apporter une solution cohérente.

Les organisations internationales de normalisation

Pour élaborer les normes en fabrication additive, les organismes de normalisation coopèrent à l’échelle internationale – une première dans le domaine de la fabrication. Ils sont divisés en comités « parties prenantes » et en groupes de travail au sein d’organisations de normalisation (Standards Developing Organizations – SDOs). Il existe, au niveau international, trois principaux organismes dont les comités techniques traitent des questions de normalisation en fabrication additive.

L’Organisation internationale de normalisation (ISO) 

Le comité technique 261 de l’ISO sur la fabrication additive (ISO / TC 261) a été créé en 2011 sur une initiative de l’organisme allemand de normalisation, le DIN (Deutsches Institut für Normung). Son champ d’application porte sur la « Normalisation dans le domaine de la fabrication additive concernant les procédés, les termes et les définitions, les chaînes de processus (matériels et logiciels), les procédures de test, les paramètres de qualité, les contrats d’approvisionnement et toutes sortes de principes fondamentaux ». Chaque organisation nationale de normalisation peut demander à y adhérer. Chaque membre peut ensuite nommer des experts pour différents groupes de travail. Sous le secrétariat du DIN allemand, l’ISO compte actuellement 25 pays membres et 8 organisations observatrices.

L’ISOTC 261 a déjà publié treize normes relatives à la fabrication additive, tandis que vingt-quatre sont en cours de développement. Le comité technique international est organisé en cinq groupes de travail.

  • GT1 sur la terminologie, coordonné par la Suède.
  • GT2 sur les méthodes, les procédés et les matériaux, coordonné par l’Allemagne.
  • GT3 sur les méthodes d’essai, coordonné par la France.
  • GT4 sur le transfert et la conception de données, coordonné par le Royaume-Uni.
  • GT5 sur l’environnement, la santé et la sécurité, coordonné par le Canada.

L’ISO / TC 261 possède également des groupes de travail conjoints avec d’autres comités de l’ISO, tels que l’ISO / TC 261 / JWG 5, commun avec le TC 44 pour les applications aérospatiales (Groupe de travail mixte ISO / TC 261 - ISO / TC 44 / SC 14 : « Fabrication additive pour les applications aérospatiales »).

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L’ASTM International

L’ASTM International (American Society of the International Association for Testing and Materials) est un chef de file mondialement reconnu dans l’élaboration et la mise en œuvre de normes. Créé en 2009, le comité international F42 traite des questions portant sur les technologies de fabrication additive. Il a conclu un accord avec l’ISO/TC 261 sur l’adoption de normes communes pour l’international. Il compte actuellement plus de 550 membres individuels issus de plus de 26 pays et représente diverses parties prenantes : entreprises, universités, organismes de recherche, etc. Le comité est divisé en sous-comités et sous-sous-comités suivants.

  • F42 : « Technologies de fabrication additive ».
  • F42.01 : « Méthodes d’essai ».
  • F42.04 : « Conception ».
  • F42.05 : « Matériaux et procédés » (F42.05.01 « Métaux » ; F42.05.02 « Polymères » ; F42.05.05 « Céramiques »)
  • F42.06 : « Hygiène, sécurité, environnement
  • F42.07 : « Applications » (F42.07.01 : « Aéronautique » ; F42.07.02 : « Spatial » ; F42.07.03 : « Médical / Biologique » ; F42.07.04 : « Transport / Machinerie lourde » ; F42.07.05 : « Naval » ; F42.07.06 : « Électronique » ; F42.07.07 : « Construction » ; F42.07.08 : « Pétrole / Gaz » ; F42.07.09 : « Biens de consommation »)
  • F42.90 : « Executive » (F42.90.01 « Planification stratégique » ; F42.90.02 « Prix » ; F42.90.05 « Recherche et innovation »)
  • Terminologie : « F42.91 »
  • F42.95 : « US TAG à ISO TC 261 »

Ce dernier, le TAG, adapte les normes référencées au sein de l’ISO / TC 261. Cette coordination aide les deux organisations à s’assurer que leurs activités de normalisation sont compatibles et complémentaires. L’ASTM a récemment lancé son deuxième cycle de financement pour soutenir la recherche et accélérer le développement des normes en fabrication additive (et impression 3D). Cet investissement de 300 000 dollars américains soutiendra le Centre d’excellence de la fabrication additive d’ASTM International, dont l’objectif est de répondre aux besoins en matière de normalisation. Celui-ci cible un large éventail de sujets.

