News Mardi 23 juin 2020 - 16:35

Les fondamentaux en fabrication additive métallique

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Le rapport Wohlers 2020 estime le marché global de la fabrication additive pour l’année 2019 à 11,8 milliards de dollars, soit une croissance de 21,2 %. Au sein du segment des matériaux, le métal représente 17,4 % du marché et se trouve au pied du podium derrière les photopolymères avec 31,9 %, leader avec presque un tiers du marché global, les poudres polymères avec 28,1 % et les filaments avec 20,6 %. Le reste des matériaux : céramiques, cires, feuilles... représentent uniquement 2 % des ventes. Malgré la domination des polymères et des résines, la fabrication additive métal reste le segment le plus dynamique avec des croissances de ventes d’au moins 30 % pour les matériaux (source : IDTechEx) et 30 % pour les machines (source : Wohlers) entre 2017 et 2018. En France, une étude de février 2019 commandée par l’Observatoire de la métallurgie estime à 60,6 M€ le marché de la fabrication additive métallique français en 2018.

Ces chiffres montrent l’intérêt porté à la technologie et les avantages qu’elle offre. La première est la possibilité de fabriquer des pièces aux formes complexes pouvant ainsi comprendre des cavités, des treillis (structure lattice), des parois fines, etc. L’optimisation donne la possibilité d’alléger des structures, mais également d’ajouter de fonctions améliorées. Elle permet de réduire le nombre de pièces finales en construisant une seule pièce là où plusieurs étaient nécessaires, diminuant ainsi les opérations d’assemblage ultérieures. Elle offre la possibilité de fabriquer des pièces uniques, personnalisées, dans un même cycle de production. Enfin, elle permet de fonctionnaliser des surfaces, d'optimiser la gestion de fluides ou encore de raccourcir les délais de fabrication.

Évidemment, la fabrication additive métal n’est pas sans inconvénient. Le coût de fabrication reste le facteur le plus limitant. La qualification et le manque de normes spécifiques à certains secteurs freinent également l’utilisation de cette technologie. Concernant le procédé de fabrication, l’ajout de supports peut engendrer des post-traitements coûteux. La qualité de la pièce finie peut être variable selon le process de fabrication : matière, machine... et la maîtrise de l’ensemble du processus. D’autres freins sont également à lever tels que l’accompagnement notamment pour les PME et ETI, la consolidation de la chaîne numérique ou encore les réglementations de la propriété intellectuelle.

Les principaux procédés de fabrication additive métal

Le procédé de fusion sur lit de poudre

La fabrication additive par fusion sur lit de poudre, dénommée « Powder Bed Fusion » (PBF), est aujourd’hui très répandue. Elle est également connue sous d’autres appellations : LBM (Laser Beam Melting), SLM (Selective Laser Melting), DMLS (Direct Metal Laser Sintering), etc. (les deux derniers sigles étant des marques déposées). La fusion sur lit de poudre est une technique de fabrication additive permettant la production de pièces en métal grâce à l’utilisation d’un laser – ou d’un faisceau d’électrons pour le procédé EBM (Electron Beam Melting) – haute puissance qui fusionne une poudre métallique. Suivant le tracé déterminé par l’ordinateur, la source d’énergie va fondre les particules métalliques jusqu’à ce qu’elles fusionnent entre elles avant qu’un rouleau applique une nouvelle couche de poudre. Ces étapes vont s’enchaîner jusqu’à l’impression totale de l’objet. Une fois la fabrication terminée, la pièce refroidie est retirée du bac de poudre pour être nettoyée de ses supports et des particules de poudre non fusionnée. La taille des plateaux d’impression varie selon les machines, mais elle est rarement plus grande que 500 x 500 x 500 mm. La productivité du procédé a été améliorée, ces dernières années, notamment grâce à la multiplication des lasers. Les métaux utilisés sont généralement de l’acier inoxydable, de l’acier maraging, du cobalt-chrome, du titane Ta6V, de l’Inconel 625 ou de l’Inconel 718. De nombreux autres métaux sont compatibles avec ce procédé de fabrication additive comme l’aluminium. Enfin, des sociétés travaillent sur l’impression de cuivre ou encore de zircone.

