Magazine Vendredi 2 février 2018 - 08:03

Les problèmes d’hygiène, de sécurité et d’environnement en fabrication additive

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Le développement de nouvelles technologies nécessite la prise en considération des problématiques liées à l'hygiène, la sécurité et l’environnement (HSE). La fabrication additive ne fait pas exception.

Depuis les années 1990, la fabrication additive se développe rapidement. Elle impacte profondément l’économie, l’environnement et la sécurité des industriels. Nous ne cessons, au sein d’A3DM Magazine, d'insister sur l'importance de la liberté de conception ou encore la possibilité d'imprimer localement. Alors que les applications progressent, la dimension HSE et les impacts associés de ces processus de fabrication n’ont pas encore été complétement pris en compte. Aujourd’hui, peu de données comparant des pièces conçues par fabrication additive et par fabrication traditionnelle sont disponibles, que ce soit en matière de consommation d’énergie, de matériaux, de transport, de pollution et de déchets, de santé et de sécurité ou d'environnement.

À la recherche de normes internationales uniformément approuvées

Il existe des risques physiques et/ou électriques, ainsi que des considérations électriques / électroniques pour les applications et l'utilisation des systèmes de fabrication additive, dans certains environnements, que ce soit chez soi ou encore dans des écoles. La technologie présente également un risque pour la santé humaine en raison de potentiels rejets dans l’air de substances chimiques et de particules volatiles. Ces agents polluants pourraient avoir un impact sur la santé des utilisateurs et plus largement des personnes se trouvant à proximité.

Jusqu’à présent, ces risques ont été peu évalués. Si une grande majorité des entreprises utilisant ces technologies ont mis en place des systèmes de sécurité, fixés généralement selon les règles existantes pour la fabrication traditionnelle, il n’existe pas encore de normes acceptées et approuvées dans le monde entier. Par exemple, de nombreuses multinationales nous ont affirmé qu’elles vérifiaient volontairement le taux de métaux lourds des systèmes de fabrication additive, sans résultats significatifs à l'heure actuelle.

Face à cette problématique, les trois principaux organismes mondiaux de normalisation et les comités techniques (TC), c’est-à-dire l’ASTM (F42), l’ISO (TC261) et le CEN CENELEC (TC438), travaillent ensemble pour développer des normes spécifiques à la fabrication additive, qui seront adoptées mondialement. Parallèlement, de nombreux organismes nationaux de normalisation (ONN) couvrent également cette technologie. C’est le cas en France de l’AFNOR avec son comité UNM 920, du VDI en Allemagne avec son comité GPL sur la production et la logistique, de l’AENOR en Espagne avec son comité AEN / CTN 116, du SIS en Suède avec son comité SIS / TK 563 ou encore du BSI au Royaume-Uni avec son comité AMT / 8.

Actuellement, l’ASTM F42 a signé un accord de coopération avec l’ISO TC 261 sur l’adoption commune des normes concernant la fabrication additive. Le CEN TC 438 évalue, quant à lui, quelles normes existantes, au niveau ISO, pourraient être adoptées. Une structure commune a été définie. Elle est basée sur trois niveaux : les normes générales (concepts généraux spécifiques et exigences communes), les normes de catégories (exigences spécifiques au processus ou catégories de matériaux) et les normes spécialisées (spécifiques aux exigences d’un matériau, d’un processus ou d’une application spécifique). Concernant les problématique HSE, un comité F42.06 sur la santé, la sécurité et l’environnement a été créé, en juillet 2017. Il s’agit du groupe de travail numéro 59813 de l’ASTM (WK), intitulé « Nouveau guide pour le classement des risques et la défense de sécurité ». Ce groupe de travail assure que les utilisateurs de machines « comprennent les risques associés aux différents systèmes de fabrication additive » et que des mesures devront être « utilisées pour assurer la sécurité des opérations ». Pour cela, un guide aidera notamment les fabricants à comprendre les « normes de l’industrie et la hiérarchie des contrôles pour améliorer la sécurité du fonctionnement de la machine ».

Les problématiques à prendre en compte

En l’absence de normes universellement adoptées, il est utile de se référer à des études pratiques qui pourraient aider à protéger les utilisateurs contre les matériaux et les gestes potentiellement dangereux. Selon Ed Tackett, directeur des programmes éducatifs au Centre de compétence en fabrication additive (UL AMCC) des Laboratoires Underwriters (UL), « les discussions autour des problématiques HSE doivent se concentrer sur les domaines potentiellement à risque car nous ne connaissons pas vraiment les problèmes de sécurité qu’il va falloir traiter ». Par conséquent, nous avons listé les domaines potentiellement à risque.

