Dossier publié dans 3D ADEPT MAG en juillet–août 2020, puis mis en ligne en février 2021. Les fonctions des intervenants, les procédés et les exemples économiques décrivent cette période.
Choisir la fabrication additive (FA) suppose de vérifier à la fois la faisabilité technique et l’intérêt économique d’une pièce. Ce dossier examine trois approches de sélection, avec l’éclairage de Julien Cohen, alors ingénieur d’application chez 3DEO Inc., fabricant et prestataire de fabrication additive métallique.
L’analyse se concentre ici sur la fabrication additive métallique. Comme le précise Julien Cohen, « il existe de nombreuses façons d’aborder cette question ». Son expérience chez 3DEO et dans de grandes entreprises gérant des dizaines ou des centaines de milliers de références de stock (SKU) est mise en regard de travaux de recherche et d’exemples industriels.
Trois approches pour sélectionner les pièces candidates
Nous avons défini trois cadres différents qui peuvent être évalués avant de passer à la production en série en utilisant la FA.
1- Une base de données de composants et d’assemblages
Toutes les pièces ne bénéficient pas d’un passage à la FA. Une première étape consiste à établir des critères de sélection : dimensions, matériau, exigences fonctionnelles, volumes, délais et coûts.
Un cadre proposé en 2019 par des chercheurs de l’Université McGill combine données de conception, informations de production et critères techniques et économiques pour repérer des pièces candidates. Il s’agit d’une aide au tri : les hypothèses et les données utilisées doivent être vérifiées avant toute décision de production.
En pratique, « il n’existe pas de bibliothèque centrale contenant toutes les données et métadonnées nécessaires pour prendre cette décision. Par exemple, comment puis-je rechercher des pièces dans une gamme de taille spécifique, fabriquées en aluminium moulé à la cire perdue, dans une certaine fourchette de quantité annuelle ? Pour de nombreuses entreprises, le premier obstacle consiste à rendre ces données accessibles dans une base de données consultable.
Une fois que cet accès est disponible, le problème peut être abordé sous plusieurs angles. À mon avis, plutôt que de commencer par une liste de pièces et d’identifier quel processus de FA pourrait être utilisé pour chacune, il est plus efficace d’identifier un processus de FA potentiel et de filtrer ensuite les pièces en fonction des limites connues du processus. Ce flux de travail peut être divisé en quatre étapes :
- Choisir un processus de FA sur lequel se concentrer (L-PBF, Intelligent Layering® de 3DEO, DED, Cold Spray, etc.)
- Disqualifier les pièces en utilisant les limitations absolues du processus (c’est-à-dire le volume de construction maximum, les matériaux disponibles, la capacité de taille des caractéristiques, la quantité annuelle)
- Classer les pièces restantes en utilisant une sorte de mesure d’analyse de rentabilité (quelle application aurait le plus grand impact sur l’entreprise avec une réduction de 20% des coûts, une réduction de 20% du poids ou une mise sur le marché plus rapide ?)
- Réduire cette liste de classement à un nombre gérable d’opportunités de premier plan, et les examiner en profondeur pour déterminer celles qui méritent d’être poursuivies », explique Cohen
2- L’approche de l’analyse de la conception
L’analyse de conception cherche les pièces dont les performances pourraient bénéficier de la conception pour la fabrication additive (DfAM). Quatre axes sont examinés ici : l’intégration des fonctions, la personnalisation, l’allègement et l’efficacité en service.
L’intégration des fonctions consiste notamment à regrouper plusieurs fonctions ou composants dans une même pièce. Elle peut réduire le nombre d’assemblages, l’encombrement ou certaines opérations de fabrication. Il faut toutefois vérifier que cette consolidation ne complique pas l’impression, le nettoyage, le contrôle ou la maintenance.
La personnalisation permet d’adapter une géométrie à plusieurs usages ou utilisateurs, parfois en petites séries. Son intérêt dépend du besoin de variation et du coût total de chaque configuration.
