Lorsqu’on parle de FA céramique, un secteur vertical où son potentiel de croissance est assuré est celui de la santé. Ce n’est pas une surprise quand on sait que ce secteur vertical est le plus important et le premier à être desservi par la FA en général (SmarTech). L’aérospatiale et l’automobile se situant respectivement aux deuxième et troisième rangs des industries verticales les plus desservies par la FA, il est logique de discuter de la valeur ajoutée de la FA céramique au sein de la vaste gamme de procédés de FA actuellement utilisés sur ces marchés.
La conversation autour de ce sujet découle d’une observation : la plupart du temps, les entreprises des secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile font les gros titres avec des applications réalisées à l’aide de l’impression 3D FDM, de la FA métal, de la résine ou du polymère. Avec la multitude de procédés de FA qui apparaissent chaque jour – et en tenant compte de ceux qui sont déjà commercialisés -, notre évaluation de la FA céramique révèle un potentiel tout à fait sous-estimé – ou inconnu ? Difficile à dire, en toute franchise. Néanmoins, nous nous demandons si ce manque de communication est dû à un écart entre la reconnaissance et l’utilisation de la technologie ou s’il s’agit simplement d’une question de politique de confidentialité entre les sous-traitants et les entreprises des industries aérospatiale et automobile ?
L’écart entre la reconnaissance et l’utilisation de la technologie pose la question de la perception de la technologie par les utilisateurs potentiels. Considèrent-ils la FA céramique comme une technologie perturbatrice ou comme une technologie émergente ? La vérité est que les mots « émergent » et « perturbateur » sont souvent utilisés de manière interchangeable lorsqu’il s’agit de technologie, alors qu’en réalité, ils sont très différents. Comme l’a expliqué le Dr Johannes Gartner, professeur adjoint à l’université Johannes Kepler d’Autriche, les technologies émergentes décrivent des innovations susceptibles d’avoir un effet perturbateur, mais les véritables perturbations ne se produisent que lorsqu’une technologie émergente est utilisée pour résoudre un problème non résolu ou pour résoudre un ancien problème de manière plus efficace.
Cela signifie que si les utilisateurs de la FA considèrent la FA céramique comme une technologie émergente, le manque d’applications dans les domaines de l’automobile et de l’aérospatiale peut être compréhensible car les utilisateurs investissent rarement dans les technologies émergentes (par crainte de ne pas obtenir de retour sur investissement).
Selon Isabel Potestio, directrice des ventes et du marketing de Lithoz, « le principal obstacle auquel se heurte actuellement la FA céramique est que les fabricants ne sont pas encore pleinement conscients du niveau auquel ce processus se trouve désormais. La technologie a considérablement évolué en tant que technique de fabrication au cours des dernières années. En d’autres termes, si de nombreux fabricants ont commencé à utiliser la FA céramique pour le prototypage, beaucoup sont passés à la production complète. Ils ont fait l’expérience des avantages de la FA céramique en termes de performance et de flux de travail et sont passés à l’étape suivante. Aujourd’hui, nous voyons des clients produire des millions de pièces en céramique imprimées en 3D par an, qui ne sont pas économiquement viables pour le moulage par injection ou l’usinage. »
En outre, lorsqu’on discute des applications dans le paysage de la FA céramique, il est important de garder à l’esprit qu’il existe des technologies de FA conçues pour les céramiques techniques et des technologies de FA conçues pour les céramiques traditionnelles. Les premières conduisent souvent à la production de pièces de haute performance qui ne pèsent généralement que quelques grammes, tandis que les secondes permettent de produire des moules et des noyaux de fonderie de grande taille qui pèsent plusieurs kilogrammes.
Le large éventail d’applications des céramiques techniques et traditionnelles rend souvent difficile la compréhension des spécifications relatives aux technologies et aux matériaux. Toutefois, l’intérêt croissant pour les céramiques techniques nous amènera à nous concentrer sur cette partie du marché dans le cadre de ce dossier.
« L’usinage de la céramique est très difficile. Par exemple, par rapport à l’usinage du métal, le risque d’endommagement de la surface, d’écaillage et d’usure de l’outil est beaucoup plus important, et la précision dimensionnelle est beaucoup plus difficile à atteindre. La fabrication additive représente donc un progrès encore plus important dans le domaine de la céramique que dans les domaines établis de la FA métal et polymère. Avec les propriétés uniques des céramiques, telles que la résistance, l’isolation, etc., il existe un énorme potentiel d’expansion des applications de céramique technique », commente Guy Zimmerman, directeur du marketing chez Xjet, fabricant d’imprimantes 3D pour la FA métal et céramique.
