La fabrication additive est-elle la clé pour réduire les émissions liées aux pièces de rechange dans les secteurs de l’énergie et du maritime ?

L’Agence internationale de l’énergie (AIE) a estimé que les avancées en matière de technologies de fabrication pourraient réduire la consommation énergétique industrielle mondiale de 18 à 26 %. Cette évolution se traduirait par des réductions équivalentes des émissions de CO₂. Pour moi, cela renforce une conviction : la fabrication additive (FA) devrait faire partie de cette équation. Dans les secteurs de l’énergie et du maritime en particulier, où la production de pièces de rechange est devenue la stratégie privilégiée pour exploiter la FA, une question essentielle demeure : comment calculer (et prouver) que les pièces imprimées en 3D peuvent réduire l’empreinte carbone ? C’est la question à un million de dollars que ce dossier entend aborder.

La focalisation sur l’énergie et le maritime est simple : en comparant les secteurs, l’industrie énergétique (pétrole, gaz, charbon, production d’électricité) et l’industrie maritime comptent effectivement parmi les plus grandes sources d’émissions à l’échelle mondiale, bien que de manières différentes.

Selon l’AIE, environ 73 % des émissions mondiales proviennent de la consommation d’énergie (électricité, chaleur et carburants de transport). Le transport maritime international représente environ 2 à 3 % des émissions mondiales de CO₂ (données de l’OMI). Bien que ce chiffre soit bien inférieur à celui de l’ensemble du secteur énergétique, il reste significatif.

Notre couverture montre que les entreprises énergétiques s’associent de plus en plus dans le cadre de projets collaboratifs pour tester des technologies et des applications susceptibles de contribuer à la lutte contre le changement climatique.

L’industrie maritime, quant à elle, s’impose comme l’un des secteurs adoptant la FA le plus rapidement. Pour améliorer l’efficacité de production, réduire les coûts et améliorer les performances des navires, les constructeurs navals se tournent vers des pièces imprimées en 3D qui répondent à des exigences strictes en matière d’hydrodynamisme et de durabilité.

Ce faisant, ils gaspillent moins de matière, bénéficient d’une plus grande liberté de conception et contournent les goulets d’étranglement de la chaîne d’approvisionnement.

À la lumière de ces éléments, ce dossier entend mettre en évidence :

• Les technologies FA les plus favorables à la production de pièces bas-carbone
• Les stratégies mises en œuvre pour mesurer l’empreinte carbone des pièces imprimées en 3D
• Les cadres réglementaires ou normes susceptibles d’encadrer les évaluations environnementales

Technologies FA et cas d’usage

Comme le WAAM, le binder jetting et la fusion sur lit de poudre sont souvent les technologies les plus utilisées dans les secteurs de l’énergie et du maritime, on pourrait penser qu’elles sont naturellement les plus favorables à la production de pièces bas-carbone dans ces secteurs.

“Il n’existe pas de technologie FA qui se distingue comme étant la plus favorable, car son adéquation dépend fortement de l’application spécifique, du matériau, de la conception de la pièce et du cycle de vie complet du composant. Cependant, chaque technique présente ses propres avantages et inconvénients. Par exemple, le WAAM peut avoir une empreinte carbone inférieure à celle du BJT et du PBF, mais des facteurs tels que la production du fil d’apport, la production du gaz de protection (généralement de l’argon) et la nécessité d’un fraisage post-impression contribuent à son impact environnemental global. Le BJT est souvent considéré comme se situant entre le WAAM et le PBF en termes d’empreinte carbone. Il ne nécessite pas la fusion de la matière première ; toutefois, le post-traitement (déliantage et frittage) peut être énergivore. Le PBF est considéré comme le plus énergivore ; cependant, cela peut être compensé par la production de pièces légères, qui améliorent l’efficacité,” Adam Saxty, Lead Additive Manufacturing Technologist chez Lloyd’s Register, à 3D ADEPT Media

Cela dit, avant l’avènement de la FA, la plupart des pièces étaient conçues pour l’usinage, le moulage ou le forgeage ; et selon l’application, ces méthodes conventionnelles sont encore largement utilisées par les entreprises du secteur de l’énergie et du maritime dans le monde entier. Quelle que soit la technologie employée, il convient d’examiner les critères communs qui définissent un processus de production solide, qu’il s’agisse de FA ou de fabrication traditionnelle.