L’allègement vise à réduire la masse tout en respectant les exigences fonctionnelles. L’optimisation topologique aide à répartir la matière selon les sollicitations. Une baisse de masse ne garantit cependant ni un coût de fabrication inférieur ni une réduction de tous les impacts : supports, temps machine et post-traitement doivent aussi être pris en compte.
L’efficacité en service concerne le fonctionnement de la pièce pendant son utilisation : durée de vie, coûts d’exploitation, rendement énergétique ou autres performances utiles à l’application.
Cette approche examine les bénéfices techniques et économiques possibles. Selon l’objectif, une pièce peut parfois présenter un intérêt pour la FA sans être redessinée ; une nouvelle conception peut toutefois ouvrir d’autres possibilités.
« Les gens qui travaillent dans l’industrie de la FA se font constamment demander “pouvons-nous imprimer cette pièce en 3D’’, et la réponse est presque toujours oui… mais ce n’est pas la bonne question. Ce qu’il faut demander, c’est “devrions-nous imprimer cette pièce en 3D ? »
Il est possible qu’une organisation puisse encore tirer des avantages du passage à un processus de FA sans avoir à revoir sa conception : délais plus courts, absence de coût d’outillage, diminution des risques, etc. Mais sans refonte, ils passeront à côté de l’incroyable potentiel d’optimisation qu’offre la liberté de conception pour la FA. Nous avons maintenant à portée de main un incroyable éventail d’outils logiciels de conception générative, de modélisation implicite et d’optimisation de la topologie, et il est dommage de laisser leurs capacités sur la table.
Je suis fermement convaincu que l’expérience de la FA devrait être injectée le plus en amont possible dans le processus de conception, et que la FA peut avoir un effet beaucoup plus important sur le développement de nouveaux produits et les projets de conception “clean sheet” que sur les produits existants qui sont déjà équipés et en production », souligne l’ingénieur d’application de 3DEO.
Ces bénéfices potentiels ne suffisent pas à sélectionner une pièce. L’analyse doit aussi écarter les incompatibilités de matériau, de dimensions, de qualité ou de cadence, puis intégrer le post-traitement, le contrôle et la chaîne d’approvisionnement.
3- Les scénarios de la chaîne d’approvisionnement
Senvol propose sept scénarios pour repérer des situations où la FA mérite une étude économique. Ils portent sur les coûts de fabrication, les délais, les stocks, la dépendance aux fournisseurs, l’éloignement, les coûts d’importation et d’exportation, et les fonctionnalités.
Une pièce correspondant à un ou plusieurs de ces scénarios mérite une analyse plus approfondie. Cette grille est un point de départ, pas une preuve de rentabilité ni une règle permettant, à elle seule, d’exclure définitivement la FA.
| Scénario | Questions et bénéfices potentiels |
|---|---|
| Coûteux à fabriquer | Avez-vous des pièces qui sont coûteuses parce qu’elles sont complexes, ont des coûts fixes élevés (par exemple l’outillage) ou sont produites en faibles volumes ? La FA peut être plus rentable. |
| Longs délais d’exécution | L’obtention de certaines pièces prend-elle trop de temps ? Vos coûts d’immobilisation sont-ils extrêmement élevés ? Voulez-vous accélérer la mise sur le marché ? Grâce à la FA, vous pouvez souvent obtenir des pièces plus rapidement. |
| Coûts de stockage élevés | Vous surstockez ou sous-stockez ? Avez-vous des difficultés avec les références rarement demandées ou obsolètes ? La FA peut permettre une production à la demande, réduisant ainsi les stocks. |
| Dépendance à un fournisseur unique | Certaines de vos pièces essentielles proviennent-elles d’un seul fournisseur ? Cela pose un risque pour la chaîne d’approvisionnement. En qualifiant une pièce pour la FA, vous ne dépendez plus complètement d’un seul fournisseur. |
| Lieux éloignés | Vous opérez dans des régions éloignées où il est difficile, long ou coûteux d’expédier des pièces détachées ? La FA peut vous permettre de fabriquer certaines pièces sur place. |
| Coûts d’importation/exportation élevés | Payez-vous des frais d’importation/exportation importants sur des pièces simplement en raison de l’emplacement de votre unité commerciale et/ou de votre fournisseur ? La production sur place par FA peut éliminer ces coûts. |
| Amélioration des fonctionnalités | Avec la FA, il est possible de reconcevoir une pièce pour améliorer les performances au-delà de ce qui était possible auparavant. |
Les questions rendent le premier examen accessible. Les bénéfices envisagés doivent ensuite être chiffrés avec des hypothèses explicites et comparés à ceux des autres procédés ; une réponse positive ne remplace pas cette analyse.