Les lignes ci-dessous ont pour ambition de discuter des défis et du potentiel de la FA céramique dans les industries automobile et aérospatiale.
Où se situent les défis et les opportunités dans l’aérospatiale et l’automobile ?
Que nous discutions des applications dans l’automobile ou l’aérospatiale, les défis et les opportunités se reflètent à deux niveaux principaux :
- Les matériaux
- La décision « haute valeur vs. haut volume ».
Les matériaux
En général, les céramiques techniques sont connues pour leur contribution à un large éventail d’applications dans l’industrie automobile. Qu’elles soient entièrement électriques ou hybrides, les pièces à haute performance des voitures, bus, camions et trains électriques peuvent être produites à l’aide de céramiques techniques, ce qui permet d’améliorer l’économie, le confort et la sécurité. Le seul problème est que la plupart de ces applications sont rendues possibles par le moulage par injection de métal et céramique.
Pour ce qui est de la FA, on constate que les céramiques techniques sont une excellente solution dans les applications critiques où les matériaux conventionnels comme les métaux ou les plastiques à haute performance ne sont pas performants. Avec 8 principaux types de procédés de FA céramique identifiés, le choix d’une technologie d’impression 3D céramique dépend principalement des caractéristiques souhaitées à atteindre – caractéristiques liées aux propriétés du matériau ou à la résolution.
« La majorité des principales applications mécaniques de la céramique dans l’automobile sont encore réalisées avec des procédés traditionnels de CIM et d’usinage. Les procédés de FA qui commencent à apporter une valeur ajoutée dans l’automobile sont la DLP et le jet direct de matériau. La raison en est l’exigence d’une précision, d’une répétabilité et d’un coût total par pièce élevés, ce qui nécessite un débit élevé et des processus de fabrication automatisés », souligne Zimmerman.
Cependant, un large éventail d’applications est susceptible d’apparaître plus rapidement dans l’industrie aérospatiale. En réduisant l’assemblage manuel et le poids des aéronefs grâce à des conceptions développées par modélisation, la FA céramique peut être un excellent candidat à la production pour améliorer l’efficacité et les performances. En fait, nous avons déjà assisté à la production de tuyères, de propulseurs, de capteurs et d’antennes par impression 3D céramique.
Dans un autre ordre d’idées, si des altitudes de croisière et des vitesses de vol plus élevées permettent d’améliorer l’efficacité et la portée, cela se fait au prix d’environnements extrêmes endurés par les matériaux des pièces. Outre leur capacité à résister à des environnements aussi rigoureux, les matériaux céramiques offrent une résistance accrue à la corrosion, une plus grande rigidité, une plus faible densité et, dans certaines applications, des propriétés multifonctionnelles.
« Les céramiques sont le matériau de choix dans les environnements extrêmes où les autres matériaux échouent, et c’est donc dans ces applications que les céramiques sont vraiment commercialisées. Les noyaux en céramique imprimés en 3D pour les applications aérospatiales en sont un exemple. Le changement climatique étant le principal défi auquel le monde est confronté aujourd’hui, les fabricants de tous les domaines cherchent à être plus durables en construisant des pièces plus efficaces pour économiser les ressources. L’impression 3D offre un niveau de liberté de conception impossible à atteindre avec les techniques de fabrication conventionnelles, ce qui permet de produire des modèles plus économes en carburant », explique Potestio.
Le problème est que la difficulté qui accompagne la création de matériaux céramiques denses limite les applications dans ce secteur au stade de l’exploration. Malheureusement, cette dernière dépend des investissements que les utilisateurs sont prêts à faire au niveau de la recherche. Or, si la recherche n’est pas effectuée en collaboration avec les acteurs des industries verticales visées, elle est de toute façon réalisée en interne par les fabricants de machines et les producteurs de matériaux.
Prenant l’exemple de leurs solutions, Potestio de Lithoz explique que chacune de leurs technologies (LCM, LIS et LSD-print) répond à des demandes différentes pour des applications dans une variété de domaines. Par exemple, la technologie LIS de Lithoz est plus adaptée aux composants larges, aux grandes épaisseurs de paroi et aux matériaux sombres.
Et si une opportunité résidait dans la capacité à relever un défi qu’un autre procédé de FA n’a pas pu satisfaire ?
