Techniques d’impression 3D





Techniques d’impression 3D

Totalement individuel, couche après couche


Plus c’est difficile, mieux c’est. Les techniques d’impression 3D permettent de réaliser, sur simple pression de bouton, des constructions impossibles jusque-là. Dans le même temps, elles accroissent le degré d’individualisation. Et les coûts? Ils deviennent secondaires, comme le montre l’exemple de GE Inspection Robotics.


Daniel Meierhans,




Les tuyaux sont serrés les uns contre les autres dans la chaudière d’une centrale. Le scanner qui vérifie les soudures venant d’être exécutées doit se contenter de tout juste 12 millimètres. «C’est un aspect classique de nos exigences», explique Viktor Klein, responsable des ventes chez GE Inspection Robotics. «Chaque opération de contrôle est unique, qu’elle s’opère entre les pales d’une turbine à gaz, dans l’espace réduit situé entre le stator immobile et les composants rotatifs d’un générateur de courant ou sur les parois extérieures de grands réservoirs.»


Depuis 2006, l’entreprise commune d'Alstom et de l’EPF de Zurich développe et produit des robots ultraspécialisés qui contrôlent de façon fiable et surtout efficace la présence de dommages sur les tuyaux, réservoirs, turbines et générateurs dans les centrales et pour l’extraction de pétrole et de gaz. Avec son haut niveau de spécialisation et ses petites quantités, cette entreprise à croissance rapide est caractéristique de nombreuses entreprises industrielles suisses. Pour elles, les technologies déterminantes sont celles qui leur permettent de parvenir à des solutions sur mesure correspondant au maximum à leurs besoins.



Une différence qui semble insignifiante

Le principal élément grâce à laquelle la technique sensorielle du «Circular Palm Scanner» s’encastre avec précision entre les tuyaux étroitement alignés est une patte en acier insignifiante au premier regard. Elle permet de fixer sur le tuyau l’unité de mesure et les capteurs de position de sorte que la soudure puisse être analysée de façon reproductible. La seule chose qui attire l’œil sur cette patte, c’est sa surface qui semble légèrement rugueuse.


«C’est une caractéristique des pièces métalliques imprimées», telle est la surprenante explication de Stanko Bajunovic, qui dirige la production des scanners et robots au Technopark de Zurich. GE Inspection Robotics fait ainsi partie des premières entreprises suisses à fabriquer des composants en plastique avec des procédés additifs mais aussi à imprimer des pièces métalliques critiques. Un laser ou un faisceau d’électrons fond alors le moule couche après couche à partir d’une fine poudre métallique. Cette construction par couche est visible sur la structure de la surface.



Toutes les géométries sont possibles

Les trois grands avantages de cette impression? D’abord, elle permet de réaliser des pièces individuelles et des petites séries à une vitesse imbattable, car il n’est pas nécessaire de fabriquer d’outils. Ensuite, les restrictions géométriques liées aux techniques traditionnelles de fonderie ou de fraisage n’ont plus lieu d’être. Des structures à parois très minces, des contre-dépouilles et des cavités peuvent ainsi être exécutées sur une seule pièce. Enfin, le design peut être adapté en permanence aux nouvelles exigences sans faire grimper les coûts de production. L’individualisation ne se limite donc plus à certains paramètres.



1/7 L’impression 3D permet de produire directement à partir des données de construction. Cela économise beaucoup de temps et également beaucoup d’argent, pour les pièces individuelles et les petites séries. La nécessaire et laborieuse fabrication de moules pour une coulée n’a plus lieu d’être.

2/7 Avec le cadre imprimé, la technique sensorielle du scanner Palm peut être fixée sous une forme extrêmement plate sur les tuyaux d’une chaudière. Il est aussi possible de concevoir et d’imprimer aisément une nouvelle patte pour d’autres diamètres de tuyaux. L’augmentation des coûts de production est alors négligeable.

3/7 Les robots et scanners de contrôle d’Alstom Inspection Robotics sont assemblés un par un dans le Technopark de Zurich et révisés après intervention. «Si cela n’était pas compliqué, nous ne produirions guère nos robots en Suisse», explique Stanko Bajunovic, responsable de la production.

4/7 Le développement et la fabrication des robots de contrôle exigent une compétence technique maximum, tant en matière d’ingénierie que de production. Les moindres détails font la différence et les adaptations individuelles doivent être exécutées avec la plus grande précision.

5/7 Avant utilisation, les systèmes sont vérifiés sous toutes leurs coutures. Ici, le calibrage d’un capteur sensoriel par caméra. Il fait partie d’un robot ultraplat qui, à l’aide d’une technique par choc latéral dans un interstice étroit situé entre le stator et les composants rotatifs d’un générateur, détecte les dommages matériels.

6/7 Dans leur propre laboratoire, les ingénieurs testent de nouvelles fonctionnalités et de nouveaux designs. Sur et à l’intérieur de reproductions de chaudières, systèmes de conduites ou composants de turbines et de générateurs – en partie également imprimés – on optimise la mobilité et les mesures.