Ces critères diffèrent-ils d’une technologie de FA à l’autre ?
Les volumes de production font partie des critères de choix. Cohen rappelle que les expressions « faible volume » et « grand volume » n’ont pas le même sens d’un secteur à l’autre.
« Dans l’industrie aérospatiale, les pièces produites en grand volume peuvent signifier quelques centaines de pièces par an. La production en faible volume dans l’industrie industrielle et automobile peut représenter des dizaines de milliers de pièces par an », déclare l’expert.
Les critères doivent être adaptés au procédé envisagé. La démarche décrite plus haut par Cohen commence précisément par les limites d’une technologie ; appliquer les mêmes seuils à tous les procédés conduirait à des choix trompeurs.
« Par exemple, alors que les procédés de lit de poudre tels le L-PBF et l’EBM peuvent permettre une optimisation significative du rapport résistance/poids, de la capacité de transfert de chaleur et de l’efficacité du flux de fluide interne, le procédé est encore extrêmement coûteux et s’accompagne d’une longue liste de limitations et de considérations, en particulier dans la production en série. Ces procédés peuvent être des outils fantastiques pour les pièces à faible volume et à coût élevé, mais avec le bon support, la conception et le contrôle du processus peuvent également être rentables pour les petites pièces qui s’emboîtent efficacement sur la plaque de construction.
De même, le procédé Intelligent Layering® de 3DEO a été développé spécifiquement pour les applications à haut volume et à faible coût – je parle de quantités annuelles de plus de 100 000 pièces et de moins de 5 dollars par pièce. Notre procédé est unique dans l’espace de la FA métallique et surmonte de nombreuses limitations inhérentes aux procédés émergents comme le jet de liant, ainsi qu’aux procédés traditionnels comme le MIM et l’usinage CNC. Les types d’applications qui correspondent à notre procédé sont complètement différents de ceux qui correspondent à de nombreux autres procédés sur le marché.
En l’absence de normes industrielles répandues et de maturité technologique, faire le bon choix d’application nécessite une connaissance approfondie des procédés de FA disponibles, de leurs avantages et inconvénients, et une expérience de leur utilisation dans le passé. Chez 3DEO, nous entretenons des partenariats de production à long terme avec nos clients et offrons notre base de connaissances pour accélérer les décisions de ce type », commente le porte-parole de 3DEO.
Note de la rédaction : les volumes, les prix et les comparaisons de procédés cités par Julien Cohen décrivent le positionnement de 3DEO lors de cet entretien en 2020. Ils ne constituent ni un devis actuel ni une garantie pour toute pièce. L’absence d’outillage de formage n’exclut pas les coûts de supports, de finition, de contrôle ou d’industrialisation.
En bref
Base de données, analyse de conception et scénarios de chaîne d’approvisionnement sont trois approches complémentaires de sélection. Leur intérêt est de structurer l’examen des pièces, puis de comparer les procédés sur un périmètre complet : fabrication, post-traitement, qualification, logistique et usage.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro juillet–août 2020 de 3D ADEPT MAG.
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