La fabrication additive, tout le monde en parle, mais trop peu sont ceux qui l'adoptent. C'est pour apporter sa pierre à l'édifice et mieux faire connaître le procédé que la société REPMO a organisé en mars des journées portes ouvertes centrées sur cette thématique.

Quand en 2015, Guilhem Gravier, Directeur Général de la société REPMO, décide d'ajouter un constructeur de machines de fabrication additive métallique à ses partenaires constructeurs de machines-outils traditionnelles, la technologie ne faisait pas l'actualité comme aujourd'hui, en particulier en France. Un certain nombre de constructeurs étaient déjà présent sur ce marché prometteur mais il n'était pas aisé de deviner quels seraient les futurs leaders de la branche.

Lors de la signature du contrat de distribution (vente, services et formation) sur le marché français, le fabricant allemand Concept Laser figurait parmi les sociétés les plus dynamiques dans le domaine de la fabrication de machines utilisant la technologie fusion laser sur lit de poudre. Le premier prototype date de 1998 et la première machine fut commercialisée en 2001. Une accélération brutale a eu lieu en octobre 2016 lorsque GE se porta acquéreur de 75% des actions de Concept Laser GmbH avec la possibilité d'en acquérir le solde dans les années à venir. Comme l'a rappelé Frank Herzog, fondateur de Concept Laser, « GE partage notre vision en ce qui concerne le potentiel de la fabrication additive pour mener la transformation digitale de l'industrie. » Il est vrai que GE mène une politique extrêmement active depuis 2004 dans la direction de la fabrication additive, date de la fabrication de sa première pièce aéronautique produite avec cette technologie, et a poussé à l'utilisation de cette technologie dans ses différentes divisions.

Guilhem Gravier se félicite aujourd'hui d'autant plus de cette collaboration qui garantit le positionnement de Concept Laser dans le peloton de tête du secteur.

Concept Laser dispose aujourd'hui d'une gamme étendue qui va des machines compactes Mlab avec un volume de travail réduit (cube d'environ 50 mm d'arête) et une grande précision grâce à des spots laser de l'ordre de 50µ qui intéresseront par exemple le monde du dentaire ou de la joaillerie jusqu'aux machines X Line offrant un très grand volume de travail (800 x 400 x 500 mm) avec des lasers plus puissants pour doper la productivité. Ces deux extrêmes offrent respectivement une précision de 5 centièmes et d'un dixième.

La France en retard

La fabrication additive suscite l'intérêt des industriels français mais le rythme d'adoption de cette nouvelle technologie est bien plus lent que pour les industries mécaniques allemandes. C'est pour cette raison que la société REPMO a organisé des journées portes-ouvertes sur cette thématique au mois de mars. Leur but : faire tomber les éventuelles idées préconçues en permettant aux visiteurs de poser toutes les questions nécessaires à faire disparaître les barrières actuelles.

La fabrication additive offre de belles perspectives, à condition d'en connaître les contraintes et les obligations. En amont, le tamisage de la poudre, la présence d'un gaz (azote ou argon) qui est nécessaire pour obtenir une atmosphère contrôlée et en aval le traitement thermique destiné à libérer les contraintes de la matière. Avec le procédé de fusion laser les pièces sont positionnées sur des supports et doivent donc être séparées de ces derniers via une scie ou à la découpe fil. Des étapes de parachèvement peuvent ensuite être nécessaires comme le polissage, la tribofinition ou l'usinage.

Pour la partie logicielle, le fichier est soit issu d'une CAO, soit d'un scan 3D, par exemple dans le domaine du dentaire ou pour reconstruire une pièce dont les plans CAO n'existent pas. Un logiciel adapté permettra de placer les pièces et d'orienter les supports en fonction de la géométrie des pièces et de la machine utilisée. Dernière étape, le logiciel de la machine génère le programme final en optimisant les paramètres tels que la puissance laser, la vitesse de balayage ou celle de refroidissement.