7/7 Pour que les systèmes fonctionnent de façon fiable et robuste sur le terrain, une précision maximum est de mise. Avant d’être montées dans un robot, les cartes électroniques développées en mains propres sont soumises à un contrôle de qualité.

1/7 L’impression 3D permet de produire directement à partir des données de construction. Cela économise beaucoup de temps et également beaucoup d’argent, pour les pièces individuelles et les petites séries. La nécessaire et laborieuse fabrication de moules pour une coulée n’a plus lieu d’être.


Parce qu’ils permettent de fabriquer des produits sur mesure par simple pression de bouton directement à partir des données de conception, les procédés additifs figurent, en plus de l’Internet des objets, parmi les technologies clés pour la numérisation systématique de l’industrie. Au terme de l’évolution de l’industrie 4.0, on trouve – cerise sur le gâteau – la production de masse pour des lots d’un seul exemplaire: chaque client obtient une version individuelle du produit, imprimée sur demande pour lui. Ce n’est encore qu’une vision. Pour certains composants, cette impression est toutefois rentable dès aujourd’hui.


Productif en quelques jours

«Dans notre situation, une coulée ou un fraisage reviendrait nettement plus cher», constate S. Bajunovic. La patte présente une épaisseur d’un millimètre seulement et se compose de plusieurs éléments. Le fraisage de pièces si fines ne fonctionnerait guère du premier coup. De plus, avec le procédé additif, les constructeurs doivent respecter beaucoup moins de conditions marginales et peuvent ainsi se concentrer totalement sur le design optimal. Pour S. Bajunovic, c’est néanmoins la vitesse qui est primordiale: «Nous développons nos produits en continu avec nos clients. Avec l’impression, nous pouvons utiliser des composants adaptés et nouveaux de façon productive en quelques jours seulement.»


Résultat: des robots et des scanners adaptés sur mesure à chaque opération de contrôle. Cela fait aussi gagner beaucoup d’argent. «Chaque jour d’arrêt de la centrale signifie une perte de production de près d’un million de dollars», calcule V. Klein. «Nos appareils réduisent les durées d’inspection de 50% et plus.» Pour le contrôle des soudures sur les tuyaux des ballons, on devait autrefois passer chaque soudure aux rayons X. En raison du rayonnement, toute la zone devait être évacuée et le résultat n’était disponible que le lendemain, après développement des films. «Du fait de sa forte reproductibilité, le Circular Palm Scanner affiche la même précision que les mesures par ultrasons que nous pouvons réaliser directement après le travail du soudeur», précise V. Klein. 


De l’obturateur aux pâtes

Pour Matthias Baldinger, cofondateur d’Additively.com, GE Inspection Robotics est un parfait exemple de la manière dont les fabricants suisses peuvent mieux se démarquer à l’aide des procédés additifs. Avec sa plate-forme basée sur l’Internet, M. Baldinger jette un pont entre les entreprises industrielles et le nombre croissant de prestataires d’impression 3D: «Chaque plastique et chaque métal ont besoin d’une machine spécialisée. Rares sont les entreprises pour lesquelles il est rentable d’en faire l’acquisition. Nous aidons les entreprises à trouver le fournisseur adapté pour chaque tâche.» Aujourd’hui, plus de 300 prestataires sont enregistrés chez Additively.com et de nouveaux viennent s’ajouter chaque semaine.


La demande croît elle aussi à une allure vertigineuse, comme le souligne M. Baldinger: «Il y a trois ans, nous devions encore expliquer de façon détaillée aux responsables ce qu’étaient exactement les procédés additifs. Aujourd’hui, nous discutons souvent rapidement de projets concrets.» Les activités évoluent de plus en plus en direction des produits de clients individuels: le fabricant d’appareils photo haut de gamme Alpa imprime ainsi d’ores et déjà des obturateurs qui s’accordent à la perfection à la géométrie de la lentille de l’appareil photo respectif, le fabricant d’appareils de laboratoire Tecan imprime des blocs de lavage adaptés aux analyses individuelles pour un système de pipettes ou des entreprises de technique médicale impriment des implants spécifiques aux patients.


Dans les groupes industriels traditionnels comme Bühler, on se penche toutefois aussi sérieusement sur les nouvelles possibilités. Le fabricant de technologies de production en denrées alimentaires n’envisage pas seulement des composants pour ses propres installations, il évalue également les opportunités qu’il peut offrir à ses clients, de sorte qu’un fabricant de pâtes soit par exemple en mesure d’imprimer des formes individuelles.


