Dossier : innovation en fabrication additive Des procédés et des compétences à développer

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Les techniques sont là, mais quelles en sont les utilisations et les limites ? Où se trouvent les possibilités d'innovation en fabrication additive ? Marc Leparoux, senior scientist à l'EMPA, où il coordonne les activités de fabrication additive, en particulier celles liées à la technique DED, a répondu à nos questions.

Vous travaillez sur plusieurs techniques utilisées pour la déposition de métal dans le processus de fabrication additive. Pouvez-vous nous expliquer le principe de ces techniques ?

Nous travaillons sur deux techniques principales pour la fabrication additive métallique qui sont le L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion, pour fusion laser sur lit de poudre) et le DED (Direct Energy Deposition, pour dépôt sous énergie concentrée ou dirigée). Dans les deux cas, le principe est de construire une pièce en trois dimensions couche par couche.

En L-PBF, on étale une couche de poudre et on vient faire fondre la poudre avec un laser à l'endroit voulu. Puis on descend le plateau porteur avant de redéposer une autre couche de poudre et ainsi de suite jusqu'à obtention de la géométrie finale.

En DED, la poudre est injectée par une buse à l'endroit même où le faisceau laser est focalisé, entraînant une fusion de la poudre au point focal. Ce point focal se meut dans le plan déposer une première couche de métal sur un substrat porteur. La buse se déplace ensuite vers le haut pour continuer à créer la structure métallique couche par couche.

Nous avons également récemment acheté une machine dont le principe n'est pas basé sur la technologie de fusion par laser, mais sur un faisceau d'électrons comme source d'énergie. Dans ce cas, ce n'est plus de la poudre qui est utilisée, mais un fil très fin. Ce fil de matière est apporté sous le faisceau d'électrons, sous lequel il va fondre pour créer la couche de métal.

Quel est le niveau d'implantation de ces techniques en milieu industriel ?

Ces trois techniques sont les principales utilisées en fabrication additive de structures métalliques. Les industriels les utilisent depuis déjà une bonne dizaine d'années. Ceux qui les ont implémentées ont en effet rapidement reconnu les avantages que proposent la fabrication additive, mais ils sont au global assez peu nombreux, et il y a toujours un fort potentiel de développement et d'intégration de ce domaine dans l'industrie.

Quel est le rôle de votre groupe à l'EMPA vis-à-vis de ces techniques ?

Nous essayons de concentrer nos activités de recherche et développement sur une meilleure compréhension des procédés afin de repousser leurs limites actuelles, tout en gardant un œil sur les potentielles applications industrielles futures. Cela implique une approche globale, incluant des compétences en matériaux, en physique des rayonnements, en diagnostiques in-situ pour observer et caractériser les interactions matériaux-rayonnement, ainsi que l'utilisation de l'intelligence artificielle pour traiter toutes les données générées et en y ajoutant une modélisation multi-échelle.

Alors justement parlons des limitations actuelles de ces techniques. Prenons par exemple la matière première : qu'advient-il de la poudre restante en fin de fabrication en L-PBF ?

La poudre restante est récupérée pour être réutilisée. En effet, quand on tire avec le laser sur le lit de poudre, la poudre va fondre au point d'impact, mais la poudre adjacente est projetée sous forme d'étincelles, et cette poudre en fusion vient se redéposer proche de la zone d'impact, créant des agglomérats de poudre. Ces agglomérats sont difficiles à retravailler. En fin de fabrication par L-PBF, la poudre est donc passée au tamis pour se débarrasser de ces agglomérats. Actuellement, on réutilise la poudre jusqu'à une dizaine de fois. De nombreuses études sont en cours pour évaluer la dégradation réelle de la poudre résiduelle dans la machine, et son recyclage. En DED, on n'est pas confronté à ce problème. Les rendements de procédés sont donc plus importants avec le DED qu'avec le L-PBF, car il y a très peu de pertes.

Quelles sont les limitations en termes de matériaux ?

Souvent dans l'industrie, les pièces ou systèmes complexes sont souvent composées de différents matériaux assemblés les uns aux autres. En effet, en fonction de l'application de ladite pièce ou dudit système, une partie sera très sollicitée mécaniquement, une autre thermiquement, etc. et les matériaux seront choisis respectivement en fonction de ces contraintes d'utilisation. À l'heure actuelle, nombres des techniques d'impression 3D, et notamment celle du lit de poudre, permettent difficilement l'utilisation de plusieurs matériaux pour une seule pièce. Avec la DED en revanche, il est possible de changer de poudre, et donc de matériau, en cours de fabrication. C'est l'un des gros intérêts de cette technique.

Quelles sont les limitations liées à la taille des pièces fabriquées avec des deux méthodes et peut-on s'en affranchir ?

En ce qui concerne le DED, on peut avoir des systèmes ouverts. On place par exemple la buse laser/poudre sur un robot dans une grande enceinte ou un laboratoire, et le robot se déplace pour fabriquer la pièce. Partant de là, on peut fabriquer des pièces de très grandes tailles, il suffit d'avoir la place. En termes de tailles de pièces, la méthode de fusion sur lit de poudre n'entraîne en théorie pas de limitation, car il suffit pour de grandes pièces d'avoir un grand lit de poudre. Mais les enceintes de machines sont fermées et en pratique, même s'il existe des machines de différentes tailles, les plus grandes, et elles sont peu nombreuses, font « seulement » quelques mètres cubes.