Le contrôle de process installé sur les machines Concept Laser assure que les paramètres de fabrication sont conformes aux prévisions : qualité de la poudre, mise en couche homogène, constance de la puissance laser, etc. Si le contrôle des pièces se fait généralement par tomographie, Concept Laser a développé deux modules optionnels de contrôle de process qui en réduisent la nécessité : le premier vérifie la mise en couche pour anticiper un éventuel manque de poudre avant fusion et le cas échéant demander à la machine d'en remettre tandis que le second surveille le bain de fusion via un système de détection optique dans le chemin du laser. « Ce module, qui a été primé plusieurs fois, va mesurer la surface du bain de fusion et mesurer l'intensité liée à la radiation thermique. Une cartographie 3D de la pièce est générée et permet de détecter les zones éventuellement en sur-fusion ou sous-fusion qui peuvent être le signe d'une porosité, d'un défaut matière. Ce module apporte une connaissance supplémentaire du procédé » précise Pierre Leite, Responsable Fabrication Additive chez REPMO. Cependant, dans les faits, ce sont principalement les fabricants de pièces critiques qui choisissent ces options.

Dernier frein, et non des moindres à l'adoption de la fabrication additive, la sécurité de l'opérateur. Deux risques sont connus : la présence d'oxygène dans l'enceinte de la machine avec des risques d'explosion et la poudre extrêmement fine potentiellement source de problèmes respiratoires et qui peut également pénétrer par les pores de la peau. Le premier risque est contrôlé par l'utilisation d'un gaz neutre dès la phase de tamisage qui récupère la poudre d'un contenant qui utilise le même gaz. Pour l'opérateur, Concept Laser a séparé le process en plusieurs étapes afin d'éviter que l'opérateur ne soit en contact avec la poudre : par exemple lorsque l'opérateur place le plateau de production, aucune poudre, ni gaz neutre ne sont présents. Une fois la phase de fusion réalisée, l'opérateur chasse la poudre en excès de l'extérieur de l'enceinte de construction, dans une boite à gants, et celle-ci rejoint le container hermétique. Enfin, il ne lui reste plus qu'à extraire le plateau avec les pièces de la machine, en essuyant l'infime quantité de poudre résiduelle dense avec un chiffon humide. Le port d'EPI est néanmoins préconisé pendant cette phase.

Aujourd'hui, « les principaux secteurs utilisateurs de fabrication additive disposent de poudres métalliques adaptées à leurs besoins : par exemple, inox 316L ou 17-4 PH, superalliages base nickel, aluminium et titane pour l'aéronautique, métaux précieux (bronze, or, argent, platine) pour la joaillerie, matériaux bio-compatibles pour le médical (chrome-cobalt, titane) ou encore métaux durs comme l'acier maraging pour les moulistes » se félicite Pierre Leite.

Au-delà de la présence des poudres, une des questions récurrentes concerne la fiabilité des pièces issues de la fabrication additive, et leurs propriétés par rapport à une pièce usinée.

Pierre Leite cite l'exemple de l'alliage de titane TA6V pour lesquelles les propriétés du matériau sont meilleures avec la fabrication additive qu'avec une pièce usinée à partir d'un brut de fonderie : une résistance de 1100 et 1300 Mpa en FA contre 700 et 900 Mpa pour l'usinage, une limite élastique de 900 à 1200 en FA contre 790. Ces résultats s'expliquent par la particularité de la fusion laser utilisée en FA : la fusion se fait point par point qui permet un refroidissement très rapide qui favorise une microstructure avec des grains très fins et une métallographie à des phases hautes températures qui amène des propriétés plus intéressantes. Si la liberté de conception des formes de pièces est prioritairement mise en avant pour justifier l'adoption de la fabrication additive, les avantages au niveau de la propriété des matériaux sont également à prendre en compte.

Patte de fixation TA6V par usinage traditionnel (gauche) et par fabrication additive (droite), réduction du poids de 370g à 222g

L'aéronautique à la pointe

Ce n'est pas un hasard si l'aéronautique est à la pointe de l'utilisation de la fabrication additive alors que les contraintes réglementaires auquel le secteur doit se soumettre sont extrêmement fortes. Les besoins correspondent aux avantages de la technologie : des pièces très techniques, une optimisation topologique qui concoure à la fois à la réduction du poids et au buy to fly ratio, des volumes de production adaptés à une fabrication sans outillage et une réactivité très appréciée. Gagner du temps sur la réalisation des prototypes fait partie des obligations des avionneurs et l'adoption de la fabrication additive a permis de réduire chez certains d'entre eux le cycle de R&D de 10 mois à un mois et demi.