• L’Université d’Auburn s’emploiera à mettre en place un processus de contrôle rapide, efficace et performant, afin de détecter de potentiels problèmes de qualité des pièces lors de la fabrication par fusion laser sur lit de poudre (powder bed fusion). L’étude vise à identifier et à quantifier la fabrication et la qualité des matériaux grâce à une série de tests effectués, quelques heures après le retrait de la pièce de l’imprimante 3D.

• L’Université d’Auburn et la NASA collaboreront pour poursuivre les travaux – débutés lors de la phase 1 – sur les exigences minimales applicables aux machines et procédés de fabrication additive sur lit de poudre. Au cours de cette seconde phase, l’équipe établira des mesures qualitatives et quantitatives pour les méthodes d’évaluation, conduira des essais comparatifs et formulera des recommandations pour l’application des normes.

• L’EWI vise à établir les meilleures pratiques pour le partage de données, en créant notamment un dictionnaire de données commun et une feuille de route de gestion des données intégrant les besoins des parties prenantes.

• Le Manufacturing Technology Centre (MTC), basé au Royaume-Uni, mène des travaux de recherche sur les poudres alimentaires. 

• Dans le cadre d’un autre projet, le MTC mène des travaux sur les problèmes de post-traitement. Le centre technologique élaborera un guide proposant les meilleures pratiques de conception pour chaque type d’opération de post-traitement.

• Le groupe d’innovation en fabrication additive de Singapour (NAMIC) utilisera la surveillance non axiale pour acquérir des images optiques et thermiques du procédé de fusion laser sur lit de poudre. L’analyse des images leur permettra d’extraire des données structurées, contribuant au développement d’une procédure de construction d’un fichier 3D incorporant des paramètres sur le processus d’impression et l’évaluation de la qualité.

• Le NAMIC mènera également des recherches pour élaborer des directives et des pratiques optimales spécifiques au procédé de dépôt d’énergie dirigée (DED) et à l’extrusion de matériaux, deux processus présentant un grand intérêt pour les fabricants et les concepteurs. Ces guides fourniront une structure globale du document et des directives pour l’élaboration de normes.

• L’Institut national de recherche en aviation (NIAR) de l’Université d’État de Wichita, aux États-Unis, rassemblera des informations sur les activités de caractérisation des polymères afin de créer un plan et une matrice d’essai incorporant l’état de la technique utilisée pour ces méthodes d’essai. Des impressions, des tests et des analyses supplémentaires seront effectués pour générer des données complémentaires. Le NIAR partagera les résultats et élaborera la documentation appropriée à partir de ses conclusions.

• Le NIAR étudiera également les relations de propriété coupon-pièce dans les polymères fabriqués de manière additive. Il passera en revue les résultats de plusieurs études afin de compiler une approche pour l’analyse microstructurale des échantillons ainsi que pour la caractérisation spécifique à l’application. Des impressions, des tests et des analyses supplémentaires seront effectués avant que les normes ne soient appliquées.

Le Comité européen de normalisation

Au niveau européen, les organisations de normalisation officiellement reconnues sont le CEN (Comité européen de normalisation) et le CENELEC (Comité européen de normalisation électrotechnique). Ces deux organismes à but non lucratif travaillent conjointement avec les comités nationaux pour développer et définir des normes jugées nécessaires par les acteurs du marché et/ou pour soutenir la mise en œuvre de la législation européenne. Fondé en 2015, le comité technique sur la fabrication additive du CEN, le CEN / TC 438, est composé de plus de 30 organisations membres, dont plusieurs comités nationaux de normalisation sur la fabrication additive.

