Avec la contribution de Fraunhofer Additive Manufacturing Alliance, IPC & nScrypt

Contrairement à ce qu'on pense généralement, la Recherche & le développement (R&D) est un moteur très gérable du succès des entreprises. Si vous réfléchissez une seconde, les plus grandes innovations qui secouent le monde d'aujourd'hui ont commencé avec la R&D. Cette étape a été fondamentale dans toute révolution industrielle, y compris la fabrication additive, et aujourd'hui, nous voulons découvrir comment cette technologie est le moteur de ce secteur.

La capacité du fabricant à innover et à s'adapter aux exigences de ses clients n'a jamais été aussi importante qu'aujourd'hui. Pour répondre à ces besoins de l'industrie, de nombreux fabricants investissent dans leurs capacités de recherche, de conception et de test. La fabrication doit donc être flexible et, avec les progrès de la fabrication additive et d'autres technologies, nous observons un changement de paradigme dans l'industrie de la R&D.

En effet, les progrès réalisés dans la fabrication additive et leur utilisation croissante en R&D pourraient semer la confusion puisqu'il est maintenant difficile de percevoir si la FA est le moteur de l'industrie de la R&D ou si la R&D est le moteur des avancées de la FA.

For Kenneth Church, CEO de nScrypt, la réponse est les deux. « La FA est en train de mûrir, mais il y a encore beaucoup à apprendre, à améliorer et à faire la transition.  La R&D est le début de toute grande technologie, mais la différence ici, c'est que la FA offre tellement de nouveaux départs.  La FA a et aura un tel impact, qu'il est difficile de la classer dans une seule catégorie. »

Church rappelle que la FA n'est pas une nouvelle technologie. Cette technologie a été introduite dans les années 1980.  Beaucoup ont suggéré des raisons pour lesquelles la FA s'est développée si rapidement il y a quelques années, mais la principale serait liée aux brevets qui expirent et aux logiciels 3D améliorés.  Plus il y a de gens qui peuvent utiliser le logiciel, plus il y a de gens qui font de l'impression 3D.  En parlant de leur expérience, Church a dit qu'ils utilisaient déjà la FA en 1999 sur l'électronique. Ils imprimaient des condensateurs en utilisant des matériaux multiples et une approche couche par couche.

Dr. Bernhard Mueller, Porte-parole de Fraunhofer Additive Manufacturing Alliance

« La FA va aussi, et l'a déjà fait, renverser les rôles et va changer la communauté de la R&D.  Beaucoup considèrent la FA comme de simples objets 3D ou même des objets 3D complexes qu'on ne peut pas fabriquer autrement, mais ce qui manque à la plupart, c'est la valeur intrinsèque qui provient des formes complexes ou de la fusion des matériaux.  Les métamatériaux [par exemple], ont été un grand mot à la mode pendant de nombreuses années, mais la réalisation de certaines conceptions de métamatériaux a été hors de portée en raison de la complexité de l'objet physique.  Si vous pouviez fabriquer l'objet métamatériau complexe, vous pourriez découvrir de nouvelles propriétés électriques, magnétiques et même thermiques qui ne sont pas possibles avec le matériau seul. »

Quel est donc ce changement de paradigme dans l'industrie de la R&D ?

La R&D peut être un moyen crucial d’atteindre une croissance future et maintenir un produit sur le marché, mais il est faux de croire qu'elle est uniquement le domaine des entreprises de haute technologie ou même des sociétés pharmaceutiques.

En réalité, alors que la plupart des autres entreprises ne consacrent que moins de 5 % de leurs recettes à la recherche, les industries telles que les produits pharmaceutiques, les logiciels ou les produits de haute technologie comme les systèmes de fabrication additive, doivent attribuer un pourcentage plus important en raison de la nature de leurs produits.  Le paradigme apparaît donc dans la manière dont cette activité de R&D est menée. 

Réduire les délais d'exécution

Il ne semble pas que ce soit le cas, mais plus nous progressons, moins les projets de R&D prennent du temps. Les projets de R-D sont reconnus pour leur engagement ou investissement à long terme. Toutefois, il faut noter que l'utilisation de nouvelles technologies peut réduire le temps de recherche dans un projet donné, tout en ouvrant la porte à une solution plus personnalisée.

La fabrication additive, par exemple, est reconnue comme une technologie qui permet de réduire les délais.

