Évolution de la Fabrication Additive

Le marché et les besoins de la société ont profondément modifié le paradigme de fabrication des produits (Figure 5). Ils ont également modifié nos modes de consommation,

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soutenus par de nouveaux moyens de communication et de distribution. La personnalisation des produits a déclenché une production de masse pour répondre au désir de l’utilisateur avec un délai d’acquisition réduit. Aujourd’hui, la fabrication additive semble apparaitre comme la réponse à la personnalisation de masse et plus encore à la production personnalisée.

Figure 5. Les moteurs de nouveaux paradigmes sont le marché et les besoins de la société «La révolution mondiale de la fabrication» (Koren, 2010)

Selon le rapport Wohler de 2014, les imprimantes 3D grand public sont classées dans la catégorie des imprimantes dont le coût est inférieur à 5 000 dollars (Wohlers and Caffrey, 2013). L'Université Cornell et l'Université de Bath ont conçu les premières imprimantes 3D personnalisées open sources avec la Fab@home et la RepRap en 2005 (Malone and Lipson, 2007; Sells et al., 2010). Les imprimantes 3D d’entrée de gamme sont principalement basées sur la technologie FDM, mais plus récemment, des machines dérivées de la Stéréolithographie (SLA) sont arrivées sur le marché en raison de l’expiration de certains brevets. Il est généralement démontré que les machines à faible coût ont des performances inférieures. Par exemple, la technologie grand public FDM induit des déformations de pièces (Es-Said et al., 2000) ainsi qu’un choix limité de matériaux thermoplastiques. À l’inverse, une imprimante professionnelle FDM coûte entre 10 000 et 300 000 dollars. Les systèmes basés sur la fusion laser ou le faisceau d'électrons

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peuvent coûter entre 300 000 et 1 million de dollars (“3D Printer Landscape”, n.d.). Ces machines sont généralement très performantes mais leur coût reste élevé. Les sociétés qui vendent des imprimantes 3D professionnelles sont 3D Systems (qui a acheté ZCorporation en 2011), Stratasys (qui a acquis Objet en 2013), Hewlett Packard, AddUp, Prodways, Markforged, Desktop Metal, Solido LTD, Voxeljet et ExOne, etc. La fabrication des machines de production et leur implantation sont en forte augmentation depuis une vingtaine d’années (Figure 6).

Figure 6. Évolution du nombre de machines industrielles de fabrication additive vendues (Wohlers et al., 2016)

Chaque technologie de Fabrication Additive a des contraintes liées à la technologie d'impression, au matériau utilisé et aux fonctions attendues (esthétique, mécanique, utilisation…). Les domaines d’intérêt qui utilisent l’impression 3D pour fabriquer des pièces sont l’aéronautique, l’architecture, l’industrie automobile, l’art, la dentisterie, la mode, l’alimentation, la bijouterie, la médecine, la pharmacie, la robotique et l’industrie des jouets (Bourell et al., 2009). Les technologies de fabrication additive sont devenues incontournables dans de nombreux secteurs industriels et jouent également un rôle important dans l’industrie 4.0.

Le rapport de fin d’année du cabinet américain SmarTech Publishing annonce 9,3 milliards de dollars de recettes pour le marché de la fabrication additive en 2019 (SmarTech Markets, 2019). À titre de comparaison, elles étaient de 4,1 milliards en 2014. Ce chiffre, qui couvre le matériel, les logiciels, les matériaux et les services, représente une augmentation de 18 % par apport à 2017. En 2019, le marché de l’impression 3D a dépassé

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la barre symbolique des 10 milliards pour atteindre les 11,2 milliards de dollars. Dans son nouveau rapport intitulé « 2019 Additive Manufacturing Market Outlook and Summary of Opportunities », le cabinet SmarTech, qui est considéré comme une autorité fiable dans l’observation de la fabrication additive dans le monde, présente un résumé et une prévision de l’ensemble de l’industrie de la fabrication additive de 2014 à 2027 (Figure 7).

Figure 7. Examen du marché de la fabrication additive de 2014 à 2027 (SmarTech Markets, 2019)

Il est primordial pour de nombreux secteurs d’activité, comme l’aéronautique, l’automobile, le ferroviaire ou le médical, de maitriser le comportement physique des pièces produites par impression 3D pour leur qualification dans un cadre d’utilisation extrêmement exigeant (Lasi et al., 2014; Petrovic et al., 2011). Les constructeurs automobiles exploitent cette technologie pour développer les nouveaux produits plus rapidement sur le marché. Les entreprises aérospatiales s'intéressent à ces technologies en raison de leur capacité à réaliser des produits très complexes de hautes performances. L'intégration de fonctionnalités mécaniques, la diminution des assemblages et la création de fonctionnalités internes (telles que des canaux de refroidissement (Pelaingre et al., 2003), des structures internes en nid d'abeille, ou une nouvelle structure obtenue par optimisation topologique (Schneider et al., 2013), etc.) se combinent pour créer des structures mécaniques plus légères (Figure 8).

Les industries médicales s'intéressent également à la fabrication additive en raison de la facilité avec laquelle les données d'imagerie médicale 3D peuvent être converties en objets physiques. De cette façon, les dispositifs peuvent être personnalisés pour répondre aux

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besoins d'un patient spécifique (Campbell et al., 2012). Ainsi, chaque technologie de FA présente des avantages et des inconvénients associés à des applications bien spécifiques de personnalisation, d’allègement de structure, et de conception de pièces complexes. Dans cette dynamique, de nouvelles normes ont été définies par l’International Organization for Standardization (ISO) ² afin de qualifier les méthodes et le cadre de fabrication :

- ISO 17296-2:2015 : Additive manufacturing - General principles - Part 2: Overview of process categories and feedstock. Elle décrit les principes de base du processus de FA avec les processus existants et les différents types de matériaux utilisés.

- ISO 17296-3:2014 : Additive manufacturing - General principles - Part 3: Main characteristics and corresponding test methods. Elle couvre les principales exigences appliquées avec les principales caractéristiques de qualité des pièces, les procédures appropriées et les recommandations.

- ISO/ASTM 52910:2018 : Additive manufacturing -- Design -- Requirements, guidelines and recommendations. Il est en cours de développement depuis 2015 et rassemblera les bonnes pratiques de conception afin d’obtenir un produit fiable.

Figure 8. Exemples de pièces industrielles pour l'aéronautique, le spatial et le naval (Édito, Région Occitanie / Pyrénées-Méditerranée).