Dossier publié initialement dans 3D ADEPT MAG en août 2019, puis en ligne en juillet 2021. Les fonctions des intervenants, les machines et les pratiques décrites correspondent à l’entretien de 2019.
Dans l’industrie, une production pilote permet de tester un produit, ses méthodes de fabrication et ses contrôles avant le passage à une plus grande échelle. Comment cette étape s’organise-t-elle chez un fabricant d’imprimantes 3D ? Et comment la FDM peut-elle servir aux préséries d’autres produits ? MakerBot partage son expérience.
Le cas de MakerBot permet d’examiner ces deux usages, sans en faire une procédure universelle.
Fondé en 2009 par Bre Pettis, Adam Mayer et Zach « Hoeken » Smith, MakerBot est un fabricant américain d’imprimantes 3D de bureau. Son rapprochement avec Stratasys a été finalisé en 2013. L’entreprise développe notamment des usages éducatifs.
À l’époque de cet entretien, Nadav Goshen dirige l’entreprise. La gamme METHOD et la METHOD X annoncée en août 2019 mettent l’accent sur la maîtrise de l’environnement d’impression et sur des matériaux destinés à des usages professionnels.
Dave Veisz, alors vice-président de l’ingénierie chez MakerBot, décrit le développement d’une imprimante et les critères de choix de la FDM pour une production pilote.
Programme pilote d’un système d’impression 3D
Au-delà des annonces de nouvelles machines, la méthode de validation d’un produit aide à comprendre sa maturité.
Les essais réalisés, les unités produites et les contrôles retenus apportent des informations utiles pour évaluer une offre. Leur portée dépend toutefois du protocole et des exigences visées.
Un programme pilote vérifie comment une production pourrait fonctionner à plus grande échelle. Son organisation dépend du produit, des risques et des moyens industriels ; l’exemple présenté ici n’est pas une norme applicable à tous les fabricants.
En mai 2017, Impossible Objects a annoncé Model One, son système de fabrication additive à base de composites (CBAM), avec un programme pilote incluant Jabil et d’autres clients dont les noms n’étaient pas précisés.
Dave Veisz explique ensuite les étapes suivies pour la METHOD :
« Dans le développement de l’imprimante 3D MakerBot METHOD, par exemple, il y a eu plusieurs étapes importantes dans la construction et les cycles de test menés au début de la production en série et à l’expédition. Les premières constructions utilisent principalement des prototypes (plastiques imprimés en 3D, métaux usinés, composants électroniques fabriqués rapidement), mais à mesure que la conception mûrit, les constructions deviennent plus représentatives de la production et se composent d’un mélange de pièces issues d’outillages et de pièces de prototypage rapide, et le nombre d’unités augmente pour permettre des tests plus approfondis.
Pour une nouvelle plateforme comme METHOD, un “essai pilote” pour MakerBot est généralement d’au moins 100 assemblages complets, de sorte que nous avons suffisamment d’unités pour effectuer des tests statistiquement pertinents pour la fiabilité et la performance ainsi que le processus de fabrication et le contrôle qualité en ligne. Une seule unité peut suffire pour valider le concept à un stade précoce, mais pour une présérie, la quantité doit être suffisante pour tester suffisamment la variabilité de la qualité des pièces et du procédé de fabrication », explique Dave Veisz.
Cette description concerne le développement de METHOD chez MakerBot. Le seuil de 100 assemblages est une pratique rapportée par l’entreprise, et non un minimum normatif pour toute présérie.
Maintenant, avant le lancement d’un produit de consommation, les procédés sont-ils exactement les mêmes ?
L’impression 3D et le lancement de nouveaux produits
La FDM couvre des usages allant de l’apprentissage au prototypage et à certaines pièces finales. Son intérêt dépend de la matière, de la géométrie, des tolérances et des exigences de l’application.
« Les imprimantes FDM sont utilisées dans les écoles primaires pour initier les élèves à la pensée du design et à d’autres sujets STEAM, mais elles sont également utilisées pour produire des pièces destinées à l’aérospatiale et à la défense qui ont des exigences extrêmes. Par conséquent, les imprimantes FDM couvrent un très large éventail de cas d’utilisation. L’impression FDM est une excellente introduction à l’impression 3D parce qu’il s’agit d’un procédé d’impression 3D accessible et sûr qui ne nécessite pas de produits chimiques dangereux, ni de procédés secondaires pour créer rapidement une pièce utilisable », a déclaré le vice-président de l’ingénierie chez MakerBot.
Précision technique : cette appréciation du fabricant ne signifie pas absence de risques. Les travaux du NIOSH publiés en 2018 mesurent des émissions de particules et de composés volatils lors de l’impression par filament. Matière, température, ventilation et protections adaptées restent à prendre en compte.
Les outillages d’une petite série peuvent peser sur le budget, notamment lorsque la conception évolue. Les essais de marché et de fabrication permettent de repérer des problèmes avant d’engager une production plus importante.