Les entreprises du secteur des dispositifs médicaux, par exemple, investissent de plus en plus dans la technologie d'impression 3D, et des leaders de l'industrie comme Stryker ont annoncé leur intention d'investir 200 millions d'euros dans la recherche, le développement et l'innovation sur son site de Cork. Un tel investissement dans la R&D permettrait à l'entreprise médicale de produire des implants personnalisés imprimés en 3D, qui peuvent être utilisés lorsqu'un patient nécessite une reconstruction plus spécifique, et lorsqu'un produit du commerce ne conviendrait pas.

Image credit: Renishaw – Spinal implant

Cependant, malgré les avantages annoncés par cette innovation (avantages pour la croissance osseuse avec des implants imprimés en 3D), les limites demeurent un obstacle important à l'adoption de nouveaux implants rachidiens, car le coût élevé de l'équipement ne permet pas encore à une majorité de personnes de se payer les produits fabriqués avec celui-ci.

Prolifération des activités de R&D dans le secteur privé

Une autre observation intéressante est que, contrairement au passé où la R-D faisait essentiellement partie de la sphère publique, les secteurs privés tirent de plus en plus parti de l'expertise en matière de R-D. Toutefois, dans ce cas précis, l'activité de R-D des projets industriels a récemment été restructurée dans le but de fournir des avantages à court terme.

Selon le Dr Bernhard Mueller, « la FA fait l'objet de nombreuses recherches et les activités de R&D ont explosé à l'échelle mondiale. Le plus grand défi consiste à combler l'écart vers l'application industrielle, en générant davantage d'analyses de rentabilisation. Jusqu'à présent, seuls quelques cas d’utilisation ont été prouvés et industrialisés (implants de la hanche en métal 3D imprimés via la technologie EBM, réparation des pointes de brûleurs de turbines à gaz via la technologie de FA métallique Fusion à lit de poudre, casquettes dentaires via la technologie de lit de poudre, conduits et tuyaux aérospatiaux via la FA polymère). »

La plupart des lancements qui ont été récemment faits dans l'industrie de la fabrication additive sont le résultat d'activités de R-D internes des entreprises.

Dr. Bernhard Mueller, Porte-parole de Fraunhofer Additive Manufacturing Alliance

Mueller affirme par exemple qu'ils utilisent toutes les technologies de FA pertinentes (laser ou autre technologie à base de faisceau, lit de poudre ainsi que dépôt de matériaux, jet de liant, bio-impression, etc.) et traitent tous les types de matériaux (métaux, polymères, céramiques, biomatériaux). « Des applications majeures ont été étudiées avec succès au Fraunhofer, y compris la preuve d'une applicabilité industrielle, par exemple l'outillage imprimé 3D pour les technologies de traitement des métaux chauds, les implants médicaux intégrés de manière fonctionnelle, plusieurs pièces volantes dans l'aérospatiale développées au Fraunhofer conjointement avec des partenaires industriels de l'aérospatiale », poursuit M. Mueller.

Pour citer d'autres exemples, les imprimantes 3D récemment lancées sur le marché sont aussi le résultat d'importantes activités de R&D : HP 5210, XJET Carmel 1400, la 3DGence Industry F420, l'imprimante 3D 5D da Vinci Color, pour n'en citer que quelques-unes.

Dans des industries comme l'automobile, on peut mentionner l'utilisation croissante de la fabrication additive pour le prototypage de pièces. Il y a deux ans, le constructeur automobile Volkswagen s'est fixé pour objectif de fabriquer une voiture imprimée en 3D. Pour ce faire, il a ouvert un centre d'impression 3D dans son unité de fabrication d'outils à Wolfsburg. Tout en exploitant plusieurs technologies de FA en métal, le spécialiste de l'automobile prévoit de produire des composants automobiles complexes tant pour le prototypage que pour la production en série.

« Le centre d'impression 3D fait passer les activités de fabrication additive de VW à un niveau supérieur », a commenté le Dr Andreas Tostmann, chef de production de la marque Volkswagen, lors de la cérémonie d'ouverture. « Dans deux à trois ans, l'impression [3D] deviendra également intéressante pour les premières pièces de série. A l'avenir, nous pourrons peut-être utiliser des imprimantes 3D directement sur la chaîne de production pour la production de véhicules ».

L'ouverture de ce centre porte les activités de la société en FA à un nouveau niveau. En effet, le constructeur automobile personnalise déjà des composants tels que des porte-clés et des plaques signalétiques montées à l'extérieur. Grâce à l'utilisation du jet de liant de HP, il pourra produire des pièces fonctionnelles de qualité avec des exigences structurelles importantes.

