Depuis la seconde moitié du XXe siècle, l'impression 3D ou fabrication additive (FA) a connu une croissance exponentielle de ses capacités technologiques. Cela a permis des développements innovants dans la conception et la fabrication de produits sur des marchés tels que l'aérospatiale, l'automobile, les biens de consommation, les soins dentaires, l'énergie, la santé, etc. Les données collectées tout au long de 2017 et 2018 pour le rapport Wohlers 2019 indiquent que les revenus de l'impression 3D passeront de 15,8 milliards de dollars en 2020 à 23,9 milliards de dollars en 2022 et à 35,6 milliards de dollars en 2024. Pourquoi l'impression 3D gagne-t-elle une bonne traction dans tous les secteurs et cette nouvelle technologie amener les fabricants à abandonner les méthodes traditionnelles de conception et de fabrication de produits?
Dans cet article, nous fournirons un aperçu des avantages de l'impression 3D et des défis auxquels les entreprises sont confrontées lorsqu'elles envisagent de passer de la fabrication conventionnelle (CM) à la fabrication additive (FA).
Avantages et inconvénients de l'impression 3D
L'un des aspects clés de l'impression 3D est la capacité de capturer des géométries complexes dans des modèles 3D pour produire des pièces uniques. La conception et la refonte permises par la technologie d'impression 3D permettent le développement de pièces qui ne peuvent tout simplement pas être produites par des méthodes CM, y compris la fabrication soustractive et formative. En ce qui concerne la complexité et la personnalisation des pièces, la FA peut être un plus grand avantage pour les fabricants. Les logiciels informatiques peuvent être utilisés pour créer des conceptions de pièces complexes qui peuvent être rapidement imprimées sans avoir à créer de nouveaux moules – comme requis dans CM – qui peuvent entraîner des coûts élevés et augmenter irrévocablement les délais de production des produits.
La fabrication à faible volume est le pont entre le prototypage ponctuel et la production à grand volume. Il s'agit d'un terme utilisé pour décrire la production à faible volume (50 à 100 000 unités) avant le début de la production en série. AM a commencé à faible volume pour le prototypage rapide et a commencé à être adopté notamment pour la fabrication d'assemblages fonctionnels selon le rapport de Wohler.
Outre les industries telles que l'automobile, l'aérospatiale et l'outillage rapide qui utilisent déjà la FA pour la fabrication directe de pièces, la FA peut être une option viable pour de nombreuses autres entreprises. Compte tenu des délais et des coûts liés aux méthodes AM et CM telles que le moulage par injection, la FA s'est avérée bénéfique pour la réduction des coûts de fabrication de pièces, et est généralement plus compétitive pour les petites quantités.
Un autre avantage de la FA par rapport au CM est le potentiel d'économies sur les coûts associés à l'outillage. Deloitte a cité des recherches dans lesquelles les coûts d'outillage associés à l'équipement de FA représentent environ 30% de ceux de l'outillage pour le moulage par injection. Les frais d'outillage représentent respectivement 5 et 90% du coût de production total pour la fabrication artisanale et le moulage par injection. La capacité d'impression couche par couche de AM permet une plus grande adaptabilité pour une large gamme de produits par rapport à l'outillage de fabrication soustractive qui doit être fabriqué pour chaque produit individuel. AM peut également éliminer la main-d'œuvre et les coûts nécessaires à l'assemblage des pièces, car un produit peut être entièrement assemblé au cours d'une seule session d'impression.
Dans l'ensemble, la FA peut très bien être très attrayante pour les fabricants à condition que le processus soit appliqué à la production de pièces de grande valeur, de grande complexité, de faible volume et / ou de coûts de main-d'œuvre élevés. La FA peut réduire ou éliminer le temps d'assemblage des pièces avec des coûts de main-d'œuvre élevés et automatiser le processus de production afin de réduire la main-d'œuvre.
Les défis de l'adoption plus large de la fabrication additive
Malgré les avantages de la FA, divers facteurs empêchent son adoption complète en tant que processus de fabrication standard, en particulier pour la production de masse. Comme mentionné précédemment, bien que la technique soit très efficace pour la conception et la refonte du produit, le temps nécessaire pour imprimer réellement la pièce requise peut être le deuxième meilleur par rapport à ce que le moulage par injection peut réaliser. Pour la production de masse, AM n'atteindrait tout simplement pas la cible.
Comme AM a la capacité de produire des géométries complexes que les méthodes CM ne peuvent pas, il n'est pas nécessaire de suivre les principes traditionnels de conception pour la fabrication et l'assemblage (DFM / DFA). Au lieu de cela, AM suit ses propres réglementations de conception de fabrication, qui relèvent du terme Design for Additive Manufacturing (DfAM). Malgré cela, le débat demeure quant à savoir s'il suit vraiment la fabrication pour la conception. À l'heure actuelle, les principes DfAM doivent encore être travaillés et normalisés. Bien que des progrès soient accomplis dans ce domaine, il en faut davantage pour promouvoir la FA à plus grande échelle. En particulier, l'absence de meilleures pratiques normalisées a continué de ralentir le développement de stratégies de contrôle de la qualité (CQ) et d'assurance de la qualité (AQ) pour faire progresser la certification industrielle de la fabrication de MA.
Intégrer AM et CM
Le processus de FA est encore en cours de raffinement et d'exploration pour pouvoir l'adapter aux applications appropriées. Comme il s'agit d'une technologie en pleine croissance, il faut encore du temps pour se développer. Plutôt que de voir la FA comme une nouvelle façon de créer des produits qui supplantent complètement CM, il y a une autre perspective. Une fusion de pensée à travers et entre les industries fait avancer la genèse d'un processus de fabrication hybride où AM et CM sont intégrés ensemble. Cette approche a été décrite comme le «meilleur des deux mondes» par 3D Systems et combine la vitesse relative et la complexité de conception de la FA avec les matériaux et la précision des méthodes CM.
Un exemple de ceci peut être glané grâce à l'utilisation de l'élastomère, l'uréthane. Sous sa forme moulée, ses propriétés physiques, sa texture, sa couleur et son toucher des pièces moulées par injection peuvent être reproduites à faible volume, ce qui est idéal pour la pré-production. Cette même méthode est applicable pour un certain nombre de résines utilisées pour l'impression 3D. Il peut être appliqué pour les applications industrielles, y compris les machines tournantes ou la construction de systèmes de convoyage.
Habituellement, l'usinage CNC serait utilisé pour créer des modèles de base nécessaires à la coulée de l'uréthane. Cependant, lorsque les techniques de FA sont appliquées à ce processus, il est rendu plus efficace en termes de rapidité et de rentabilité. Un exemple fourni par 3D Systems dans son livre électronique «Les avantages de la fabrication traditionnelle et additive à partir d'une source unique» montre comment diverses méthodes AM et CM ont été combinées pour créer un prototype de voiture complet en seulement huit semaines.
La force combinée de la FA et de la CM n'a été réalisée que récemment et alors que les efforts se poursuivent pour intégrer ces systèmes autrefois séparés, un nouveau système hybride émergera. Actuellement, AM et CM se développent ensemble, tous deux offrant des capacités spécifiques aux fabricants.
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