Exposition matérielle

Dans la fabrication additive, la taille moyenne des particules est de 25 à 150 microns. Ces fines particules nécessitent une manipulation et un stockage spécifique, pour diminuer le risque de propagation et le danger d’ingestion pour les utilisateurs. Outre une formation approfondie pour limiter et atténuer l’exposition, d’autres précautions doivent être prises en considération, comme le port d’un masque anti poussières, de gants en caoutchouc et pourquoi pas d’une tenue spécifique qui permettent de protéger les travailleurs contre l’inhalation de particules, de poussière, de fumée ou encore d’aérosols. L’utilisation des machines dans un lieu conçu pour limiter la propagation des poudres est également une solution. C’est celle que propose la société AddUp avec son système Flex Care, présenté lors du salon Formnext 2017. Ce système modulable et mobile est une solution confinée équipée d’un système de dépressurisation permettant aux entreprises et aux industriels de travailler dans une atmosphère contrôlée. De la taille d’un conteneur, soit un peu plus de 33 m2, ce système se divise en trois salles : un vestiaire, une salle d’eau pour se nettoyer et la zone de travail contenant la machine. Il est possible de combiner plusieurs systèmes pour concevoir une zone de travail plus grande.

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Surveillance du gaz

Un grand nombre de systèmes de frittage laser utilise des gaz inodores et incolores qui se déplacent dans l'air. Face aux inhalations de gaz, il est possible d’installer un capteur d’oxygène dans le lieu où ces machines sont placées. Celui-ci permet d’enregistrer en permanence le niveau d’oxygène dans la pièce et pourrait aider à prévenir d’éventuelles intoxications.

Échappement de gaz

Les gaz d’échappement doivent également être maîtrisés. Certaines machines expulsent des gaz dangereux lorsqu’elles impriment. Celles-ci doivent être ventilées à l’extérieur du bâtiment. La formation à la sécurité devrait couvrir « le dégazage et la gestion adéquate des composés organiques volatils (COV) et des composés inorganiques », explique Ed Tackett, « en utilisant éventuellement un épurateur de charbon et en élaborant un plan de gestion de la qualité de l’air, basé sur une stratégie de réduction des risques. »

Manutention des matériaux et des déchets

Les matériaux et leurs systèmes de stockage ainsi que les conteneurs de déchets doivent être « correctement installés, manipulés et stockés, tout en respectant les procédures du plan de sécurité de l’usine », suggère Ed Tackett.

Électricité statique

Lors de l’utilisation de systèmes de fabrication additive sur lit de poudre ou par projection de poudre, l’électricité statique est également une préoccupation. « Dans un environnement sec, un métal réactif peut créer un arc électrique. L’utilisation d’un tapis antistatique peut aider à prévenir le feu. Il est de plus approprié d’installer des extincteurs à proximité ».

HSE, une préoccupation française

En France, les questions HSE ont été au centre de la dernière édition des Assises européennes de la fabrication additive, organisées par l’Association française de prototypage rapide et de fabrication additive (l’AFPR), qui se sont tenues du 27 au 29 juin 2017, à Châtenay-Malabry. Nicolas Bédouin du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) est intervenu spécifiquement sur le sujet « Développement responsable de la fabrication additive ». Face à ces problématiques, le CEA propose – entre autres – « le diagnostic des lignes industrielles, des mesures aux postes de travail, l’étude de produits finis, la gestion des déchets, la formation ainsi que l’évaluation du risque laser, des risques mécaniques et d’inflammabilité ». Dans cette démarche de sécuriser et d’accélérer le développement de la fabrication additive en France, le CEA et de nombreux autres acteurs ont inauguré, le mardi 5 décembre, l’Additive Factory Hub. Cette plateforme est installée dans un des bâtiments du centre de recherche Digiteo Labs de Paris-Saclay.

Le dernier rapport du Pôle interministériel de prospective et d’anticipation des mutations économiques (Pipame), intitulé « L’avenir de la fabrication additive », soulève le problème en indiquant qu’il existe actuellement un « manque de perspective sur les impacts de la fabrication additive sur la santé et la sécurité ». Il suggère de « caractériser les risques suivants, dans le but de définir un ensemble cohérent de bonnes pratiques, basé sur le diagnostic HSE des installations existantes » :

  • les risques chimiques associés aux résines volatiles lors de la fabrication de pièces en polymère ou métalliques ;
  • les risques d’explosions résultant de l’utilisation de poudres ou de l’accumulation de charges électrostatiques (les poussières de matières mélangées à l’air forment des atmosphères explosives) ;
  • les risques chimio-physiologiques liés à l’inhalation de poudres nanométriques ;
  • et les risques spécifiques liés à l’utilisation de faisceaux d’électrons, de lasers et, plus généralement, à l’utilisation de machines.

