« Les utilisateurs professionnels qui adoptent l’impression 3D ne cherchent pas un nouveau passe-temps, ils cherchent des solutions à leurs problèmes commerciaux les plus urgents », Kevin Han.
Fused Fabrication Filament (FFF), Fused Deposition Modeling (FDM), Fused Laser Manufacturing… la technologie de fabrication additive pour matériaux polymères a reçu plusieurs noms de fabricants qui voulaient se distinguer parmi d’autres de la même gamme. Même si le nom le plus connu reste FDM, toutes ces technologies partagent le même principe : la création d’un modèle utilisant le dépôt couche par couche d’une matière première de filament plastique extrudé à travers une buse.
Au fil du temps, nous avons noté l’émergence de diverses entreprises proposant des technologies de fabrication additive pour polymères. Scott et Lisa Crump ont peut-être inventé cette technologie qui a fait et fait encore le succès de Stratasys aujourd’hui, mais la segmentation croissante du marché a conduit au développement de la technologie dans plusieurs industries. Comment cette technologie a-t-elle réellement évolué – au niveau technique et de la fabrication, et surtout, y a-t-il d’autres améliorations auxquelles nous pouvons nous attendre ? C’est la question à un million de dollars que nous aborderons dans cette rubrique – avec la contribution d’AON3D et INTAMSYS, fabricants d’imprimantes 3D FDM.
La technologie d’impression 3D FDM est bien plus que le simple dépôt couche par couche d’un matériau de base en filaments de plastique. Les fabricants qui ont décidé de pénétrer ce segment de marché ont amélioré cette technologie et suscité l’intérêt de segments auxquels on ne s’attendait pas dès le départ. Quelles pourraient être ces améliorations ? Cet article vise à mettre en lumière ces avancées afin d’aider les professionnels à décider si c’est (encore) un bon choix pour eux.
Tout d’abord, l’impression 3D FDM peut être exploitée via une imprimante 3D FDM de bureau ou dans un système d’impression 3D industriel. Pour rappel, plusieurs caractéristiques peuvent permettre de distinguer une imprimante 3D professionnelle d’une imprimante 3D industrielle. Il s’agit notamment de la précision des pièces, des matériaux (haute performance), de l’épaisseur typique des couches, de l’enveloppe de construction ainsi que des capacités de production (température, etc.) pour n’en citer que quelques-unes.
Outre les « matériaux », toutes ces caractéristiques peuvent être liées aux capacités de la machine.
Améliorations apportées aux capacités des machines
Il était plus facile d’attribuer l’utilisation des imprimantes 3D de bureau aux fabricants et l’utilisation des imprimantes 3D industrielles aux grandes entreprises. En fait, aussi bien les PME que les grandes entreprises peuvent tirer parti des deux types d’imprimantes 3D dans leur département de R&D ou de production.
Le choix de l’une ou l’autre peut varier d’une entreprise à l’autre, mais l’intérêt qu’elles portent aux deux systèmes a donné une autre raison aux fabricants d’améliorer les capacités de leurs machines.
Il va sans dire que la vision d’une entreprise et la façon dont elle évolue sur le marché, ses objectifs, sont des facteurs qui auront toujours une influence sur les progrès de la technologie qu’une entreprise développe.
Pour revenir aux racines, une caractéristique majeure qui a permis une amélioration radicale du domaine a été l’amélioration du mécanisme d’alimentation du filament et de son extrudeuse.
Après avoir envoyé votre fichier à l’imprimante 3D – et évidemment après avoir chargé le filament dans l’imprimante 3D, la tête d’impression commence à bouger mais rien ne sort. Les débutants pensent parfois facilement que leur imprimante 3D est cassée – surtout ceux qui ont des imprimantes 3D avec des bobines cachées. Il s’avère que parfois, le problème peut être lié à la buse ou au mécanisme du filament.
