Dossier innovation en fabrication additive Impression 3D, tenants et aboutissants

de Auteur : Gilles Bordet und Gilles Bordet

L'impression 3D ou la fabrication additive, par opposition à la fabrication soustractive, promet des perspectives totalement nouvelles en matière de fabrication pour les industriels comme pour les particuliers.

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L'impression 3D nous réserve encore de très belles surprises et finira peu à peu par se démocratiser.
L'impression 3D nous réserve encore de très belles surprises et finira peu à peu par se démocratiser.
(Source : Pixel_B – stock.adobe.com)

C'est très certainement une des caractéristiques les plus étonnantes de l'impression 3D : sa nature duale entre les secteurs professionnels et le domaine privé.

Mais la révolution de l'impression 3D que de nombreux experts nous promettait n'a toujours pas eu lieu pour le grand public, là où les industriels ont saisi toute l'étendue des possibilités offertes par cette technologie.

Effectivement, aujourd'hui on estime que plus de 90 % des utilisateurs d'imprimantes 3D sont des entreprises et des professionnels.

Ces révolutions technologiques promises qui ne sont jamais arrivées

Depuis le début du XXe siècle, de nombreuses promesses scientifiques ou technologiques qui devaient bouleverser notre manière de vivre ont été faites à la population. Dans les années 1920, on pouvait acheter des pichets à eau dont l'intérieur était revêtu d'une couche de radium. La publicité de l'époque vantait les effets bénéfiques des radiations sur le métabolisme humain. Il suffisait de remplir son pichet le soir pour disposer au déjeuner d'une eau irradiée qui nous promettait monts et merveilles. Plus tard dans les années 50, pour amortir les sommes pharaoniques investies dans le « Manhattan Project », on nous promettait des applications civiles pour l'énergie nucléaire dans tous les domaines du quotidien, voiture, frigo, avion et bien d'autres encore, toutes aussi farfelues les unes que les autres. Finalement, en 2022, les applications du nucléaire civile se cantonnent à quelques domaines bien spécifiques : énergie, médical et spatial. Les russes sont les champions dans ce domaine, au risque de provoquer de nouvelles catastrophes écologiques. Ils disposent de brise-glaces à propulsion nucléaire, de centrales nucléaires flottantes mobiles et investissent dans des centrales nucléaires qui seront immergées par plusieurs centaines de mètres de fonds dans les océans.

La voiture volante est également un exemple intéressant car il partage de nombreuses similitudes avec l'impression 3D. On nous promettait la voiture volante pour tous, elle arrive aujourd'hui sous la forme de services dans les transports individuels sur courtes distances. Ces véhicules seront les taxis de demain et de nombreux projets ont déjà passé avec succès les phases de tests initiales.

C'est ce qui est en train de se passer avec l'impression 3D. Pas d'imprimantes 3D dans chaque ménage comme promis, mais des réseaux de FabLabs, d'entreprises et de particuliers qui offrent des services d'impression 3D. Là aussi, l'analogie avec la photo numérique peut également être faite. Les imprimantes photos nous promettaient de transformer le citoyen lambda en expert du tirage photographique. La technologie du numérique a provoqué très rapidement le déclin de la photo argentique car elle présente des avantages que n'importe quel utilisateur peut comprendre et utiliser. Mais aujourd'hui, les particuliers qui désirent faire des tirages sur papier photo de leurs prises de vues passent par des laboratoires professionnels à un coût bien plus économique qu'une impression à domicile et avec des résultats bien supérieurs.

Utilisation de l'impression 3D

L'impression 3D n'est pas une technologie nouvelle. Elle a plus de trente ans mais c'est uniquement ces dernières années qu'elle s'est développée de façon fulgurante sans pour autant supplanter les procédés de fabrication existants. Plusieurs facteurs ralentissent le développement à grande échelle de cette technologie, à commencer par ses applications.

L'impression 3D a été jusqu'à récemment utilisée uniquement pour 3 applications principales :

  • le prototypage rapide ;
  • l'outillage rapide ;
  • la fabrication directe.

La dernière étape, c'est la production décentralisée et à la demande, réalisée localement, voire directement à domicile par les consommateurs.

C'est cette dernière étape qui, si elle se démocratise, pourrait faire de l'impression 3D un outil aussi courant et simple d'utilisation qu'un ordinateur ou un smartphone.

