Dossier paru dans le numéro de mars–avril 2020 de 3D ADEPT MAG, puis mis en ligne en décembre 2020. Les fonctions, les machines et les perspectives évoquées correspondent à cette période.
« 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.
L’extrusion de filament thermoplastique construit une pièce par dépôts successifs à travers une buse chauffée. FFF signifie Fused Filament Fabrication ; FDM, pour Fused Deposition Modeling, est la dénomination associée à Stratasys. Ces appellations concernent ici l’extrusion de matière, sans fusion par laser.
Scott Crump a inventé le procédé FDM et cofondé Stratasys avec Lisa Crump. Depuis, de nombreux fabricants ont développé des systèmes d’extrusion pour différents usages. Ce dossier examine les progrès et les attentes du marché avec Kevin Han, alors CEO d’AON3D, et Charles Han, CEO d’INTAMSYS.
Au-delà du principe de dépôt couche par couche, l’intérêt industriel dépend de la répétabilité, des matériaux disponibles et des performances obtenues sur les pièces. Ce sont ces critères que les deux fabricants mettent en perspective.
Les systèmes vont des imprimantes de bureau aux équipements industriels. Pour comparer des solutions, il faut examiner la précision obtenue, les matériaux compatibles, le volume de fabrication, la maîtrise des températures, la répétabilité et les besoins de production. L’étiquette commerciale seule ne suffit pas à qualifier une machine.
Ces caractéristiques interagissent : la machine, le matériau, la conception et les réglages doivent être compatibles avec l’application.
Améliorations apportées aux capacités des machines
Les imprimantes de bureau ne sont pas réservées aux amateurs, ni les systèmes industriels aux seules grandes entreprises. PME et grands groupes peuvent utiliser différents équipements en R&D, en outillage ou en 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.
Les priorités de développement d’un fabricant dépendent des applications visées et des besoins de ses utilisateurs.
L’alimentation régulière du filament et la maîtrise de l’extrusion constituent des points essentiels de la fiabilité du procédé.
Une tête qui se déplace sans déposer de matière ne signifie pas nécessairement que l’imprimante est hors service. Le diagnostic peut porter sur le chargement du filament, le débit, les températures ou une obstruction du chemin de matière.
Une buse trop proche du plateau ou un problème d’entraînement peuvent aussi empêcher l’extrusion. Le nettoyage et les réglages doivent suivre la procédure du fabricant pour le modèle concerné ; l’usage d’une aiguille n’est pas une solution universelle.
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. »
La performance résulte ainsi de la combinaison des équipements, des logiciels et des paramètres du procédé.
Améliorations des propriétés mécaniques de la pièce imprimée en 3D
Les attentes industrielles concernent autant les propriétés des pièces que les capacités des machines. Il faut donc relier les améliorations du procédé aux exigences mécaniques de chaque application.
Les partenariats entre fabricants d’imprimantes et producteurs de matériaux contribuent à ce travail. Ils soulèvent aussi la question de l’accès aux matériaux et aux paramètres nécessaires pour les utiliser.
« 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.
Selon l’application, les matériaux peuvent inclure l’ABS, le polycarbonate ou des grades de PEI tels qu’ULTEM. Leurs propriétés dépendent du grade et des conditions de fabrication. Une désignation de matériau ne garantit ni la biocompatibilité de la pièce, ni son équivalence avec une pièce moulée : orientation, liaison entre couches, porosité et essais représentatifs doivent être pris en compte.
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.
Kevin Han souligne donc l’accès aux matériaux et l’accompagnement des utilisateurs. Charles Han insiste également sur l’adaptation des méthodes de conception aux caractéristiques du procédé.
« 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.
Pour Kevin Han, l’amélioration des propriétés mécaniques représente à la fois une opportunité et un défi. Il met l’accent sur les paramètres de fabrication et le contrôle du procédé.
« Un bloc de marbre, un marteau et un ciseau 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.
Les attentes industrielles exprimées en 2020
Les témoignages présentés ici mettent en évidence les progrès recherchés en fiabilité, en maîtrise des matériaux et en performances des pièces. Le choix d’un système doit partir des applications et des critères de qualité attendus.
Le passage à l’échelle peut nécessiter plusieurs imprimantes, mais aussi une organisation adaptée pour la préparation, le suivi, la maintenance et le contrôle des pièces. Le nombre de machines dépend des volumes et de la charge de travail.
« 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.
Ces perspectives de 2020 montrent que la valeur industrielle de l’extrusion ne repose pas uniquement sur la vitesse ou la taille d’une machine : elle dépend d’un procédé maîtrisé et adapté à l’usage.
Ce dossier a initialement été publié dans le numéro de mars–avril 2020 de 3D ADEPT MAG.
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