À noter que l’identification de ces différents risques a poussé des nombreux fabricants à développer des systèmes fermés et automatiques pour minimiser l’intervention humaine. Cependant, la gestion des poudres n’est pas encore complètement automatisée, ce qui provoque un risque pour le personnel pouvant se retrouver en contact direct avec des particules. Une possibilité serait de sensibiliser et rappeler les bonnes pratiques, même si les risques ne doivent pas conduire à des contraintes trop excessives qui seraient contreproductives.

En conclusion, le rapport suggère donc de « soutenir la croissance des technologies de fabrication additive à travers des études qui permettraient de mieux évaluer les risques encourus et les mesures préventives à mettre en œuvre ».

Différents matériaux, différents risques

Avant toute chose, il est important de distinguer différents risques. Pour cela, nous pouvons commencer par distinguer les imprimantes de bureau des systèmes de fabrication industrielle. Concernant les polymères, qu’utilisent principalement les imprimantes 3D de bureau, une étude a récemment été publiée dans le Journal of Industrial Ecology, qui évaluait les émissions d’une série d’imprimantes 3D de bureau. Des mesures d’aérosols ont été effectuées dans des environnements sans émission de fond, avec des mesures de particules couvrant des tailles de 1 nanomètre (nm) à 31 microns (μm). L’étude a également mesuré l’effet de la température d’impression sur les gaz et les émissions de particules. Il a été conclu que l’impression 3D produisait une quantité importante d’émissions de nanoparticules avec un matériau polymère ABS, alors que l’impression de PLA, en utilisant évidemment les réglages recommandés, « ne produisait pas de concentrations notables de nanoparticules ». La température de l’extrudeuse joue un rôle important dans l’émission des particules. L’étude a noté que les émissions augmentent avec une hausse de température de l’extrudeuse. Le dysfonctionnement d’imprimantes peut également entraîner une augmentation de l’émission de particules et de leur taille. La taille moyenne des particules émises lors de cette étude était comprise entre 7,8 et 10,5 nm. En conclusion, cette étude suggère « d’adopter une approche préventive en mettant en place des mesures de précaution lors de l’utilisation d’imprimantes 3D ». Par exemple, il est conseillé de limiter le nombre d’imprimantes 3D fonctionnant simultanément, afin de limiter la concentration de particules. Il est également conseillé de « garder les éléments chauffant de l’imprimante propres et de diminuer les températures d’extrusion ». Enfin, « des systèmes de ventilation et de filtrage d’air permettent de réduire l’exposition des utilisateurs aux émissions ».

L’impression 3D et son impact potentiel sur la santé humaine a été discuté lors du Sommet 2017 sur la science de la sécurité de l’impression 3D qui s’est tenu à Atlanta, en Géorgie, aux États-Unis, en février 2017. Des chercheurs de l’Emory University et du Georgia Institute of Technology ont présenté des données issues de leurs recherches pluriannuelles sur la mesure et la caractérisation des particules et des produits chimiques issus des imprimantes FDM. L’étude était basée sur la détermination et la mesure des particules d’aérosol, les processus de formation et les niveaux d’air, la libération de composés organiques volatils (COV) et le calcul des niveaux d’exposition. Parallèlement, des approches ont été menées sur l’exposition des consommateurs, des étudiants et des employés de bureau. L’étude a montré que « l’impression 3D émet des particules ultrafines de l’ordre de nanoparticules, mais également des composés organiques volatils (COV), dont certains sont odorants, irritants et dangereux ». Les niveaux d’exposition sont « généralement faibles, mais il reste plus prudent d’assurer une bonne ventilation des bâtiments, avec échange d’air extérieur et ventilation locale dans les zones d’impression 3D ».

Des résultats d’une recherche du NIOSH (National institute for Occupational Safety and Health) ont également été présentés. Cet institut ne possède aucun pouvoir de réglementation. Il fait partie du département de la Santé et des Services sociaux des États-Unis et est financé par le gouvernement fédéral pour la recherche en santé et sécurité au travail. Son objectif est de générer de nouvelles connaissances dans le domaine de la sécurité et de la santé au travail. Les cinq objectifs du NIOSH Nanotechnology Research Centre (NTRC) sont les suivants :

  • une meilleure compréhension des nouveaux dangers et des risques pour la santé, liés à l’avancement des matériaux et de la fabrication ;
  • élargir la compréhension des résultats initiaux des dangers liés aux nanomatériaux manufacturés, aux matériaux avancés et à la fabrication additive ;
  • appuyer la création de documents d’orientation sur les risques et les approches de gestion des risques pour informer les travailleurs, les employeurs, les professionnels de la santé, les organismes de réglementation et les décideurs ;
  • soutenir les études épidémiologiques sur les nanomatériaux ;
  • évaluer et promouvoir l’adhésion nationale et internationale à des directives de gestion des risques.