Cependant l'utilisation de masse de l'impression 3D par les industriels n'est pas encore pour demain pour une raison évidente. L'impression 3D souffre d'un défaut qui est également sa plus grande qualité, un coût de fabrication constant. Que l'on fabrique une ou cent pièces, leur coût unitaire est toujours identique ce qui n'autorise pas les économies d'échelle.

Actuellement, l'impression 3D offre des débouchés très intéressants aux industriels pour des applications spécifiques. Lorsque l'urgence est de mise, pour la fabrication de prototypes et de très petites séries mais également pour des produits hautement personnalisés. Mais c'est principalement la capacité de fabriquer des pièces aux géométries très complexes avec de nombreuses cavités internes qui a séduit l'industrie.

Les facteurs qui pourraient démocratiser l'impression 3D

Au niveau du grand public, deux facteurs empêchent l'impression 3D de se démocratiser. Le premier est inhérent à la complexité de la technologie elle-même. Pas l'impression en tant que telle, même si cette dernière n'est pas à la portée de tous, mais les opérations en amont nécessaires à la création de données numériques pour la fabrication additive.

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Et c'est bien ce qu'il manque à l'impression 3D, un accès simple et intuitif à la conception de solides 3D (CAO) et à la création de programmes de fabrication (FAO), qui restent actuellement un domaine réservé aux professionnels ou aux amateurs passionnés. Cette limitation sera dépassée lorsque que les technologies de l'IA, des IoT et du machining learning seront suffisamment matures pour être utilisées aussi simplement qu'un smartphone.

L'investissement financier à l'achat d'une imprimante 3D plastique pour un usage privé n'est plus une limitation, actuellement ces machines sont disponibles à partir de quelques centaines de francs.

Le premier facteur est donc technologique et nécessite de pouvoir encore grandement vulgariser l'utilisation des imprimantes 3D afin de la rendre accessible à tous.

Le second facteur prépondérant est plus limitatif. L'utilisateur lambda ne voit pas encore ce que l'impression 3D pourrait lui offrir comme plus-value dans son quotidien. Rendre l'utilisation de cette technologie tellement simple que n'importe qui pourra imprimer une pièce chez lui ne suffira pas. Il faut nécessairement que cette technologie réponde à un besoin essentiel. Un argument qui toucherait tout un chacun personnellement et qui pousserait les gouvernements, les industriels et les privés à s'investir totalement dans cette nouvelle technologie.

Cet argument pourrait être le suivant, car c'est le seul qui tienne actuellement la route : l'urgence climatique.

Les concepts d'économie circulaire et de circuit court nécessitent de profonds changements dans nos comportements et auront un véritable impact sur notre empreinte carbone. Les objectifs climatiques que se sont fixés nos gouvernements ne pourront être véritablement atteint dans des délais raisonnables sans une participation active du grand public. Cela passera obligatoirement par une réduction massive de notre consommation d'énergie fossile indirecte générée par la transformation des biens de consommation et leur transport depuis l'autre bout de la planète.

Les concepts de base de l'économie circulaire permettent de produire des biens et des services de manière durable en limitant la consommation, le gaspillage des ressources et la production de déchets. Avec l'impression 3D, il devient possible de réparer, réutiliser et même recycler des biens de consommation courante. L'impression 3D offre la possibilité de produire uniquement ce qui est nécessaire avec des matériaux recyclés qui peuvent tout simplement être nos propres déchets. Pour répondre rapidement aux impératifs climatiques, l'économie est certes de rigueur, mais elle n'est pas synonyme d'un déclin technologique ou d'une décroissance, bien au contraire.

La technologie devient ainsi notre plus fidèle alliée pour relever les défis d'aujourd'hui comme de demain, et l'impression 3D aura très certainement une place importante dans l'évolution de nos modes de consommation.

Risques liés à la contrefaçon et aux piratages des données

La récente crise pandémique liée au COVID nous a offert de nombreux exemples d'applications de l'impression 3D mais a également mis en lumière les risques que comporte cette technologie. La start-up italienne Isonnova qui s'est fait connaître du grand public en copiant et en distribuant des valves de respirateurs dont les hôpitaux manquaient cruellement en est un exemple concret. L'entreprise qui fabriquait ces respirateurs était pour cause de confinement incapable de répondre à la demande et l'urgence sanitaire nécessitait de prendre des décisions très rapidement. L'initiative d'Isonnova malgré le refus du fabricant français de partager sa propriété intellectuelle a sauvé de nombreuses vies, mais a aussi exposé l'entreprise à de possibles poursuites pénales.