L’impression 3D peut éviter un moule dédié pour certaines petites séries. Elle conserve cependant des coûts de préparation, de supports, de post-traitement et de contrôle. Pour Dave Veisz, l’intérêt de la FDM dépend à la fois des exigences de la pièce et de l’économie de production :
« De nombreuses entreprises le font en plus d’utiliser les imprimantes 3D FDM pour la production de pièces de série. Les principaux critères sont les exigences de la pièce (propriétés du matériau, charge mécanique, etc.) pour déterminer si la technologie FDM est la bonne en termes de capacités, et la deuxième considération est économique. La FDM est facile à justifier pour une production à forte variété et à faible volume, car il n’y a pas de dépenses importantes ou de délais d’exécution pour l’outillage des pièces FDM par rapport aux pièces moulées ou d’autres procédés proches de la forme nette.
Cependant, au fur et à mesure que le volume augmente, l’outillage dédié devient plus justifiable que la FDM en raison des prix généralement plus bas des pièces pendant la durée de vie du produit. Un autre point à souligner ici est qu’il y a des géométries de pièces qu’il est possible de créer dans la technologie FDM qui ne sont pas possibles à créer par les méthodes de fabrication traditionnelles. Cela inclut les conceptions avec des vides internes ou des sections transversales variables et des assemblages dynamiques « imprimés sur place ». Ainsi, les industries de haute technologie comme le médical, l’aérospatial et la fabrication de pointe conçoivent des pièces de production qui profitent de la liberté de l’impression 3D et réduisent le nombre de pièces, améliorent les rapports résistance/poids et obtiennent d’autres avantages qui justifient l’utilisation de la FDM pour fabriquer des pièces de production. »
La FDM peut donc faciliter des itérations et des tests de marché. Le gain de coût ou de délai doit être établi pour le produit et les volumes concernés.
La prochaine question qui nous vient à l’esprit est de savoir quelles sont les caractéristiques des imprimantes 3D FDM idéales pour la production pilote.
Principales caractéristiques à prendre en compte lors du choix des imprimantes 3D FDM pour la production pilote
Le choix porte notamment sur le volume de fabrication, les températures maîtrisées, l’adhésion entre couches, les supports, le remplissage, l’épaisseur des parois, les matériaux compatibles et le post-traitement.
En ce qui concerne les paramètres de l’imprimante, du point de vue du concepteur, la taille de construction et la hauteur de couche sont très importantes.
Le gauchissement provient notamment du retrait et des gradients thermiques. L’adhésion au plateau, la géométrie, la matière et la maîtrise des températures influencent ce risque. Choisir une imprimante simplement parce qu’elle possède une grande surface plane ne suffit pas à le résoudre.
Remplissage, parois, orientation et matière influencent les propriétés de la pièce. Les filaments vont notamment du PLA et de l’ABS aux PA, TPU et PETG, ainsi qu’à certains PEEK ou PEI sur des équipements adaptés. Toutes les imprimantes FDM ne peuvent pas traiter ces matériaux haute température.
La finition peut comprendre le ponçage, le polissage, la peinture ou des traitements spécialisés compatibles avec la matière. Les procédés chimiques, les revêtements et la métallisation exigent des conditions et des protections adaptées ; ils ne s’appliquent pas indistinctement à tous les polymères.
La sélection doit ainsi porter sur l’ensemble machine–matière–procédé et sur sa répétabilité pour la pièce visée. Une performance observée sur une configuration ne se transfère pas automatiquement à une autre.
Dave Veisz insiste sur la fidélité et la répétabilité de la pièce obtenue :
« Les caractéristiques idéales des imprimantes FDM sont l’incorporation de commandes et de fonctions qui permettent à l’utilisateur d’imprimer de façon précise, répétée et fiable. Vous devez pouvoir être sûr que la pièce imprimée en 3D est une représentation exacte du dessin et que la pièce aura les mêmes propriétés chaque fois qu’elle est imprimée. Dans la fabrication, la variabilité est l’ennemi, donc vous voulez une imprimante qui a des compartiments de stockage fermés et étanches pour garder la matière au sec et une chambre fermée et à température contrôlée pour assurer une qualité constante de l’impression quel que soit l’environnement. Les matériaux compatibles avec chaque plate-forme d’imprimante varient, ce sera donc à prendre en considération.
L’autre considération est de savoir si du matériau de support est nécessaire et le type de support (détachable ou soluble). Avec un support soluble, il est possible d’imprimer une géométrie avec des vides et de petites inclusions de support alors que certaines géométries ne sont pas compatibles avec un support détachable. Il existe une grande variété d’options de coût et les allégations des fabricants peuvent prêter à confusion. Il y a une différence entre être capable d’imprimer un matériau et être capable d’imprimer un matériau de façon précise et répétée. La précision et la reproductibilité exigent vraiment l’ensemble des caractéristiques “industrielles” en ce qui concerne les environnements d’impression et de stockage des matières contrôlés et le support soluble afin de réduire la variabilité du processus et de permettre la liberté géométrique. »
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