Cette recherche s’est concentrée sur les imprimantes FDM, c’est-à-dire qui extrudent un filament thermoplastique à travers une buse chauffée. Le chauffage du polymère conduit à sa dégradation et à la libération d'émissions chimiques. Comme vu précédemment, de nombreux facteurs liés aux imprimantes et aux consommables peuvent influencer les émissions. Ceux-ci comprennent la conception de l’imprimante et la température de fonctionnement, ainsi que la composition des filaments utilisés (additifs, colorants…). Les imprimantes FDM ont été testées dans une chambre en acier inoxydable de 0,5 m3. Elles imprimaient un peigne de 100 mm x 33 mm x 3 mm. Les filaments testés étaient l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et l’acide polylactique (PLA), avec quatre couleurs pour chaque type de filament. La recherche s’est penchée sur l’identification et la quantification des composés organiques volatils (COV), avec des moniteurs en temps réel, un échantillonnage intégré dans le temps et une analyse hors ligne. Les quatre couleurs ABS analysées sont : la couleur naturelle, le bleu, le rouge et le noir. Quant aux couleurs PLA, il s’agissait : du bleu océan, du bleu transparent, du rouge vrai et du vert armée. Ces impressions ont été réalisées dans plusieurs conditions. Tous les filaments ABS et PLA ont émis de l’acétaldéhyde, de l’éthanol, de l’acétone et de l’isopropanol. L’ABS seul a émis de l’éthylbenzène, des xylènes et du styrène. « Aucune émission unique au PLA n’a été relevée, à partir de la liste des substances chimiques mesurées. Les émissions étaient généralement influencées par le type de filament et la couleur. Elles n’étaient pas contrôlées à l’aide d’une couverture de l’imprimante ». En conclusion, « l’exposition aux émissions dues à l’impression avec un filament en ABS a montré, chez les souris, une augmentation de la pression artérielle moyenne, une augmentation du tonus artériolaire et une diminution de la dilatation artériolaire dépendante de l’endothélium ».

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La fabrication additive produit une quantité importante d'émissions de particules avec un matériau polymère ABS.

Problèmes énergétiques et environnementaux

Derrière les risques sur la santé, se posent également les problèmes environnementaux. La fabrication additive semble bénéfique compte tenu de sa production à faible série, du peu de déchets qu’elle produit mais également de son optimisation topologique, permettant de produire des pièces plus légères et donc moins consommatrices d’énergie. Les études ne vont cependant pas dans ce sens.

Diverses recherches énergétiques ont été menées, indiquant généralement que l’énergie utilisée par les systèmes de fabrication additive actuels est une à deux fois supérieure à celle des procédés de fabrication classiques. Cependant, seule une partie de la procédure n’est pas encore documentée de manière holistique en termes de performance environnementale, et la plupart des efforts du Life Cycle Inventory (LCI) se concentrent principalement sur la consommation d’énergie.

Une étude a été finalisée par l’université de Louvain, en Belgique, en avril 2017. Elle offre un aperçu intéressant de l’impact environnemental d’une série de processus de fabrication additive (fusion laser sélective, frittage laser sélectif, fusion par faisceau d’électrons, modélisation par dépôt fusionné et stéréolithographie…). En comparaison avec les procédés de fabrication soustractifs, les besoins de matériaux très spécifiques des technologies additives nécessitent souvent des « étapes de préparation supplémentaires » et entraînent par conséquence un impact environnemental supplémentaire.

Des études complémentaires sont donc nécessaires pour analyser l’impact environnemental. Les améliorations fonctionnelles pendant la phase d’utilisation des pièces compensent-elles les besoins supplémentaires en énergie ? La consommation d’énergie est-elle compensée par une plus faible consommation de ressources ? À l’heure actuelle, il est cependant sûr que les acteurs tels que les industriels, les fabricants ou encore les services de contrôle, de normalisation, etc. doivent prendre en compte les problématiques HSE et les impacts sanitaires. Les fabricants, quant à eux, devront en plus s’interroger sur les problématiques environnementales de leurs machines.

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