Comme l’explique Juho Raukola, Innovation Manager (Fabrication Additive) chez Wärtsilä :

“L’industrialisation, un faible taux de rebut, une haute qualité et un minimum d’approximations sont quelques-uns des critères d’un bon processus de production industriel. Ainsi, le L-PBF et le WAAM seraient [leurs] choix en FA de métaux ; l’impression de noyaux de sable pour les procédés de fonderie est une option viable, notamment pour remplacer rapidement des pièces moulées en petites séries ou en exemplaire unique.”

Par ailleurs, dans la mesure où la production de pièces de rechange est souvent considérée comme la stratégie privilégiée pour exploiter la FA dans les secteurs de l’énergie et du maritime, on pourrait penser qu’il s’agit d’un cas d’usage attrayant pour mesurer l’empreinte carbone des pièces imprimées en 3D produites dans ces secteurs. Il s’avère que ce n’est pas le cas pour toutes les entreprises – du moins pas chez Wärtsilä.

“Pour nous, les pièces de rechange ne sont actuellement pas le cas d’usage le plus attractif pour la FA. C’est pourquoi nous ne mesurons pas l’empreinte carbone des pièces de rechange imprimées en 3D par rapport à leurs homologues conventionnelles. Si la fabrication additive est utilisée comme méthode de fabrication alternative, nous aurions généralement en tête le gain de délai comme principal moteur,” Raukola déclare.

Stratégies mises en œuvre pour mesurer l’empreinte carbone des pièces imprimées en 3D

En général, la stratégie la plus utilisée pour mesurer l’impact de la FA est l’Analyse du Cycle de Vie (ACV), encadrée par les normes ISO 14040/44. Une stratégie qu’approuve Saxty lorsqu’une comparaison est faite avec les procédés de fabrication conventionnels :

“Une stratégie efficace pour calculer les impacts environnementaux de la FA par rapport à la fabrication conventionnelle consiste à examiner le cycle de vie du composant, depuis les matières premières utilisées, en passant par sa fabrication et son utilisation, jusqu’à sa fin de vie ou son recyclage. Plutôt que de comparer la consommation énergétique de chaque méthode pour fabriquer une pièce, nous devrions considérer ses performances et sa contribution à la préservation des ressources tout au long de sa durée de vie. Cette approche offre une image juste et complète de la méthode la plus appropriée.”

En FA, cela implique généralement d’évaluer :

• La production de la matière première (atomisation de poudre, extrusion de filament, synthèse de résine)
• La consommation énergétique du procédé d’impression (laser, chaleur, déplacement, refroidissement, auxiliaires)
• Le post-traitement
• Le transport et la distribution
• Les options de fin de vie (réutilisation de la poudre, recyclabilité, élimination)

Dans l’industrie FA, les fabricants utilisent différents modèles de calcul pour estimer les impacts environnementaux de la production par FA par rapport aux techniques de fabrication conventionnelles.

Selon Raukola, il existe des options de modèles gratuits et payants. Cependant, leurs observations révèlent des écarts significatifs dans les résultats des ACV de la FA, même lorsque les données d’entrée et le périmètre sont identiques. Ces différences proviennent de la manière dont les hypothèses sont intégrées dans chaque modèle.

De l’avis de Raukola, la comparaison de deux modèles d’ACV largement utilisés pour la FA a révélé des écarts pouvant atteindre 100 %, ce qui est préoccupant pour quiconque tente de construire un argumentaire de durabilité fiable face à la fabrication conventionnelle.

“Mon conseil serait d’utiliser autant que possible des données réelles basées sur des mesures effectuées par le fournisseur lui-même.” — Raukola

Onno Ponfoort, Practice Leader Impression 3D chez Berenschot, met en lumière une approche différente adoptée par le consortium de 25 entreprises travaillant sur la phase 3 du ProGRAM JIP (Joint Industry Project).