Le procédé de fusion sur lit de poudre est destiné à la réalisation de pièces de formes complexes et de taille limitée. Il s’adresse à des produits dont le design a été optimisé pour exploiter pleinement les avantages de la technologie. Les pièces imprimées doivent souvent faire l’objet de post-traitements, finitions et contrôles, auxquels il faut ajouter les étapes de qualification de l’application.

Le procédé de dépôt sous énergie dirigée (DED)

Le procédé de fabrication additive DED ou dépôt sous énergie dirigée (Directed Energy Deposition) est l’un des sept procédés de fabrication additive normalisés par l’ASTM International et l'Organisation internationale de normalisation (ISO). Elle désigne un ensemble de technologies qui s’inscrivent dans la catégorie de fabrication DED. La matière, une poudre ou un fil, est déposée par une buse, montée généralement sur un bras robot à 5 axes, et immédiatement fusionnée par une énergie thermique concentrée, un faisceau laser ou d’électrons. La poudre est injectée latéralement ou co-axialement, alors que l’apport de fil est réalisé latéralement par rapport à la projection d’énergie. Cette famille technologique regroupe également les procédés « arc » générant un arc électrique : MIG-MAG, TIG, CMT (Cold Metal Transfert) et plasma, connus sous l’acronyme WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing). Elles utilisent des générateurs de soudage installés sur des robots ou structures de machine-outil.

La fabrication de pièces complètes avec le procédé DED est assez rare. Le marché pour cette technologie se porte principalement sur de la réparation ou de la reconstruction de pièces ainsi que de l’ajout de fonction. « Il est également possible à terme de réaliser des gradients pour passer d’une matière à une autre dans le but d’éviter de potentiels électriques ou encore d’avoir des connexions entre différents ensemble. », explique Sébastien Devroe, directeur technique chez AddUp. « Pour le DED fil, le marché n’est pas encore bien distinct. Son utilisation devrait porter sur la fabrication de pièces brutes (comme issue de forge ou fonderie) dont la géométrie s’approche de l’objet final, mais qui nécessiteront toutefois d’être usinées. » Plusieurs technologies DED existent. En France, Irepa Laser a été à l’origine du procédé CLAD (Construction Laser Additive Directe) et a développé des têtes de dépôt aujourd’hui intégrées aux machines industrielles de l’entreprise BeAM, rachetée en 2018 par la société française AddUp.

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Les autres procédés de fabrication additive métal

Le metal binder jetting (MBJ) se déroule en deux grandes étapes : la fabrication d'une pièce verte puis la consolidation par déliantage-frittage. Un liant est déposé sur des couches de poudres métalliques selon la forme et la section correspondantes à la pièce désirée. La pièce est ensuite « consolidée » en plusieurs étapes. Le curing ou étuvage va permettre de durcir les pièces vertes, de les récupérer et de les manipuler. Le dépoudrage va supprimer la poudre non agglomérée. Le déliantage consiste à éliminer le liant organique de la pièce par des mécanismes d’évaporation-décomposition afin de ne laisser qu’une pièce métallique à la porosité encore élevée. Enfin, l’étape de frittage, consistant à soumettre la pièce à une température de fusion du matériau pour fritter la poudre, donne à la pièce sa forme finale. Le procédé MBJ est proche de celui du MIM (Metal Injection Molding) dans lequel la pièce verte est obtenue par injection dans un outillage. Les processus de consolidation et de frittage sont identiques. 

L’état de surface et la productivité de ces procédés font l’attrait de ces technologies. Cependant, il faut anticiper le retrait dimensionnel pendant le frittage dès la conception, ce qui nécessite une bonne connaissance de la technologie. Le temps de cycle global est également allongé par les différentes phases de fabrication : impression, étuvage, déliantage et frittage. Le MBJ présente aujourd’hui un très gros potentiel de développement.

