Archive — Dossier publié en 2020, fondé sur les échanges avec Fraunhofer, IPC et nScrypt. Les citations et prévisions reflètent cette période ; les précisions rédactionnelles distinguent objectifs de recherche et résultats démontrés.
Avec la contribution de Fraunhofer Additive Manufacturing Alliance, IPC & nScrypt
La recherche et le développement (R&D) accompagnent la mise au point des procédés de fabrication additive. Réciproquement, l’impression 3D fournit aux chercheurs des moyens de produire et de tester de nouvelles formes. Ce dossier examine les échanges entre ces deux activités.
Pour répondre aux besoins industriels, les fabricants investissent dans la recherche, la conception et les essais. Les témoignages réunis ici montrent comment ils utilisent la fabrication additive, avec quels objectifs et quelles limites.
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.
Pour 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 les origines de la FA dans les années 1980. Il relie sa diffusion à plusieurs facteurs, dont l’expiration de brevets et l’amélioration des logiciels de conception. Il rapporte avoir travaillé avec son équipe sur des condensateurs imprimés avec plusieurs matériaux dès 1999. Cette expérience précède la création de nScrypt en 2002.
« 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. »
Comment la fabrication additive intervient-elle en 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.
L’effort consacré à la R&D varie selon les secteurs, les entreprises et les projets. Il importe donc d’examiner l’organisation et les objectifs de ces travaux plutôt que de leur attribuer un pourcentage général du chiffre d’affaires.
Réduire les délais d’exécution
Les projets de R&D peuvent demander un engagement de longue durée. De nouveaux outils peuvent raccourcir certaines étapes de conception ou d’essai, sans réduire nécessairement la durée totale du projet, notamment lorsque des validations sont nécessaires.
La fabrication additive peut ainsi faciliter les itérations de prototypes ; le gain dépend de la pièce, du procédé et des opérations qui suivent l’impression.
Stryker a par exemple annoncé, le 13 juin 2019, plus de 200 millions d’euros de R&D et d’innovation sur trois sites de Cork. Ce programme concernait la fabrication additive, mais aussi des activités neurovasculaires et des instruments chirurgicaux ; il ne se limitait pas aux implants personnalisés.
La conception d’un implant peut exploiter la liberté géométrique de la FA, mais ses bénéfices doivent être évalués pour l’usage prévu. Les essais, la validation clinique et les exigences applicables restent déterminants. Le prix d’une machine ne permet pas, à lui seul, de conclure à l’accessibilité d’un traitement.
La R&D dans les entreprises et les centres de recherche
La R&D réunit des acteurs publics et privés dont les objectifs, les financements et les horizons peuvent différer. Les travaux industriels doivent notamment faire le lien entre une possibilité technique et une application viable.
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, couronnes dentaires via la technologie de lit de poudre, conduits et tuyaux aérospatiaux via la FA polymère). »
Le développement d’un système de fabrication additive peut associer la R&D interne d’une entreprise et des collaborations externes.
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.
Parmi les exemples de machines cités dans le dossier de 2020 figuraient les HP 5210, XJET Carmel 1400, 3DGence Industry F420 et da Vinci Color 5D. Ces noms illustrent les développements de cette période, sans constituer une sélection de produits actuels.
Dans l’automobile, Volkswagen a notamment développé ses activités de prototypage et de fabrication de composants, avec un centre d’impression 3D dans son unité d’outillage à Wolfsburg ouvert en 2018. Il s’agissait de développer des pièces de véhicules, et non de démontrer la fabrication d’une voiture intégralement imprimée en 3D.
« 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 ».
La prévision de « deux à trois ans » ci-dessus était formulée lors de l’ouverture de 2018 ; elle ne décrit pas une échéance actuelle.
Dans son annonce de septembre 2018, Volkswagen présentait avec HP et GKN une progression depuis des éléments personnalisés vers de futures pièces fonctionnelles. La personnalisation d’un porte-clés ne démontrait pas à elle seule la qualification de composants structurels.
Partager les moyens et les compétences
Les collaborations peuvent réunir des moyens financiers, des équipements et des compétences complémentaires. Elles associent notamment des entreprises, des universités et des centres de recherche ; leur pertinence dépend du projet et de l’organisation retenue.
Le projet européen AMable, financé par Horizon 2020, illustre cette approche d’accompagnement des PME dans l’adoption de la FA. Lancé en septembre 2017, ce projet s’est terminé le 30 novembre 2022 : il s’agit ici d’un exemple historique.
Le réseau réunissait des centres technologiques européens pour accompagner les idées depuis la conception jusqu’à la fabrication et aux opérations de post-traitement.
L’utilisation croissante de la FA comme outil de R&D
En R&D, la fabrication additive complète d’autres outils. Son intérêt s’évalue en fonction de l’expérience à mener ou de la pièce à produire.
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 nommé cet ensemble 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.
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.
Précision : ces systèmes surveillent le procédé ; ils ne remplacent pas automatiquement les contrôles des pièces finies. La correspondance entre signaux et défauts doit être validée. Le programme EOS–ORNL annoncé en 2022 portait précisément sur la corrélation entre données de suivi et inspection métallurgique.
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 Nathalie 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.
La bio-impression explore notamment la fabrication de structures comportant des composants biologiques. Elle doit être distinguée des implants métalliques ou polymères et des modèles anatomiques. La fabrication d’organes vivants destinés à la transplantation reste un objectif de recherche, comme le rappelle la FDA.
Le passage de ces recherches à une utilisation chez l’humain exige de traiter les questions de sécurité, d’efficacité et de validation propres au produit.
Bilan : deux activités qui se nourrissent mutuellement
Ces entretiens illustrent deux dimensions du rôle de la fabrication additive en R&D.
Sur le plan de l’organisation, les exemples présentés associent des centres spécialisés, des équipes industrielles et des partenaires universitaires. Ils ne permettent pas, à eux seuls, de mesurer une tendance pour l’ensemble du secteur.
Dans les projets, la FA reste un outil parmi d’autres procédés. Les essais révèlent ses limites et orientent les améliorations des équipements, des matériaux et des paramètres.
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. »
Dans le domaine médical, ces travaux doivent aussi répondre aux exigences applicables aux produits. L’impression 3D ne dispense pas de démontrer la sécurité et l’efficacité : la FDA évalue les dispositifs imprimés en 3D selon les mêmes voies que les dispositifs conventionnels.
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