Pour ceux qui ne le connaissent pas, le consortium a été créé en 2018 pour élaborer un guide formulant les exigences nécessaires à l’introduction de composants fabriqués par FA dans les secteurs du pétrole, du gaz et du maritime. Chaque phase du projet visait à atteindre des objectifs spécifiques. Une partie clé de la phase 3, conduite par Berenschot et DNV, avait pour objectif de comprendre la viabilité de la FA par rapport à l’empreinte carbone d’une pièce.

“Dans les exemples de cas du JIP, la déposition d’énergie dirigée a permis de réduire les émissions de CO₂ de manière significative : une réduction de 40 à 80 % par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles a été observée. Cette réduction a été principalement obtenue grâce à la diminution de l’utilisation des matériaux (moins de déchets grâce à la production en forme quasi-nette) et à la consommation d’énergie inférieure associée durant la production.” — Ponfoort

De manière intéressante, l’équipe a utilisé le framework AMPower pour mesurer et comparer l’empreinte carbone de la FA par rapport à la production conventionnelle. Ce framework intègre tous les éléments essentiels, non seulement l’empreinte liée à la production de matériaux et à la fabrication des pièces, mais aussi les aspects liés au transport, à l’électricité consommée et à la phase d’utilisation.

Lorsqu’on lui a demandé si la FA réduit réellement les émissions en tenant compte de l’ensemble du cycle de vie, il a répondu par oui et non. Les résultats de leurs cas d’usage ont révélé que « la FA ne réduit pas toujours l’impact environnemental de la fabrication par rapport aux méthodes conventionnelles ».

“Le mix énergétique utilisé pour la fabrication a un impact significatif sur les émissions de production. La FA permet souvent une production locale et à la demande de pièces dans des zones disposant de sources d’énergie renouvelables locales. La plupart des technologies conventionnelles nécessitent des installations de production importantes et énergivores. Ainsi, la FA facilite plus aisément la production dans des pays disposant d’un mix énergétique plus propre et une production plus proche du point d’utilisation, ce qui limite le transport et peut réduire les émissions logistiques.“ — Ponfoort

Cela étant, le ProGRAM JIP souligne l’importance de la réduction des déchets de matériaux et du recyclage, ainsi que de la réparation et de la remanufacture, comme éléments clés pour réduire l’empreinte carbone des pièces imprimées en 3D :

“L’impact de la réduction des déchets de matériaux est partiellement compensé par le recyclage des matériaux. Lorsque le matériau des pièces fabriquées de manière conventionnelle peut être recyclé, cela doit être pris en compte dans l’empreinte de la production du matériau. Par conséquent, une réduction potentielle de l’utilisation des matériaux lors de la production par FA ne se traduit pas nécessairement à 100 % par une réduction proportionnelle des émissions de carbone. […] Les pièces peuvent être réparées ou remanufacturées par FA avec une qualité acceptable. Outre les avantages économiques, la FA pour la réparation ou la remanufacture offre des avantages substantiels en matière de durabilité. Nous avons observé des économies de CO₂ allant jusqu’à 80 % par rapport à la production de nouvelles pièces avec des technologies conventionnelles. Les configurations de production hybrides (combinant des géométries de stock simples fabriquées par fabrication conventionnelle avec des caractéristiques complexes réalisées par FA) ont également présenté des avantages en matière de durabilité.”

Existe-t-il des différences de performance environnementale entre les pièces imprimées en 3D identiques à l’original et les pièces optimisées pour la FA ?

La réponse courte est : OUI.

Nos experts présentent ci-dessous différents cas où ces différences sont flagrantes.

Selon l’expert de Lloyd’s Register :

“Les pièces répliques imprimées en 3D auront la même géométrie et un poids similaire à celui des composants fabriqués de manière conventionnelle. En revanche, une pièce optimisée peut être repensée spécifiquement pour son application en tirant parti de la liberté de conception offerte par la FA. Grâce à l’optimisation topologique (une méthode mathématique qui optimise la disposition des matériaux dans un espace de conception donné), une disposition améliorée des matériaux peut être utilisée, aboutissant à une conception plus légère. En conséquence, moins de matière est utilisée lors de la production, ce qui se traduit par une consommation d’énergie moindre et un impact environnemental réduit tout au long de la durée de vie d’un composant.”