  • L’AFNOR en France, avec son comité de fabrication additive l’UNM 920.
  • Le VDI en Allemagne, avec le comité GPL sur la production et la logistique et, en particulier, son comité 105 Additive Manufacturing, ainsi que le DIN avec son sous-comité NA 131-02-06 AA « Fabrication additive dans l’industrie aérospatiale ».
  • L’AENOR en Espagne, avec le comité AEN/CTN 116.
  • Le SIS en Suède, avec le comité SIS/TK 563.
  • Le BSI au Royaume-Uni, avec le comité AMT/8.
  • L’UNI en Italie, avec le comité UNI/CT 529.

Lorsqu’une norme européenne est publiée, chaque organisme ou comité national de normalisation est tenu de retirer toutes les normes nationales en conflit avec la nouvelle norme européenne. Par conséquent, une norme européenne devient la norme nationale dans tous les pays membres du CEN et/ou du CENELEC.

De nombreux autres acteurs de la normalisation en fabrication additive

Outre les organisations précédemment citées, d’autres pays et instituts se lancent dans la normalisation. L’Asie manifeste son intérêt pour la technologie, dont la Chine, le Japon, la Corée et Singapour qui ont mis en place des comités qui s’alignent sur les normes ISO/TC 261.

En mars 2016, l’Institut américain de la fabrication additive, America Makes, a lancé, en partenariat avec l’Institut américain de normalisation (ANSI), l’AMSC (America Makes & ANSI Additive Manufacturing Standardization Collaborative). Celui-ci n’élabore pas de normes, mais il aide à coordonner l’élaboration de celles-ci en fabrication additive. En février 2017, il a publié une feuille de route de normalisation pour la fabrication additive qui identifie les normes existantes (ainsi que celles en cours d’élaboration) et les évalue. L’AMSC a également publié le paysage des normes : AMSC Standards Landscape. Aujourd’hui, ses objectifs sont d’élargir la discussion sur les normes requises pour les polymères dans les secteurs de l’automobile, des équipements lourds, de l’énergie, des biens de consommation et de l’outillage.

La Société américaine des ingénieurs en mécanique (American Society of Mechanical Engineers - ASME) a formé des comités pour traiter de la normalisation en fabrication additive. Parmi ceux-ci, l’ASME Y14 46 travaille sur la définition du produit pour la fabrication additive et l’ASME Y14 41.1 sur les données des modèles 3D.

En 2013, l’American Welding Society (AWS) a formé le comité D20 sur la fabrication additive dans le but de développer une norme intégrant les exigences relatives à la fabrication de composants métalliques. Ce comité a rédigé une première norme, l'AWS D20.1 « Spécifications pour la fabrication de composants métalliques par fabrication additive ». Il s’agit d’un document complet qui identifie les exigences relatives à la conception des composants et à la qualification des processus. Ce projet de norme AWS D20.1 couvre à la fois les procédés de fusion sur lit de poudre et de dépôt sous énergie dirigée.

L’Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE), avec un portefeuille actif de près de 1 300 normes et projets en développement, est l’un des principaux développeurs de normes de l’industrie. Il collabore à plusieurs projets liés à la fabrication additive afin de mettre au point les normes et les réglementations nécessaires susceptibles d’encourager une adoption accrue de l’impression 3D.

La SAE International est la plus grande organisation mondiale d’élaboration de normes consensuelles dans l’aérospatiale. Le comité technique SAE AMS AM Fabrication additive a été créé en 2015, au sein du groupe « Systèmes de matériaux aérospatiaux » de la SAE. Il est chargé de développer et de mettre à jour les spécifications des processus et des matériaux dans le secteur de l’aéronautique et du spatial.

L’organisme européen de normalisation pour l’aérospatiale, l’ASD-STAN, publie et vend en ligne ses propres documents de normalisation. Il distribue également les normes indépendantes SAE ITC E & A (anciennes normes ASD) et DIN EN relatives à l’ASD-STAN. Au fil des années, l’ASD-STAN a mis en place un processus de normalisation simple et rationalisé pour les normes aéronautiques et spatiales européennes, en accord avec le Comité européen de normalisation (CEN).