Un autre exemple est celui de Disney, qui a déposé en 2017 un brevet pour apposer une substance réflective sur les figurines de ses marques afin de tromper les scanners, avec pour but de protéger ses droits d'auteurs en empêchant les copies.

Parallèlement un nombre croissant d'industriels, conscients des enjeux climatiques ou pour préserver leur image de marque, mettent en ligne des bibliothèques de modèles 3D de pièces détachées pour réparer des appareils vieillissants, luttant ainsi contre l'obsolescence programmée. Mais l'on trouve également de plus en plus de bibliothèques d'objets conçues par des privés disposant d'outils de scannage avancés.

Un autre problème est celui du piratage des données. La technologie de l'impression 3D ne nécessite pas de devoir regrouper géographiquement ses machines sur un seul et unique site de production. Dans une philosophie de circuit-court, la position géographique de la machine est nécessairement proche du consommateur final.

En revanche les données de fabrication peuvent être envoyées de toute la planète, car il s'agit uniquement de données numériques dématérialisées. Une entreprise suisse peut parfaitement développer ses produits ici mais les faire produire au plus près des consommateurs à l'autre bout de la planète avec un impact environnemental quasiment nul. Mais les données numériques envoyées au site de production peuvent être interceptées, copiées et diffusées massivement. Une fois rendues publiques, et en imaginant que tout le monde possède une imprimante 3D à domicile, comment l'ayant droit fera pour attaquer en justice des millions de consommateurs lambda ?

Actuellement, la jurisprudence dans ce domaine est presque inexistante, ce qui pose un problème d'importance aux acteurs industriels. Et quand elle existe, c'est pour un pays mais pas pour un autre. Il faudra également à ce niveau mettre en place des moyens de protection efficaces tel que les DRM. Les DRM (Digital Rights Management) sont des systèmes de sécurisation des données audio et vidéo numériques empêchant la copie de ces dernières. Ces moyens de protection sont plutôt efficaces dans la plupart des cas mais avec un peu de connaissances, il est assez facile de les contourner. Une fois ces données libérées de leur verrou de sécurité et partagées sur des sites de torrents, il devient très compliqué de poursuivre les utilisateurs de ces fichiers, surtout s'ils sont des millions à les avoir téléchargés.

Le jour où chaque ménage possédera une imprimante 3D n'est pas pour demain mais quand cela arrivera les risques liés à la contrefaçon devront être pris très au sérieux par les industriels.

Une révolution à venir aux contours encore flous

Finalement la question à se poser n'est pas tellement de savoir si l'impression 3D connaitra le succès qu'on lui a prédit mais plutôt quand cela arrivera. Les industriels ont encore quelques années pour se préparer à ce bouleversement et mettre en place des moyens de protection efficace contre les risques de copie.

Cependant si les objectifs climatiques, sous la pression populaire et migratoire et à la suite de catastrophes climatiques de plus en plus fréquentes et destructrices, venaient à se durcir brutalement, il est possible que le bien commun passe avant celui des entreprises. Cela pourrait passer par des nouvelles règles et normes extrêmement contraignantes pour les industriels, les obligeant à revoir entièrement leur manière de produire. La redistribution des cartes au niveau mondial modifie les équilibres que nous avons connus jusqu'à présent. L’Europe devra désormais de plus en plus assurer seule sa souveraineté énergétique et militaire. Mais c'est très certainement sa souveraineté en termes d'approvisionnement en minéraux et produits semi-finis qui posera les plus grands défis. La solution la plus pérenne reste dans ce cas le recyclage de nos biens de consommation et leur réutilisation pour la fabrication de nouveaux produits. Avec 706 kg de déchets par habitant et par an, la Suisse est le troisième plus gros créateur d'ordures en Europe.

Nous avons déjà des exemples concrets de ce que pourrait devenir cette technologie dans le futur. Des pays dit « en voie de développement » comme le Nigéria, véritable « Silicone Valley » du continent africain, fabriquent déjà des imprimantes 3D sans aucun investissement financier. De nombreux jeunes étudiants et ingénieurs diplômés fabriquent à partir de composants d'imprimantes 2D (que nous envoyons par conteneurs entiers sur le continent afin de respecter nos engagements climatiques) des imprimantes 3D très efficaces. Les matériaux d'impression utilisés sont également issus du recyclage des plastiques. Si du point de vue des sociétés dites « industrialisées » ces projets peuvent sembler risibles, ils sont néanmoins fonctionnels et assurent à ces pays une forme d'indépendance technologique vis à vis des anciennes puissances coloniales et des nouveaux acteurs qui se disputent le continent.