Au seuil de la production de masse

M. Baldinger est en effet convaincu que le champ d’application est amené à considérablement s’élargir à l’avenir: «Les technologies évoluent rapidement, ce qui fait baisser les prix.» L’entreprise de conseil Roland Berger Strategy Consultants prévoit que les coûts unitaires soient ramenés à un tiers durant ces prochaines années. L’entrée sur le marché des grands constructeurs de machines-outils allemands Trumpf, Aarburg ou DMG Mori devrait y contribuer. De plus, HP, le spécialiste des imprimantes et des PC, a annoncé pour 2016 une nouvelle technologie qui est censée être nettement meilleure et plus rapide.


«L’impression 3D modifie non seulement les produits, mais aussi la chaîne d’approvisionnement.»



Le fabricant de moteurs d’avions GE Aviation devrait lui aussi endosser un grand rôle dans le développement rapide de cette technologie. Dans une usine d’injecteurs de moteurs, les Américains s’appuieront en effet sur une impression 3D sur métal pour une production en masse. Dès cette année, quelque 4000 injecteurs devraient être fabriqués par procédé additif. D’ici à cinq ans, on prévoit une augmentation à 100’000 pièces. Comme dans le cas de GE Inspection Robotics, l’avantage engrangé compense largement les frais d’investissements élevés. Un tiers plus légers, les injecteurs imprimés économisent du carburant durant le vol. De plus, la géométrie optimisée des injecteurs fabriqués d’une seule pièce au lieu des 20 éléments améliore considérablement la performance.


HP fournit depuis peu, sous le nom «Jet Fusion», des imprimantes 3D utilisant une technologie innovante à base de «voxels», travaillant bien plus rapidement et permettant de produire des pièces aux cotes plus précises et offrant une meilleure stabilité mécanique.


Le constructeur de moteurs d’avions GE Aviation a également une part importante dans le perfectionnement rapide de cette technologie. Les Américains préparent en effet pour la production de masse l’impression 3D en métal avec une usine pour les gicleurs d’injection de moteur. Il est prévu de fabriquer 100 000 pièces par an jusqu’en 2020. De la même manière que dans le cas de GE Inspection Robotics, les avantages compenseront largement le coût élevé des investissements. Le poids du gicleur imprimé diminue d’un tiers, ce qui permet de réduire d’autant la consommation de carburant en vol. Par ailleurs, la géométrie optimisée des gicleurs usinés en une seule pièce au lieu de 20 pièces individuelles améliore considérablement les performances de l’injection.


De plus, le groupe mise dans son ensemble sur l’impression 3D: en septembre 2016, General Electric a repris deux entreprises travaillant dans le domaine de l’impression 3D, en Suède et en Allemagne, pour un montant global de 1,4 milliards de dollars et prévoit de développer à l’horizon 2020 une activité d’impression 3D avec un chiffre d’affaires de l’ordre du milliard.


L’ingénierie prend les commandes

«L’impression 3D transformera les produits ainsi que la Supply Chain», souligne Baldinger. «La fabrication et les ventes seront associées plus étroitement à l’ingénierie et les clients s’impliqueront plus fortement dans le développement des produits.» Cette revalorisation de l’ingénierie va dans le sens des qualités inhérentes aux constructeurs suisses. Ceci est d’autant plus vrai que les nouvelles possibilités permettent de faire pencher la balance des coûts vers la valeur ajoutée, comme le montre clairement l’exemple de GE Inspection Robotics. Les procédés additifs constituent ainsi une réponse à l’un des défis majeurs pour la Suisse comme lieu d’implantation.


De la maquette à la production additive

L’impression 3D est utilisée depuis longtemps déjà dans l’industrie pour la fabrication rapide de maquettes et prototypes. Les constructions conçues à l’aide de programmes de CAO sont alors réalisées couche après couche par une imprimante à matière plastique. Les procédés additifs font désormais passer ce Rapid Prototyping au niveau de qualité requis en termes de tolérances, d’homogénéité et de solidité pour la production.


Trois techniques d’impression différentes sont utilisées en fonction du matériau. C’est le plastique qui bénéficie de la plus large palette. Il peut être assemblé par diverses méthodes de polymérisation, par collage ou par différentes procédures de fusion. La céramique peut être collée ou frittée au laser. De même, les pièces métalliques sont créées par la fonte sélective d’une fine couche de poudre métallique au moyen d’un laser ou de faisceaux d’électrons, dans un lit de poudre métallique. La précision de l’impression métallique est actuellement de l’ordre de 0,02 millimètre et la taille maximum des pièces imprimées correspond à un dé d’une longueur d’arête de 60 centimètres. La densité allant jusqu’à 99,9% et les propriétés d’usinage correspondent à celles des pièces soudées.


Dans tous les procédés additifs, le principal facteur de coûts se situe dans la durée d’impression. Chaque accélération de la technologie se répercute donc directement sur le prix. Le grand avantage réside dans la variété considérablement accrue des géométries possibles. Une boucle de ceinture de siège fabriquée par procédé additif en titane est ainsi 55% plus légère. Dans l’Airbus 380, cela permet de réduire le poids total de 72,5 kilos. Sur toute la durée de vie de l’avion, on économise ainsi près de 2 millions de francs.






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