Qu'en est-il de la complexité de la géométrie des pièces fabriquées ?

La méthode de fusion sur lit de poudre permet de fabriquer des pièces beaucoup plus complexes, dans la mesure où la fusion intervient sur un lit de poudre dont la quantité résiduelle peut être simplement enlever en fin de processus. Dans ce cas-là, aucun support externe n'est utilisé, c'est la poudre elle-même qui sert de support. On peut donc fabriquer d'un seul tenant, sans assemblage en sortie de production, des mécanismes complets avec un mouvement rotatif par exemple. Avec le dépôt de poudre par buse, la poudre doit être déposée sur une structure existante, ce qui contraint la complexité géométrique des pièces.

La géométrie des pièces vous semble-t-elle être un obstacle franchissable ?

Je pense qu'il faut voir la complexité des géométries comme une opportunité plutôt que comme un obstacle. La fabrication additive permet déjà de fabriquer des pièces qu'on ne pourrait pas fabriquer en usinage traditionnel. C'est l'un de ces principaux intérêts.

Quels sont donc les autres intérêts de ces méthodes de fabrication ?

L'autre avantage principal est l'individualisation des pièces, en particulier dans les applications médicales. Les pièces sont fabriquées dans un laps de temps court et parfaitement adapté à la morphologie du patient. Dans le domaine de l'automobile également, la fabrication additive présente également un intérêt : les constructeurs automobiles ne doivent plus nécessairement garder des stocks de pièces de rechange pour les vieux modèles, ils peuvent les imprimer directement à la demande.

Alors on parle ici de pièces unitaires ou de très petite série, mais qu'en est-il des moyennes à grandes séries : la fabrication additive est-elle concurrentielle ?

Ce n'est pas encore très clair actuellement. Je dirais que le principal problème ne réside pas tant dans les techniques de fabrication que dans l'approche du design. Une grande majorité de designers pensent en suivant les règles de l'usinage traditionnel. Ils ont souvent du mal à imaginer la création d'architectures nouvelles, infaisables avec les techniques d'usinage classiques, mais réalisables en fabrication additive.

Pensez-vous que c'est un point bloquant à l'expansion de la fabrication additive ?

Bloquant non, mais c'est un point primordial sur lequel il faut travailler. Il faut faire évoluer les mentalités et les manières de réfléchir des ingénieurs mécaniques. Une fois qu'ils auront intégré l'éventail de géométries fabricables en fabrication additive, les applications industrielles se répandront assez rapidement. Dans cette optique, certaines universités commencent à donner des cours de design mécanique en fabrication additive.

On a donc d'un côté l'évolution des compétences techniques, qu'en est-il de l'évolution des procédés ?

Il faut bien être conscient que la fabrication additive est une technique relativement nouvelle. On en parle depuis une quarantaine d'années, mais on y travaille intensément depuis bien moins que ça, une quinzaine d'années environ. Nous n'avons donc pas le même retour d'expérience que dans le cas des méthodes d'usinage traditionnelles. Un des gros problèmes dans l'industrialisation de ces techniques est que parfois, les pièces en sortie de fabrication ne sont pas aussi bonnes qu'attendues en théorie et on ne sait pas toujours exactement pourquoi. On fait donc encore face à des surprises quant à la pauvre reproductibilité des pièces produites par fabrication additive. Alors dans les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatial notamment, on entend parler de pièces fabriquées par impression 3D et validées. Mais ce sont souvent des pièces que l'on pourrait qualifier de non-fonctionnelles, dans le sens où un problème sur ces pièces ne met pas en péril l'intégrité et la fonctionnalité de l'avion ou du satellite. Quoi qu'il en soit, beaucoup de personnes travaillent maintenant à l'amélioration de ces techniques, en observant le procédé en continu pour détecter le moindre petit défaut, la moindre petite variation dans le procédé. De là émerge une question simple en théorie : ce défaut est-il corrigible, si oui, comment, et si non, sommes-nous dans une impasse ?

Quelles sont donc les prochaines étapes à mettre en œuvre ?

La complexité du procédé est, comme vous l'avez compris, un point d'étude très important, car chaque petit défaut dans la mise en œuvre de la couche ou dans l'écoulement de la poudre va induire un défaut dont l'ampleur risque d'augmenter avec les étapes successives. C'est pourquoi nous pensons qu'il est important d'équiper les machines avec plus de systèmes de contrôle in-situ qui pourraient détecter rapidement ces petits défauts. Soit il est alors possible de corriger ce défaut avant de continuer, soit on devrait pouvoir interrompre immédiatement la production de la pièce car ces procédés durent normalement plusieurs heures. Je pense qu'une fois que les procédés seront plus reproductibles, et que des systèmes de contrôle seront validés, la fabrication additive inspirera plus confiance aux industriels qui pourront plus facilement intégrer ces techniques de fabrication dans leur portfolio. Toutefois, je reste convaincu qu'il faut aussi repenser le design des pièces pour bien intégrer la capacité unique de cette approche à réaliser des pièces complexes en trois dimensions. Actuellement on a encore un peu trop tendance à reprendre en fabrication additive des designs de pièces déjà réalisables en usinage traditionnel. MSM

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