Quel pourrait être un scénario possible dans un avenir proche ?

Nous appartiendrions à des sociétés ultra connectées, où l'IoT, la réalité augmentée, l'IA et les robots seront devenus la norme et utilisés conjointement avec des réseaux de téléphonie mobile à très haut débit et d'immenses bases de données alimentées par les particuliers, les professionnels et les machines elles-mêmes. La technologie est omniprésente dans notre quotidien à commencer par notre poubelle intelligente qui triera automatiquement nos déchets, les lavera et les conditionnera pour une utilisation ultérieure (projet existant en Californie). Fabriquer une pièce en 3D est désormais aussi simple que d'imprimer un document papier depuis un smartphone vers une imprimante wifi/bluetooth. De nombreuses applications permettent d'identifier très précisément la pièce ou la partie de la pièce à remplacer aussi facilement qu'en scannant un code QR. Une solution clé en main est alors proposée à l'utilisateur et qu'il peut personnaliser très simplement. Ensuite, il suffit de valider l'ordre de fabrication et l'imprimante 3D entièrement automatisée lancera la fabrication. Les problèmes non répertoriés dans la base de données que pourrait rencontrer le processus de fabrication sont systématiquement identifiés et corrigés par machine learning avant d'être partagés avec l'immense réseau mondial d'imprimantes connectées.

De leur côté les industriels ont revu leur façon de produire et proposent des biens de consommation durables, réparables et entièrement recyclables. Ils mettent désormais à disposition de la communauté des données numériques qui permettent la refabrication de composants pour des produits qui ne sont plus fabriqués. L'importation de produits transformés a grandement chuté par la généralisation du recyclage qui nous offre une forme d'auto-suffisance. Nous recommençons à produire de manière locale nos bien de consommation courante mais également nos assistants technologiques.

Les emballages n'ont pas pour autant totalement disparu, certains biens de consommation alimentaire nécessitent toujours des contenants pour leur transport même sur de courtes distances. En revanche les plastiques utilisés pour leur conditionnement sont désormais entièrement recyclables et disponibles dans plusieurs couleurs. Notre poubelle intelligente s'occupe de les reconditionner sous forme de bobines de fil plastique prêt à l'emploi pour une utilisation avec nos imprimantes 3D.

Ce scénario hypothétique est très certainement plus plausible et plus proche de la réalité que ceux que nous connaissions jusqu'à présent car ces derniers sont directement tirés de l'imaginaire de brillants auteurs de science-fiction.

À commencer par Arthur C. Clarke qui dans les années soixante parlait déjà de « la machine à répliquer » ou les synthétiseurs de nourriture de Gene Roddenberry dans Star Trek. Cette idée a été reprise de très nombreuses fois dans de nombreux films et séries de S-F. Les auteurs de bande-dessinée se sont également appropriés cette technologie futuriste très tôt. Le professeur Tournesol d'Hergé dans « Le lac aux requins » ou les Petits Hommes de Séron dans « Le peuples des abysses », sortis respectivement en 1972 et 1974, en sont deux bon exemples.

Les auteurs de roman d'anticipation sont bien les premiers à avoir parlé de « photocopieuse tridimensionnelle  » et dans l'imaginaire collectif cette technologie reste souvent associée à la fiction.

L'impression 3D en milieu industriel

Là aussi la révolution du tout « 3D » n'a pas eu lieu. Certes les industriels ont parfaitement compris les avantages qu'offre la fabrication additive mais ils en connaissent également les limitations. La première a déjà été évoquée, c'est le coût de fabrication constant. La seconde a un impact direct sur la première, c'est le temps du cycle de fabrication qui est également constant. Il peut être légèrement optimisé mais les options sont moins nombreuses qu'en fabrication soustractive et il ne pourra jamais atteindre les vitesses des procédés d'injection, métallique comme plastique. Il faut systématiquement attendre la nouvelle génération de machine d'impression 3D qui intègre de nouvelles technologies à même d'accélérer les temps de fabrication.