Image credit: HP

Les collaborations, le « must » ?

Quoi qu'on dise, les activités de R-D exigent des investissements que les entreprises ne peuvent souvent pas toujours se permettre, c'est pourquoi les collaborations demeurent souvent une alternative viable. Plusieurs types de collaborations existent donc, des collaborations entre les centres de R&D et les entreprises de FA, des collaborations entre les entreprises et les universités, ou encore des collaborations entre les centres de R&D.

Une forme intéressante de collaboration qui a été mise en place récemment afin d'aider les PME à accélérer le développement de leurs produits sur un marché donné tout en tirant parti de la FA est AMable. Il s'agit en fait d'un projet européen dont l'objectif est de favoriser le développement de la FA par les PME. Financé par le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne, le projet vise à soutenir les entreprises dans l'adoption des technologies de la FA.

Afin de mieux servir les PME, le réseau rassemble les principaux centres technologiques situés dans toute l'UE et les soutient dans le développement de leurs idées : de la phase de conception, de construction et d'impression aux phases de post-production.

L'utilisation croissante de la FA comme outil de R&D

Au-delà de ce changement de paradigme dans l'industrie de la R-D, il est intéressant d'apprécier de quelle manière la FA est utilisée comme outil en R-D. En effet, si la nouveauté d'une solution peut conduire au rejet de la plus ancienne, il faut noter que dans le secteur de la R-D, la technologie reste un outil parmi d'autres.

Nathalie MAILLOL, chef de projet fabrication additive chez IPC, commente : « La FA est un outil complémentaire [à côté] d'autres processus de production, pas un substitut. Je pense que la FA change l'industrie de la R&D car les gens commencent à la considérer comme un processus à fort potentiel, et pas seulement comme un outil de prototypage ».

En effet, si on examine les centres de R-D, qu'ils soient privés ou publics, la FA est rarement la seule technologie qui est mise à profit. 

nScrypt, par exemple, dispose de l'usinage traditionnel et du prototypage électrique. Selon Kenneth Church, ceux-ci fournissent une valeur fondamentale dans la recherche, mais pour progresser vers de nouveaux concepts, [ils] sont passés à l'outil nScrypt 3Dn Direct Digital Manufacturing qui intègre l'impression, l'usinage, l'électronique imprimée et le « pick and place » dans un seul outil. nScrypt a inventé cela l'Usine dans un Outil (FiT - Factory in a Tool). « De là, nous pouvons fabriquer des circuits monolithiques tels qu'une antenne réseau à phase active où l'électronique active fait partie de l'élément d'antenne », a déclaré le CEO.

Nathalie MAILLOL, Additive manufacturing project leader chez IPC

IPC est le centre technique et industriel de la plasturgie et des composites. Maillol a expliqué que, dès ses débuts, le centre s'est principalement concentré sur le moulage par injection de plastique. « En 2001, IPC a commencé à travailler sur la fusion laser en lit de poudre afin de construire des moules avec des canaux de refroidissement. Ces canaux ont une géométrie complexe qui ne peut être produite qu'avec un procédé de FA. »  Cette expérience a conduit l'équipe de FA à explorer les possibilités offertes par d'autres types de technologies de FA dans le cadre de projets de R&D. Aujourd'hui, en plus de la technologie de FA métallique, leur portefeuille comprend la technologie SLA et différents types d'imprimantes 3D FDM (parmi lesquelles des imprimantes grand format, des imprimantes 3D à base de PEEK ou encore des imprimantes qui traitent des matériaux composites).

Ces imprimantes 3D peuvent être un outil essentiel mais certaines fois, leurs capacités doivent être améliorées afin d'obtenir les résultats attendus, de réduire les coûts ou simplement de gagner du temps.

« Nous travaillons avec différents fournisseurs de machines pour développer les paramètres d'exposition ou pour étudier la recyclabilité des poudres. Récemment, grâce à un projet européen, nous avons pu équiper une de nos machines, EOS M290, de systèmes de surveillance : OT (Tomographie optique) et MPM (Surveillance MeltPool). Il s'agit de systèmes en ligne, ce qui signifie qu'ils surveillent le déroulement de la production et recueillent des données pour évaluer la qualité du processus. L'objectif est de détecter si la fusion d'une pièce présente une déviation (comme la porosité ou le manque de fusion) pendant la production. Ce type d'équipement présente un avantage évident en tant qu'outil de qualité et permet d'éviter les tests de post-production tels que la tomographie à rayons X, qui sont coûteux et longs », a expliqué le chef de projet de FA.

