Analyse et entretien publiés en octobre 2022. Les fonctions, configurations et usages évoqués sont ceux de cette période. Les arguments présentés constituent des pistes à mesurer, pas une analyse de cycle de vie démontrant un avantage environnemental.
Même si nous faisons en sorte de ne pas utiliser le mot « durabilité » sans données clés, nous reconnaissons qu’il faudra du temps aux équipementiers et aux utilisateurs de la FA pour fournir une analyse quantitative démontrant à quel point leur technologie est efficace et s’aligne sur une “vision de la durabilité” qui tient compte du “triple bilan” que nous avons souligné de diverses manières dans l’édition de septembre/octobre 2022 de 3D ADEPT Mag. Ce que nous pouvons faire en revanche, c’est mettre en évidence les arguments qui joueraient en faveur des technologies des fabricants, arguments sur lesquels ils pourraient se concentrer, afin de plonger en profondeur dans cette analyse quantitative indispensable. C’est ce que cet article a pour ambition d’explorer, en se concentrant sur la fabrication additive à grande échelle (LSAM abréviation de « Large-Scale Additive Manufacturing » en anglais).
Développée par Thermwood, dans l’Indiana, la LSAM utilise des granulés de polymère, notamment renforcés de fibres courtes. Elle dépose de larges cordons de matière fondue dans un environnement à température ambiante. Le « refroidissement continu » désigne la maîtrise de la température de la couche déposée avant la suivante ; le polymère reste chauffé pour être extrudé. Cette approche vise des pièces de grandes dimensions, proches de leur forme finale, ensuite usinées si nécessaire. Au moment de cet article de 2022, Thermwood la développe depuis plus de cinq ans.
Au fil du temps, nous avons été témoins des possibilités offertes par la fabrication additive à grande échelle de Thermwood et nous avons assisté au développement de nouvelles approches et fonctionnalités telles que la technologie VLP (Vertical Layer Print) ou le capteur thermique, qui visent toutes à améliorer les processus de fabrication avec ces machines. « Le LSAM est un outil qui, lorsqu’il est utilisé par un artisan qualifié, peut produire des articles qui n’étaient pas prévus à l’origine pour cette technologie. Le prototypage de grands composants présente un intérêt particulier ces derniers temps. [Cependant], la collaboration avec l’industrie pour montrer ce qu’il est possible de réaliser avec la technologie de FA à grande échelle est primordiale pour transmettre efficacement l’information aux bonnes personnes », a déclaré Jim Bullis, alors vice-président des ventes chez Thermwood, à 3D ADEPT Media.
Les fabricants cherchent à réduire les coûts et la consommation de ressources. Pour évaluer la contribution de la LSAM, il faut examiner les opérations réellement évitées, celles ajoutées et les performances de la pièce obtenue.
Les indicateurs de performance en matière de durabilité
Il existe actuellement différents principes de durabilité qui sont explorés et adoptés dans la fabrication. Chez 3D ADEPT, nous pensons qu’il doit s’agir d’un effort continu au cours duquel les organisations doivent s’engager à se concentrer autant sur les préoccupations sociales et environnementales que sur les bénéfices (économiques), d’où le triple bilan (ou triple bottom line) : bénéfices, personnes et planète. Cet effort ne doit pas être entrepris dans la précipitation. Pour de nombreuses organisations, chacune de ces dimensions comprend diverses catégories et parfois des sous-catégories qui peuvent servir d’indicateurs pour savoir où améliorer les processus.
Le schéma regroupe notamment les matières, l’énergie, les émissions, les transports, les coûts et les conditions sociales. Une amélioration sur un indicateur peut s’accompagner d’un compromis sur un autre : ces dimensions doivent être évaluées ensemble. Le schéma sert ici de grille de lecture et ne constitue pas une certification de la LSAM.
Les arguments à examiner pour la LSAM
La FA peut faciliter une production proche du lieu d’utilisation. Une chaîne logistique plus courte peut réduire certains transports, mais le bilan dépend aussi de la provenance des matières, de l’électricité, de l’utilisation des équipements et des volumes. La décentralisation n’assure donc pas, à elle seule, un impact environnemental plus faible.
Le premier argument est l’association de l’impression et de l’usinage. Pour les configurations LSAM concernées, l’impression produit une ébauche proche de la forme finale ; l’usinage CNC permet ensuite d’atteindre les dimensions et l’état de surface recherchés. Cette combinaison répond aux exigences de la pièce sans généraliser les limites d’un procédé à toute la FA.