Et la troisième est commune aux professionnels comme aux privés, la technologie de l'impression ne répond à des besoins critiques que dans des cas bien particuliers. Mais pour ceux qui ont ces besoins particuliers, l'impression 3D a beaucoup à offrir. La Suisse, terre d'innovation, en abrite de nombreux exemples. L'industrie du luxe et de l'horlogerie très haut de gamme, où la fabrication en petites séries est de toutes façons la norme, utilisent avec succès l'impression 3D. L'impression 3D permet de créer des pièces aux géométries si complexes qu'elles en deviennent réalisables uniquement par ce procédé. L'industrie aéronautique et spatiale en est également très friande, car elle permet des économies de poids, besoin critique dans ces secteurs particuliers.

Il n'est pas certain que l'impression 3D plastique connaisse une explosion de son utilisation chez les industriels car elle est mise en concurrence directe avec l'injection contre laquelle elle ne peut pas rivaliser. Cependant elle restera utilisée pour la fabrication de prototypes, la fabrication d'outillages et la fabrication directe en très petites séries ou pour des produits hautement personnalisés comme les prothèses ou d'autres dispositifs médicaux.

C'est différent pour l'impression 3D métallique qui répond à un besoin critique car elle permet de fabriquer des pièces impossibles à produire par fabrication soustractive, voir même par injection ou moulage.

Dans certain cas particuliers le recours à la fabrication additive métallique peut même s'avérer plus efficace que la fabrication soustractive. Nous en avons un bon exemple dans le secteur des machines où nous avons vu ces dernières années des applications inattendues comme des mandrins de frettage et des corps d'outils de coupe fabriqués avec ce procédé.

Pour une utilisation nécessitant de la précision ou tout simplement pour un visuel agréable, il est nécessaire de terminer les pièces avec des moyens conventionnels. Ces opérations augmentent encore le coût des pièces fabriquées avec cette technologie.

De manière générale l'impression 3D reste actuellement limitée par ses temps de cycles trop longs incapables de concurrencer les moyens de fabrication conventionnels. Mais lorsque le coût de fabrication n'est pas limitatif ou que les possibilités offertes par ce procédé répondent à un besoin critique, l'impression 3D devient un outil incontournable. En matière de design industriel les seules limitations des logiciels de CAO sont la créativité des utilisateurs et les technologies de fabrication disponibles. L'impression 3D rééquilibre la balance en devenant la technologie de fabrication qui offre actuellement la plus grande liberté dans le choix du design d'un produit.

Les autres domaines d'application de l'impression 3D

L'impression 3D ne se cantonne pas qu'aux plastiques et aux métaux. On la retrouve dans la construction où elle permet de construire des habitations individuelles mais également des immeubles dans des temps records et à des coûts ridiculement faibles. La société chinoise WinSun, l'américaine King Of Homes ou la russe Apis Cor ont toutes trois expérimenté avec succès ce nouveau procédé de construction. Dans le domaine médical, la bio-impression fait déjà forte impression en fabriquant des tissus biologiques tels que de la peau, des structures cartilagineuses, des os ou des tissus cardiaques qui ont été réimplanter avec succès sur les patients. En 2017 une équipe de chercheurs de la Northwestern University Feinberg School of Medicine de Chicago et de la Northwestern’s McCormick School of Engineering in Evanston ont permis à des souris infertiles de donner naissance à une progéniture saine en imprimant en 3D des ovaires fonctionnels. Il ne faut bien entendu pas oublier le secteur de la dentisterie qui reste un des plus notables utilisateur de l'impression 3D.

On la retrouve également dans le domaine alimentaire, chocolat, pâtisserie, et quelques cuisiniers célèbres se sont essayés à son utilisation en proposant des plats gastronomiques imprimés en 3D. Dès 2006 la NASA a commencé à travailler sur l'impression 3D alimentaire et lance en 2013 son « Advanced Food Program » avec pour objectif de mieux nourrir les astronautes lors des missions de longue durée. En collaboration la société BeeHex, la NASA a développé la Chef3D, capable d’imprimer une pizza qu'il ne reste plus qu'à cuire.

L'industrie du divertissement et tout particulièrement le cinéma est un important utilisateur de l'impression 3D qui permet de créer de nombreux accessoires extrêmement réalistes plus rapidement et à des coûts moins élevés que par le passé.

Les instruments de musique, le sport, la restauration artistique, l'art, la paléontologie, la mode ou la criminalistique sont des domaines qui font également appel aux procédés d'impression 3D.

L'impression 3D n'est qu'à l'aube de son existence et nous serons très certainement surpris par les nombreuses applications futures qu'elle nous réserve.

MSM

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