Le Bound Metal Deposition est une technologie développée pour le métal à partir du procédé polymère de dépôt de matière fondue (FDM ou FFF). Elle s’opère à partir d’un fil, de barreaux ou de granulés qui seront extrudés. Ceux-ci sont composés de poudre métallique et d’un liant. Comme pour les polymères, la machine dépose le mélange pour fabriquer une pièce verte qui sera déliantée et frittée selon les mêmes procédés qu’en Metal Binder Jetting.

Un marché français qui se structure

Les secteurs d’applications

Si la fabrication additive métal connaît au niveau international une forte progression, elle est encore peu structurée et principalement tiré par quelques grands acteurs. Selon un rapport issu de l’Observatoire de la Métallurgie, le marché français est partagé en trois segments assez équilibrés : 30 % pour les poudres (19,5 M €), 40 % pour les équipements (24 M €), et 30 % pour la fabrication des pièces (17,1 M €). Cette croissance française devrait suivre la tendance mondiale, ici aussi grâce à quelques donneurs d’ordres importants des secteurs de l’aérospatial tels qu’Airbus et Safran et de l’automobile.  

L’aéronautique et le spatial ont été les premiers secteurs porteurs des technologies de fabrication additive métal. Celle-ci permet non seulement de réparer des pièces, mais également d’obtenir de nouveaux composants plus légers, avec moins d’assemblage ou améliorés. Dans les secteurs médical et dentaires, l’impression 3D métal touche principalement la réalisation de pièces personnalisées telles que des prothèses et implants, les couronnes ou les bridges. Le secteur automobile figure également parmi les secteurs clés du domaine pour la réalisation de prototypes, de moules et de pièces personnalisées en petites séries comme les enjoliveurs. En France, Michelin a montré l’exemple en imprimant une typologie de pièces, de lamelles pour ses moules de pneus, à 1 millions d’exemplaires par an.

Une filière française qui se structure

Malgré une concurrence internationale forte, la filière française est en train de se structurer tout d’abord portée par les gros acteurs tel qu’AddUp. Cette joint-venture de Fives et Michelin devient un acteur international important et stucture le marché français, notamment avec le rachat d’autres entreprises comme BeAM et Poly-Shape. Avec ces acquisitions, elle propose à ses clients des services et des solutions industrielles avec deux technologies de fabrication additive métal : la fusion par laser sur lit de poudres et le dépôt d’énergie dirigée poudre ou fil. 

Du côté des donneurs d’ordre, plusieurs sociétés se sont tournées vers des spécialistes de la fabrication additive métallique à l’étranger tels Mecachrome qui travaille avec le norvégien Norsk Titanium ou encore Thales qui a installé son centre de compétences à Casablanca, au Maroc. Mais de récents investissements tendent à confirmer la relocalisation d’une partie de la production. Ainsi Dassault Aviation a choisi Argonay, en Haute-Savoie, pour y implanter son usine de fabrication additive estimée à 25 M€, Safran implante son Campus Fabrication Additive à l’ouest de Bordeaux pour un montant d’environ 80 M€ et Armor installe la Kimya Factory à Nantes. Enfin, au-delà des grands groupes, un réseau de PME fournissant des pièces de fabrication additive maille le territoire : du nord (Volum-e, 3D-MetalPrint) au sud (Poly-Shape), d’est (Inital) en ouest (Lisi), en passant par le centre (Erpro, Spartacus…). 

La tendance en fabrication additive métal, comme pour les autres matériaux, se tourne progressivement vers la production en série. Le développement des équipements de fabrication permet une production plus rapide et une division du coût de production des pièces. La productivité a augmenté, mais également la répétabilité des machines. La gestion et la maîtrise du procédé restent, cependant, des éléments clés pour le client. « Les mentalités ont changé. Les clients possèdent maintenant une connaissance de la technologie : les avantages et les inconvénients. Ils savent ce qu’ils veulent : leurs besoins, les contraintes, etc. Parallèlement, les fabricants de systèmes de fabrication additive ont appris sur les contraintes d’atelier, etc. Aujourd’hui, nous ne sommes plus dans des relations vendeurs / acheteurs, mais dans des relations plus collaboratives, de partenaires, pour comprendre les contraintes de chacun et faire évoluer la technologie », conclut Sébastien Devroe, directeur technique chez AddUp.

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