En termes simples, après le processus d’impression 3D de la pièce, celle-ci est ajustée à la taille et à la forme exactes souhaitées à l’aide d’une machine CNC. « La LSAM peut effectuer les fonctions “additive” et “soustractive” sur la même machine. Cette approche, appelée “Near-Net shape”, utilise un matériau thermoplastique renforcé de fibres de carbone pour créer rapidement une pièce qui est proche, mais pas exactement, de la forme nette finale. La fonction “soustractive” usine ensuite la pièce à la forme nette finale exacte », a déclaré Dennis Palmer, ancien vice-président des ventes chez Thermwood, à 3D ADEPT Media.
Réunir les deux opérations peut limiter les transferts et reprises de positionnement. Les bénéfices économiques restent à calculer selon la configuration, l’occupation au sol, les temps de cycle, la quantité usinée et le taux d’utilisation. L’intégration ne garantit pas automatiquement un meilleur retour sur investissement.
Les compétences en usinage et en production peuvent être utiles pour adopter ces équipements. Elles doivent être complétées par une formation à la conception pour la FA, aux matériaux, à la sécurité et au contrôle du procédé. Ce transfert de compétences concerne la dimension sociale de l’évaluation.
Le deuxième argument porte sur les matières recyclées. Selon Thermwood, la LSAM peut employer certaines formulations de granulés composites recyclés. La compatibilité, la régularité et les propriétés doivent être vérifiées pour l’application. Une matière recyclée peut réduire le recours à une matière vierge, mais la préparation, le séchage, les pertes et les cycles de recyclage influencent le bilan ; une baisse d’empreinte carbone ne peut être déduite de ce seul choix.
En fait, « les matériaux recyclés sont actuellement utilisés dans une variété d’applications d’impression 3D LSAM », note Bullis. « Certaines des complexités sont liées au fait qu’il faut dépasser les expériences antérieures qui n’ont peut-être pas été couronnées de succès. Les producteurs de matériaux travaillent en permanence à la mise au point de nouvelles formulations. Le LSAM permet aux propriétaires/utilisateurs de travailler directement avec les producteurs de matériaux pour développer de nouvelles formulations susceptibles de leur procurer un avantage concurrentiel. Les utilisateurs ne sont pas “menottés” à un fournisseur de matériaux particulier, ce qui leur permet d’être plus compétitifs », ajoute-t-il en parlant des complexités de l’utilisation de l’impression 3D de composites à polymère renforcé de fibres (FRP).
Un nombre réduit d’étapes de traitement. Nous considérons la capacité de fabriquer en une seule “pièce” comme un indicateur de performance durable, car la plupart des processus de fabrication nécessitent souvent plusieurs étapes de traitement et parfois plusieurs machines pour obtenir la pièce finale. « Le modèle phare du LSAM peut mesurer jusqu’à 100′ de long et 15′ de large » (soit environ 30,48 m × 4,57 m), rappelle Bullis, ce qui permet de fabriquer un certain nombre de pièces en une fois.
Ces dimensions sont celles annoncées par l’intervenant pour une configuration de grande taille, et non celles de tous les modèles. Réduire les assemblages peut éviter certaines opérations ; le gain énergétique doit être mesuré sur la chaîne complète, y compris extrusion, usinage et traitement des déchets.
Thermwood décrit les configurations et le refroidissement dans sa documentation technique ; son annonce de 2021 précise l’introduction des tables de 15 pieds de large.
Il faut enfin comparer des pièces remplissant la même fonction et les mêmes exigences de durée de vie. Une diminution du nombre d’étapes n’est pas, à elle seule, une preuve de durabilité.
Ces arguments sont le début d’une conversation beaucoup plus profonde que nous espérons poursuivre avec Thermwood à l’avenir. En effet, si nous voulons éduquer et mettre en évidence les indicateurs de performance durable qui peuvent résulter de l’intégration de la LSAM dans les environnements de production, nous voulons également mettre en garde contre ces avantages apparemment évidents que la FA pourrait introduire et qui se traduisent souvent par des implications erronées sur les références “vertes” de la technologie.
Cet article s’inscrit dans les réflexions du numéro de septembre/octobre 2022 de 3D ADEPT Mag.
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