“Sur la base de l’étude de durabilité réalisée avec le FAME (Finnish Additive Manufacturing Ecosystem), nous avons pu clairement constater qu’en imprimant une pièce en acier de 2 kg à l’identique en 316L, les émissions auraient été multipliées par 2 ou 3 ; la même conception imprimée en AlSi10Mg aurait augmenté les émissions de CO₂ de 25 %, tandis qu’une reconception radicale pour un modèle natif FA aurait permis une réduction de 90 % par rapport à un composant usiné par CNC. La conception intelligente avec une consommation minimale de matériaux est la clé de l’efficacité en ACV, car la production de poudre et la consommation d’électricité lors du processus d’impression représentent plus de 90 % du CO₂ total de la production par FA. Les pièces de rechange repensées offrent des opportunités de mise à niveau significatives pour les composants existants. En tirant parti de la liberté de conception, nous pouvons améliorer la fonctionnalité des composants tout en maintenant la compatibilité avec les interfaces existantes. Les implémentations sur le terrain démontrent des améliorations de performance substantielles, prouvant que cette approche apporte une valeur mesurable aux installations existantes.“ — Expert Wärtsilä

“Lors de l’utilisation de technologies FA par fusion sur lit de poudre (PBF-LB et PBF-EB) pour la fabrication « à l’identique » de pièces moulées de manière conventionnelle, une augmentation des émissions lors de la phase de production a été observée. Cependant, l’effort supplémentaire lié à la reconception d’une pièce pour l’optimiser pour la FA ou améliorer la fonctionnalité de la pièce dans la phase d’utilisation devrait être pris en compte. Cela a souvent un effet positif, conduisant à un bénéfice net pour la durabilité de la production par FA ou pour les performances pendant la durée de vie par rapport à la fabrication conventionnelle.“ — Ponfoort

Cadres réglementaires ou normes pouvant encadrer les évaluations environnementales

À ce jour, il n’existe pas de réglementation spécifique à la FA pour les évaluations environnementales des pièces imprimées en 3D. Le secteur s’appuie encore largement sur des cadres généraux d’évaluation environnementale, comme le confirme Saxty :

“L’approche habituelle des cadres réglementaires et des normes FA s’est concentrée sur la fiabilité, la sécurité et la minimisation du risque de défaillance, en particulier pour les applications dans les secteurs de l’énergie et du maritime. Cela est illustré par la publication de la Recommandation 186 de l’IACS, qui facilite l’adoption sûre et efficace de la FA dans le secteur maritime. Cependant, des normes telles que celle-ci n’évaluent pas l’impact environnemental de la FA. Un nombre croissant de travaux de recherche académique développe des cadres pour évaluer l’impact environnemental de la FA, bien que ces travaux n’aient pas encore été intégrés dans la plupart des schémas de certification.”

Réflexions conclusives

Nos discussions avec les experts montrent clairement que l’évaluation du potentiel de la FA à réduire les émissions dans les secteurs de l’énergie et du maritime requiert une analyse approfondie.

Des facteurs tels que la localisation géographique (qui influe sur l’intensité carbone de l’électricité), le recours à l’entreposage numérique pour réduire la production et le transport, ainsi que le choix entre matériaux recyclés et vierges, influencent également l’empreinte globale.

Lorsqu’elle est appliquée de manière stratégique — grâce à une sélection réfléchie des procédés, une optimisation de la conception, une production localisée et une qualification efficace — la FA peut réduire significativement l’empreinte carbone des pièces maritimes. Pourtant, les bénéfices restent fortement dépendants du cas d’usage.

Cela souligne la nécessité d’une modélisation rigoureuse, d’une planification soignée et de décisions basées sur les données pour en réaliser pleinement le potentiel.