La plupart des applications rendues possibles par la FA relèvent en général les défis posés par les technologies issues des procédés de fabrication conventionnels. C’est la raison pour laquelle vous êtes susceptible de voir la comparaison avec un type donné de procédé de fabrication traditionnel. Dans ce cas, pour que la FA céramique se développe, il pourrait être intéressant d’explorer sa capacité à relever un défi qu’un autre procédé de FA ne parvient pas à résoudre.
Vincent POIRIER, CEO du bureau de services d’impression 3D céramique Novadditive, pense que tous les types de procédés de FA céramique peuvent créer de la valeur dans les industries automobile et/ou aérospatiale. Selon Poirier, la FA céramique offre un moyen unique de créer des formes « irréalisables » avec des propriétés améliorées. Cela dit, l’expert affirme que la différenciation ne doit pas être une comparaison entre les procédés de FA, mais plutôt le choix du bon matériau technique.
Parmi les critères importants que les fabricants doivent prendre en compte pour choisir la céramique technique idéale pour la production, on note les propriétés mécaniques et thermiques, la rigidité et la densité ainsi que le CTE.
La réalité liée à une production « haute valeur vs haut volume »
Il ne s’agit pas de choisir entre « qualité » et « quantité », car la qualité doit toujours faire partie de l’équation. Il s’agit plutôt de discuter de l’endroit où la valeur ajoutée est la plus visible.
Dans l’industrie automobile, par exemple, les composants exigent une grande précision et des performances égales. Ils doivent offrir une excellente résistance pour un faible poids, supporter des températures élevées et être résistants à l’usure pour obtenir des performances élevées à un prix rentable. La FA céramique pourrait éventuellement répondre à ces exigences pour une pièce mais n’est pas encore prête pour une production à grande échelle. Le piston en céramique imprimé en 3D qui a été produit par Spyros Panopoulos Automotive (SPA) en utilisant le matériau XJet Alumina pour son Chaos Ultracar en est un excellent exemple. Cependant, la fabrication en masse de pièces en alumine sur le terrain n’a pas encore eu lieu.
Potestio note que, dans l’industrie automobile, il existe un potentiel d’innovation certain dans les applications où la miniaturisation et les niveaux extrêmes de complexité permettraient d’accroître considérablement l’efficacité. Dans de tels exemples, la FA céramique peut réellement soutenir le développement de solutions puissantes pour l’e-mobilité et les futurs systèmes sans fil.
Dans la même veine, l’industrie aérospatiale regorge d’exemples étonnants de cas d’application qui démontrent les capacités des différents procédés de FA céramique. La fabrication d’un lanceur spatial est un moyen brillant de démontrer le potentiel et la grande valeur d’un produit, mais sa production en série avec la même technologie est une autre paire de manches. En réalité, les pièces en céramique résistantes à la chaleur dont ils ont besoin sont extrêmement difficiles à fabriquer. Ces pièces doivent résister à des températures allant jusqu’à 2 700 degrés Celsius et à des forces de traînée de centaines de kilogrammes rencontrées à des vitesses de Mach 5 et plus, comme sur les cônes de nez, les bords d’attaque des ailes et les entrées de moteur.
En fin de compte, les pièces en céramique imprimées en 3D doivent pouvoir être produites en masse à un prix abordable, ce qui signifie que les ingrédients initiaux doivent être choisis en tenant compte du coût. Si ce n’est pas le cas, il faut alors explorer des solutions pour supprimer toute étape inutile.
Enfin…
Notre dossier sur le paysage actuel de la fabrication additive céramique a révélé qu’avec 8 principaux types de procédés, le marché de l’impression 3D céramique est en train de surmonter ses jours de battage médiatique pour se concentrer sur la façon dont il répondra aux besoins des différentes industries. Cette conversation est importante car la croissance des technologies de FA dépend d’une perspective économique qu’il ne faut pas négliger : « Plus il y aura d’applications, plus il y aura de matériaux à développer et plus il y aura d’imprimantes qui évolueront ou seront introduites sur le marché« . Sur le marché de l’impression 3D céramique en particulier, comprendre l’écart entre la reconnaissance de la technologie et son utilisation peut faire toute la différence et ouvrir toute une série de nouvelles applications sur ce marché de niche.
Cet article a été initialement publié dans le numéro de Janvier/Février de 3D ADEPT Mag. N’oubliez pas que vous pouvez poster gratuitement les offres d’emploi de l’industrie de la FA sur 3D ADEPT Media ou rechercher un emploi via notre tableau d’offres d’emploi. N’hésitez pas à nous suivre sur nos réseaux sociaux et à vous inscrire à notre newsletter hebdomadaire : Facebook, Twitter, LinkedIn & Instagram !