L'utilisation de la FA comme outil de R&D pourrait donc permettre aux chercheurs d'évaluer à la fois les avantages et les inconvénients de la technologie et, dans certains cas, d'apporter des améliorations.

Pour le porte-parole de l'IPC, selon l'objectif de la recherche, la FA favorise de nombreux autres développements. Ces développements peuvent par exemple être observés au niveau des matériaux ou des paramètres. « Le développement de systèmes de surveillance est en cours afin de parvenir à une première fabrication correcte. Le point commun est de réduire le coût des pièces produites par FA. Je m'attends donc à ce que d'autres projets étudient si la FA est adaptée à la production en série et je m'attends également à ce que d'autres développements améliorent le taux de réussite des productions de FA », conclut M. Maillol.

Utilisation spécifique de la FA dans la recherche médicale

En matière de recherche, l'impression 3D est largement utilisée dans les recherches médicales et plusieurs raisons expliquent l'utilisation de cette technologie : la génération de répliques précises d'une partie du corps, la reconstruction et les chirurgies plastiques, les implants personnalisés comme mentionné précédemment.

« La R&D dans le domaine de la FA va continuer à augmenter, apportant de plus en plus de développements, de rupture technologique en termes de coût, de FA multi-matériaux, de structures ultralégères fiables, de fiabilité des processus, d'élargissement du portefeuille de technologies spécifiques aux applications, etc. » a déclaré le porte-parole de Fraunhofer Additive Manufacturing Alliance.

Crédit: Avinent - Modèle anatomique imprimé en 3D produit avec la technologie Stratasys

Toutefois, il est intéressant de noter que les progrès de la technologie ont conduit au développement d'une nouvelle technologie : la bio-impression 3D. Basé sur les récents progrès des techniques d'impression 3D, ce procédé de fabrication vise à fabriquer différents types de produits comportant des composants biologiques, notamment des tissus humains et, plus récemment, des vaccins.

Bien que le concept de bio-impression 3D ne soit pas entièrement nouveau, les progrès croissants dans ce domaine soulèvent des questions juridiques et réglementaires quant à leur utilisation efficace sur les humains.

En bref…

Notre article démontre que la fabrication additive a également un effet perturbateur sur l'industrie de la R&D :

Au niveau structurel, la technologie permet la création de centres de R&D dédiés qui s'engagent à explorer les avancées de la technologie, la prolifération des centres de R&D dans le secteur privé et une plus large collaboration entre les entreprises, les universités et les instituts de R&D.

Au niveau interne, la technologie reste un outil de R&D utilisé parallèlement à d'autres processus de fabrication, ce qui est une bonne chose car plus les chercheurs dépeignent les domaines d'amélioration de la technologie, plus les fabricants peuvent être en mesure de développer des machines à haute performance.

Nous ne pourrions être plus d'accord avec Kenneth Church quand il affirme : « la tâche qui nous attend est immense, mais elle n'est pas insurmontable et elle est importante.  Nous devons continuer à pousser la R&D dans le domaine de la FA et cela va pousser la R&D vers un tout autre endroit.  La R&D sera plus rapide en raison de l'accessibilité aux prototypes fabriqués aux propriétés uniques.  La FA va également disperser la R&D.  Aujourd'hui, ce sont les laboratoires qui disposent d'équipements très coûteux qui ont le plus de plaisir.  Demain, votre garage sera un laboratoire et vous pourrez vous joindre à la fête.  Les logiciels vont s'améliorer et ce qui était autrefois réservé aux utilisateurs de CAO hautement qualifiés est maintenant dans votre main physique, votre téléphone, vous allez créer ce à quoi les personnes hautement qualifiées en CAO n'auraient peut-être pas pensé. »

Enfin et surtout, parmi tous les secteurs de la R&D, des secteurs vitaux comme l'industrie médicale, restent un point focal crucial. En effet, l'impression 3D a conduit au développement de nouvelles techniques de fabrication, des techniques qui pourraient changer radicalement la vie des gens mais les réglementations ne sont pas encore prêtes à faire face à ce changement. Néanmoins, c'est le travail de la R&D de convertir les exigences -- des consommateurs, du gouvernement et d'autres -- en spécifications.