Plusieurs causes peuvent expliquer ce problème : la buse est juste trop proche du lit et il faut l’ajuster, l’utilisateur a oublié un petit morceau de filament dans la buse lors du remplacement des bobines, auquel cas il lui suffit de nettoyer la buse avec une aiguille ; cela peut être lié aux paramètres qui n’ont pas été bien réglés ou simplement au mécanisme d’alimentation du filament et à l’extrudeuse qui n’ont pas été bien fabriqués.
La vitesse et la précision d’impression sont les caractéristiques suivantes sur la liste. Elles restent des caractéristiques clés qui peuvent être améliorées. Le CEO d’INTAMSYS, Charles Han, explique que « la vitesse d’impression permet d’augmenter le volume de production et donc de réduire les coûts, tandis que l’amélioration de la précision d’impression permet aux applications d’impression 3D de s’étendre à des applications industrielles plus exigeantes ».
Pour le CEO et fondateur d’AON3D, Kevin Han, les améliorations peuvent aller au-delà de la vitesse et de la précision d’impression :
« Tout ce qu’il faut pour améliorer la répétabilité, la fiabilité et le contrôle des processus – et cela sera réalisé grâce à une combinaison de matériel et de logiciels. Il y a actuellement beaucoup de bruit autour de facteurs tels que la taille et la vitesse, mais les utilisateurs avertis comprennent que sans les bases de la répétabilité, de la fiabilité et du contrôle en place, la seule chose qu’une solution plus grande ou plus rapide fera est de créer plus de rebuts plus rapidement.
Nous abordons ce défi sous de multiples angles. Prévenir la variabilité dès le départ avec un matériel amélioré, surveiller le processus de construction avec du matériel et des logiciels, et permettre une amélioration continue pour éviter que les erreurs futures ne se répètent avec des données et des logiciels. »
En d’autres termes, il devient « indispensable » d’examiner la combinaison de plusieurs caractéristiques qui jouent un rôle clé dans le processus d’impression et pas seulement les capacités de la machine.
Améliorations des propriétés mécaniques de la pièce imprimée en 3D
Plus le marché progresse, plus les industriels placent la barre haut pour l’impression 3D FDM industrielle. Le défi est d’autant plus important qu’il existe aujourd’hui plusieurs technologies d’impression 3D qui prétendent réaliser « l’impossible ». Par conséquent, les nouvelles normes impliquent que les améliorations ne concernent plus seulement les capacités des machines, mais aussi les propriétés mécaniques des pièces.
C’est pourquoi les partenariats « fabricant d’imprimantes 3D – producteurs de matériaux » ont pris tellement de l’ampleur qu’ils soulèvent une question : comment cette attente va-t-elle modifier le marché ?
« Il ne s’agit pas seulement d’avoir accès à des polymères haute performance, mais aussi d’avoir accès aux bons polymères haute performance pour le travail à accomplir. Si l’on décompose, chaque composant fabriqué peut être décrit comme une combinaison de trois éléments fondamentaux : Conception + Matériau + Processus. En limitant la disponibilité des matériaux, les types de composants qui peuvent être construits sont également limités », commente Kevin Han, d’AON3D.
En effet, l’impression 3D FDM industrielle nécessite des plastiques de qualité technique (ABS, polycarbonate (PC) ou Ultem), qui sont généralement fabriqués avec certains additifs qui modifient leurs propriétés de manière à ce qu’ils répondent à certaines exigences industrielles telles que la résistance aux chocs, la stabilité thermique, la résistance chimique et la biocompatibilité. C’est pourquoi, certains produits imprimés en 3D fabriqués avec des matériaux de qualité technique offrent des propriétés matérielles similaires à celles des pièces moulées par injection – et sont « prêts à être utilisées ».