L’Underwriters Laboratories (UL) est une société américaine de conseil et de certification en matière de sécurité basée à Northbrook, dans l’Illinois. Fondé en 1894 sous le nom de Underwriters Electrical Bureau (un bureau du National Board of Fire Underwriters), l'UL a participé aux analyses de sécurité pour de nombreuses technologies comme l’électricité. Il a, par exemple, contribué à la rédaction des normes de sécurité pour les appareils et les composants électriques. Concernant la fabrication additive, l’UL a déjà publié le rapport UL 3400 - Schéma pour la gestion de la sécurité des installations de fabrication additive. Il propose également un programme de plasturgie pour la fabrication additive (programme « Blue Card »), qui met à disposition des données facilitant la sélection de matériaux et de composants imprimés en 3D.

Une coopération internationale unique

La coopération internationale autour de la normalisation en fabrication additive est un facteur clé dans l’élaboration des normes du secteur. Depuis 2011, l’ASTM F42 et l’ISO / TC 261 définissent des normes communes. En juillet 2016, ces entités ont mis à jour et approuvé conjointement une structure organisationnelle des normes en fabrication additive. Celle-ci prend en compte les perspectives et les exigences des deux organismes. Cette structure révisée a pour objectif de faciliter l’élaboration de normes modulaires, de réduire les problèmes de duplication des travaux et de diminuer les risques de contradiction entre les normes. La structure définit trois niveaux.

  • Les normes générales (par exemple, concepts, exigences et guides communs, sécurité).
  • Les normes générales pour les procédés et les matériaux.
  • Les normes spécialisées pour un procédé, un matériau ou une application spécifique.
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Le comité européen CEN a conclu un accord de coopération technique avec l’ISO dont une collaboration entre le CEN / TC 438 et l’ISO / TC 261 sur la fabrication additive. Ainsi, à la suite de l’accord de Vienne, le CEN / TC 438 a adopté plusieurs normes ISO et ISO / ASTM qui sont désormais devenues des normes européennes. Celles-ci remplaceront donc les normes nationales pouvant exister pour ces sujets. Outre ces collaborations, les comités ISO, ASTM et CEN ont favorisé de nombreuses relations autour d’initiatives pertinentes.

• En octobre 2013, l'America Makes a signé avec l’ASTM International un protocole d’entente dans le but de développer des normes parallèlement à l’introduction de nouvelles technologies et innovations. Ce partenariat s’est renforcé en 2017, lorsque l’ASTM a rejoint America Makes en tant que membre « Silver ».

• En 2009, la Society of Manufacturing Engineers (SME) a signé avec l’ASTM un protocole établissant cet organisme comme le siège des activités de normalisation en fabrication additive. La communauté des technologies rapides et de la fabrication additive (Rapid Technologies & Additive Manufacturing - RTAM) de la SME est la plus grande communauté mondiale d’experts spécialisés dans ces technologies de pointe.

• En juin 2016, le consortium 3MF a signé avec l’ASTM un accord de liaison afin de définir des normes communes pour les technologies d’impression 3D. 3MF est une association industrielle créée dans le but de développer et de promouvoir un nouveau format de fichier pour l’impression 3D, d'une part, et de réduire l’écart entre les capacités des imprimantes 3D modernes et les formats de fichiers obsolètes, d'autre part.

• La Federal Aviation Administration (FAA) et l’Agence européenne de la sécurité aérienne (EASA) organisent des ateliers sur la fabrication additive afin d’accélérer la qualification et la certification de la technologie. Depuis 2015, la FAA, en collaboration avec le laboratoire de recherche de la Force aérienne (AFRL), a organisé trois ateliers pour rassembler la communauté aérospatiale afin de discuter de l’état d’avancement des normes dans ce domaine. L’AESA, quant-à-elle, a organisé deux ateliers, en 2016 et 2017, pour présenter les activités européennes. Les organisations de normalisation comme l’ASTM International sont conviées à ces réunions pour faire le point sur les activités de normalisation.

• L’ASTM et l’ISO délibèrent également avec d’autres organismes de normalisation tels que l’American Welding Society (AWS), l’Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) ou le SAE International.

• Le CEN / TC 438 a établi des liens avec la Fédération européenne de soudage, mais aussi avec l’ASD-STAN, l’organisme européen de normalisation pour l’aéronautique et le spatial.

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