Fabrication additive L'art du Design for Additive Manufacturing (DfAM)

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Imprimer en 3D une pièce initialement pensée pour le fraisage est une erreur coûteuse. Pour tirer une véritable valeur ajoutée de la fabrication additive, les ingénieurs doivent réapprendre à concevoir. Entrée dans l'ère du DfAM (Design for Additive Manufacturing), où la complexité géométrique ne coûte plus rien (ou presque), mais où l'esprit de l'ingénieur vaut de l'or.

Depuis des décennies, les ingénieurs sont formés selon une logique soustractive : partir d'un bloc de matière brute, et enlever ce qui est superflu. La CAO intègre donc automatiquement les contraintes liées à ces méthodes d'usinage : accès de l'outil de coupe, angles de dépouille, etc.

Mais que se passe-t-il lorsque l'on applique ces règles à la fabrication additive ? On obtient une pièce souvent plus chère, plus lente à produire, et dont les propriétés mécaniques n'ont pas été optimisées. C'est alors qu'intervient le Design for Additive Manufacturing (DfAM).

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L'erreur à ne pas faire

La raison la plus évoquée concernant la non-adoption de l'impression 3D dans une PME industrielle est d'ordre économique : « Nous avons chiffré l'impression de cette pièce en métal, c'est trois fois plus cher qu'en usinage traditionnel. » Ce constat est logique si l'on se contente de transférer le fichier 3D d'une pièce usinée vers une imprimante 3D. En usinage classique, le volume de matière importe peu, c'est la complexité de l'usinage qui coûte cher : temps de cycle, nombre de posages, changements d'outils, etc. En fabrication additive, la règle s'inverse : ce sont le volume de matière et le temps d'impression qui déterminent le prix.

Le DfAM : une nouvelle façon de concevoir

Le DfAM équivaut donc à mettre de côté les principes de design ancrés et de penser la pièce non plus en adaptant le design aux contraintes de fabrication, mais à sa fonction.

Pour optimiser le retour sur investissement de l'impression 3D, la conception s'appuie sur plusieurs leviers dont entre autres :

• L'optimisation topologique et la conception générative : les algorithmes de calcul des logiciels CAO permettent d'analyser les forces qui s'appliquent sur une pièce en fonctionnement et ainsi d'optimiser la quantité de matière en s'appuyant sur les lignes de contraintes. Les résultats obtenus sont des formes plus complexes, souvent aux lignes organiques, mais dont la structure offre une résistance mécanique équivalente à la pièce d'origine, voire meilleure. Le poids des pièces est également fortement réduit : les chiffres que l'on peut trouver dans la littérature sont majoritairement de l'ordre de 30 à 50 %. Les formes obtenues, pouvant comprendre des géométries internes spécifiques, sont en général impossible à obtenir par usinage classique.

• La consolidation des pièces : un sous-ensemble complexe, traditionnellement composé de plusieurs pièces usinées et assemblées, peut souvent être repensé en une seule et unique pièce imprimée en 3D. Les bénéfices sont alors colossaux : élimination des temps de montage, réduction du poids de la pièce finale, augmentation de la fiabilité de la pièce, et simplification drastique de la chaîne d'approvisionnement. C'est sans doute le levier le plus rentable en DfAM.

Des exemples concrets d'applications rentables

Les industries aéronautique, spatiale, et automobile sont déjà friandes des avantages qu'offre la fabrication additive et ne sont plus à convaincre. L'utilisation de ces technologies sont en pleine croissance dans ces secteurs. Si l'utilisation de ces procédés est encore timide dans les autres secteurs, ils n'en sont pas moins présents.

United Machining Solutions, à l'époque GFMS, basé à Bienne, a par exemple contribué à l'utilisation des avantages de la fabrication additive pour la fabrication de moules d'injection intégrant un refroidissement conforme (conformal cooling), c'est-à-dire des canaux de refroidissement courbes qui épousent parfaitement la forme de la pièce à mouler. Dans le cadre de cette étude de cas, les données issues des tests montrent des réductions significatives : environ - 40 % pour le temps de refroidissement et - 25 % pour le temps de cycle. Sur la base de ce temps de cycle, 142 jours sur une série de production nécessitant 1 million de cycles peuvent être gagnés, soit une économie de temps et d'argent considérable. En outre, l'utilisation de canaux de refroidissement conformes permet d'éliminer les points chauds, prolongeant ainsi la durée de vie du moule.

Focus MedTech et horlogerie

Le Swiss m4m Center, situé dans le canton de Soleure, est un centre de transfert de technologie soutenu par l'Empa. Il aide les PME suisses du secteur MedTech à intégrer l'impression 3D certifiée (ISO 13485) pour la production d'implants sur-mesure et d'instruments chirurgicaux. Selon le Swiss m4m Center, l'impression 3D et l'hybridation 3D/CNC sont ultra-rentables pour l'industrie MEM. Plusieurs cas d'applications ont montrés des avantages clairs, comme :

• des délais divisés : le prototypage métallique réduit le Time-to-Market jusqu'à 75 %, passant de plusieurs mois à quelques jours ;

• une diminution des coûts : l'impression monobloc d'instruments chirurgicaux supprime 100 % des étapes d'assemblage (vis, soudures) et leurs faiblesses ;

• des Implants haut de gamme : l'impression 3D titane crée des structures en treillis imitant l'os, une prouesse impossible en usinage CNC.

Dans l'horlogerie, on trouve également des cas d'utilisation, comme par exemple le boîtier de la Luminor 1950 Tourbillon GMT Titanio « Lo Scienziato » de Panerai, fabriqué par DMLS (Direct Metal Laser Sintering) en poudre de Titane grade 5. Cela a permis de créer un boîtier totalement creux à l'intérieur. Cette méthode a permis de créer un boîtier dont le volume interne est littéralement vide (une cavité creuse avec une géométrie interne de soutien), ce qui allège la montre d'environ 40 % par rapport à un boîtier en titane usiné traditionnellement, tout en conservant une résistance à l'eau de 100 mètres et une excellente résistance aux chocs.

Au-delà des pièces de montre, la révolution de l'impression 3D en horlogerie se joue aussi sur les établis. La production de posages peut ainsi se faire par impression 3D en résine (SLA). Des fabricants comme Formlabs ont démontré que l'impression d'outillages en résines techniques permettait de diviser les coûts de fabrication par 6 et de passer d'un délai d'usinage de plusieurs semaines à une simple impression de nuit, offrant une agilité inédite aux horlogers.

Le défi humain avant d'être technologique

L'intégration de la fabrication additive dans une entreprise ne se résume donc pas simplement à l'utilisation d'une machine, mais englobe un changement de réflexion qui commence dans le bureau d'études.

Les ingénieurs doivent apprendre à concevoir pour la fabrication additive. Le DfAM n'est pas qu'un outil logiciel de plus : c'est une nouvelle culture de l'ingénierie. Les entreprises qui formeront leurs concepteurs à cette philosophie seront celles qui transformeront l'impression 3D en un véritable avantage concurrentiel.

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