Pièce fabriquée en ULTEM 9085 sur l’imprimante 3D d’AON3D 
Pièce fabriquée en ULTEM 9085 sur l’imprimante 3D d’AON3D
Au niveau de la conception, « les utilisateurs apportent l’élément de conception à la table, et c’est à l’OEM de faire le reste. Les utilisateurs veulent avoir la liberté de choisir le bon matériau pour leur travail, à des prix compétitifs, et sans avoir à entreprendre de la R&D supplémentaire. Dès le premier jour, nous nous sommes engagés à favoriser un écosystème de matériaux ouvert grâce à une combinaison de partenariats avec les fournisseurs de matériaux, un modèle commercial qui ne pénalise pas financièrement les clients lorsqu’ils changent d’échelle et une offre de services techniques qui élimine les difficultés liées à l’élaboration des paramètres de traitement des nouveaux matériaux », commente Kevin Han.
Si Kevin Han confirme l’importance des partenariats avec les fournisseurs de matériaux, Charles Han met l’accent sur un point qui semble également trivial : l’importance d’améliorer l’état d’esprit général de l’ingénieur. Après tout, nous pouvons avoir la combinaison parfaite derrière un partenariat, mais en fin de compte, les ingénieurs qui travaillent derrière constitueront l’indicateur de performance de l’évolutivité de l’entreprise.
« L’état d’esprit général des ingénieurs peut également être amélioré, et les concepts d’ingénierie peuvent être optimisés pour s’adapter aux caractéristiques de l’impression 3D. Sur base de notre expérience, nous avons également découvert que de nombreux fichiers de données brutes générés par les méthodes d’ingénierie traditionnelles peuvent donner des résultats inattendus s’ils sont imprimés directement en FDM sans aucune modification. Cependant, les performances d’impression peuvent être améliorées en modifiant les structures internes des modèles 3D sans aucun compromis sur la qualité livrée », explique Charles Han.
Néanmoins, l’amélioration des propriétés mécaniques d’une pièce est, selon les mots de Kevin Han, à la fois la plus grande opportunité et le plus grand défi auquel l’industrie est confrontée aujourd’hui. Si le logiciel constitue un autre « Saint Graal » du processus de fabrication – trop long à aborder dans ce dossier -, pour maximiser les performances des pièces, le spécialiste conseille de contrôler le processus.
« Un bloc de marbre, un marteau & des ciseaux dans les mains d’un maître sculpteur donneraient un résultat bien différent que dans les mains d’une personne moins expérimentée. De même, le même matériau et la même imprimante avec des paramètres de processus optimisés donneront une meilleure pièce qu’avec des paramètres de processus non optimisés », complète le CEO d’AON3D.
Attentes actuelles concernant l’impression 3D FDM industrielle
Nous avons vu dans les lignes qui précèdent que les problèmes d’impression et les performances des pièces ont permis le développement de la technologie FDM. Le marché actuel montre que cette technologie possède les capacités requises pour aider les fabricants à réaliser plusieurs applications.
Toutefois, à l’avenir, la question de la « scalabilité » d’une entreprise utilisant l’impression 3D FDM reste importante. La réalisation de ce rêve avec la fabrication additive FDM pour la production pourrait nécessiter l’utilisation d’une flotte d’imprimantes 3D ou de fermes d’impression 3D.
« Selon l’application et la charge de travail, certaines entreprises peuvent vouloir utiliser des imprimantes 3D pour le prototypage fonctionnel ; dans ce cas, quelques imprimantes 3D suffisent. Certaines entreprises peuvent avoir beaucoup d’applications d’outillage dans leur usine ; elles peuvent donc avoir besoin d’un plus grand nombre d’imprimantes 3D. De nombreuses entreprises sont également prêtes à utiliser l’impression 3D pour une production en faible volume. Ces entreprises pourraient vouloir construire de véritables usines d’impression 3D avec un nombre important d’imprimantes 3D », conclut Charles Han.
L’approche de la fabrication additive et de la construction d’imprimantes 3D est en train de changer et, des décennies après sa création, la FDM est aujourd’hui légitimement positionnée pour ouvrir de nouveaux marchés aux machines basées sur l’extrusion.
Ce dossier a initialement été publié dans le numéro de Mars/Avril de 3D ADEPT Mag.
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