Dossier paru dans le numéro de janvier/février 2023, avec les contributions d’Isabel Potestio (Lithoz), Guy Zimmerman (XJet) et Vincent Poirier (Novadditive). Fonctions et exemples sont présentés dans ce contexte historique.
Après les applications médicales, la fabrication additive céramique trouve aussi des débouchés dans l’automobile et l’aérospatiale. Ce dossier examine les matériaux, les exigences de fabrication et le passage des démonstrateurs à la production. Les possibilités varient selon le procédé et l’application.
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.
La visibilité limitée de certaines applications peut tenir à la maturité technique, aux coûts de qualification ou à la confidentialité. Elle ne suffit pas à démontrer une absence d’investissement ou d’utilisation industrielle.
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. »
Les volumes cités par Potestio décrivent des cas clients rapportés par Lithoz, sans constituer une mesure de l’ensemble du marché ni de la production automobile ou aéronautique.
Les céramiques techniques et traditionnelles couvrent différentes compositions et propriétés. La masse d’une pièce ne suffit pas à les distinguer : des céramiques techniques peuvent servir à des composants de dimensions variées, et des noyaux de fonderie peuvent mobiliser des formulations spécialisées.
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
Les céramiques techniques sont utilisées pour différentes fonctions mécaniques, thermiques ou électriques dans les véhicules. Les procédés conventionnels comprennent notamment le moulage par injection de céramique (CIM), le pressage et l’usinage. Le moulage par injection de métal (MIM) produit des pièces métalliques et ne doit pas être confondu avec le CIM.
Le choix d’un procédé de FA céramique dépend du matériau, de la géométrie, de la résolution, de la densification et du coût. Notre panorama des procédés en présentait plusieurs familles ; ce classement éditorial ne constitue pas une norme ni une liste exhaustive.
« 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 et d’une répétabilité élevées, ainsi que d’un coût total par pièce maîtrisé, ce qui nécessite un débit élevé et des processus de fabrication automatisés », souligne Zimmerman.
Dans l’aérospatiale, la FA céramique peut notamment servir à réaliser des noyaux de fonderie complexes. Leur rôle doit être distingué de celui d’un composant céramique directement utilisé en vol. Un démonstrateur de buse, de capteur ou d’antenne ne prouve pas à lui seul la qualification de la pièce pour un usage opérationnel.
Certaines céramiques offrent une tenue thermique, une résistance à la corrosion ou des propriétés électriques utiles dans des environnements exigeants. Ces propriétés ne sont pas identiques pour toutes les compositions ; fragilité, chocs thermiques, densité et assemblage doivent aussi être évalués.
« 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 déliantage, le frittage, le retrait et la maîtrise des défauts peuvent compliquer la fabrication de pièces denses. Ces difficultés n’impliquent pas que toute la FA céramique reste exploratoire : le niveau de maturité et la qualification dépendent de la pièce, du matériau et de la chaîne de fabrication.
Potestio présente les procédés LCM, LIS et LSD-print comme des réponses à différents besoins. Dans son annonce d’octobre 2022, Lithoz distinguait notamment la résolution et les structures internes du LCM, les fortes épaisseurs et volumes du LIS, et la place intermédiaire du LSD-print. Il s’agit du positionnement décrit par le fournisseur.
Et si une opportunité résidait dans la capacité à relever un défi qu’un autre procédé de FA n’a pas pu satisfaire ?
Les travaux lunaires doivent également être distingués d’un usage en vol : l’ESA décrivait en 2018 des essais sur simulant de régolithe, puis des études d’adaptation du procédé. Ils ne démontraient pas une production opérationnelle sur la Lune.
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 coefficient de dilatation thermique (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.
Les besoins automobiles varient selon la fonction et le volume. Le piston en alumine annoncé pour le projet Chaos Ultracar de Spyros Panopoulos Automotive avec la technologie XJet illustre une géométrie réalisable. L’article ne fournit toutefois ni résultats de qualification en service ni volumes de production en série pour cette pièce. Cet exemple ne permet donc pas de conclure sur la capacité de toute la FA céramique à produire en volume.
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.
Pour les composants exposés à des flux thermiques et des efforts aérodynamiques élevés, les exigences dépendent de la mission, de la géométrie et des conditions de vol. Un prototype ne vaut pas qualification. Une température ou une charge unique ne saurait caractériser toutes les pièces de lanceurs et d’aéronefs hypersoniques.
Le modèle économique peut reposer sur des petites séries à forte valeur ou sur des volumes plus importants. Dans les deux cas, il faut tenir compte de toute la chaîne : matière, impression, déliantage, frittage, finition et contrôles. La production de masse n’est pas une condition universelle de pertinence.
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 initialement paru dans le numéro de janvier/février 2023 de 3D ADEPT Mag.
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