L'injecteur des moteurs LEAP développé par GE Aviation est à ce titre révélateur : anciennement constitué de 20 pièces usinées, puis assemblées, il est aujourd'hui réalisé en un seul morceau. Outre les gains de poids, cette nouvelle version de l'injecteur a également simplifié les procédures dans l'entreprise puisque l'on passe de l'usinage de 20 références de pièces à une.

Autre exemple, cette fois issu d'Airbus : les pattes de fixations en TA6V qui dans leur version usinée pesaient 370 grammes ont vu leur poids réduit d'environ 40% par optimisation topologique pour passer à 222 grammes. Et ceci en renforçant la pièce puisque la matière est déposée en fonction des besoins réels : la rigidité a augmenté de 30%.

Le médical convaincu

Autre secteur très réglementé, « le secteur médical a été très motivé par la possibilité de fabriquer des pièces en titane poreux qui offre l'énorme avantage de favoriser l'accroche des tissus organiques sur l'implant » constate Pierre Leite. En outre, il peut également être intéressant de combiner dans une même pièce une partie dense à l'intérieur avec une surface poreuse à l'extérieur, ce qui ne pose aucun problème de fragilité étant donné qu'il s'agit de la même matière dans les deux cas. Le fabricant d'outils médicaux et d'implants Stryker a par exemple développé une gamme utilisant les avantages du titane poreux et a constaté une repousse des tissus organiques plus rapide qu'avec des matériaux concurrents. Le médecin et son patient peuvent ainsi être rassurés en avance par rapport aux résultats d'une intervention.

Le dentaire n'est pas en reste, même s'il ne s'agit pas ici de produire des pièces de formes différentes des procédés classiques. Par contre, la fabrication additive a sa carte à jouer à deux niveaux : d'une part sur l'économie matière par rapport à l'usinage où environ 90% de la matière d'origine finit en copeaux et d'autre part sur la possibilité de la fabrication additive de travailler facilement 24h sur 24. Il devient ainsi très intéressant de rapatrier une production qui se faisait à l'étranger.

La joaillerie séduite

La joaillerie est également un secteur qui peut bénéficier de la fabrication additive, en particulier pour la production de pièces ouvragées de précision. Dans ce secteur, peut-être encore plus que dans d'autres, il n'est pas toujours aisé de concilier la vision du créateur et les impératifs de production. De plus, l'obtention traditionnelle de pièces fondues n'est pas forcément aisée avec les métaux précieux et les professionnels rencontrent des problèmes de porosité qui ont des implications ultérieures, notamment sur les pièces d'aspect. La mise au rebut d'une pièce non satisfaisante a un coût non négligeable lorsqu'il s'agit d'or ou de platine.

Les machines de la gamme Mlab, avec leur faible volume de travail capable par exemple de produire jusqu'à 3 bagues et leur grande précision, offre un autre avantage aux joailliers : les quantités de poudre nécessaires à l'alimentation des machines sont aussi plus mesurées et n'immobilisent pas des sommes extravagantes.

Moules et outillages optimisés

Les moulistes sont très sensibles à la liberté offerte par la fabrication additive pour le positionnement et la géométrie des circuits de refroidissement. L'usinage par des moyens classiques des canaux de refroidissement est une procédure longue et complexe, sans même parler des impossibilités techniques. Avec la fabrication additive, de nombreuses combinaisons sont possibles avec des canaux qui passent au plus près des parois, des canaux en spirale ou des réseaux qui montent en parallèle. Le placement optimisé des canaux de refroidissement a un impact immédiat sur les temps de cycle des industriels de l'injection plastique de l'ordre de 20 à 30%, de même que sur la qualité des pièces fabriquées.

Production d'une fraise avec refroidissement en spirale par fabrication additive : augmentation de la durée de vie, simplification de la fabrication, possibilité de concevoir des fraises de plus petite taille

Autre exemple, dans le domaine de l'outillage, Mapal a pu optimiser une gamme de forets de 13 à 32 mm avec arrosage intégré obtenu via un perçage droit. La présence d'un système d'arrosage pour les forets d'un diamètre inférieur à 13 mm fragilise l'outil. « Avec la fabrication additive, comme on est plus obligé de percer droit ou rond, les canaux optimisés ont une forme triangulaire qui va épouser parfaitement la forme de l'hélice » souligne Pierre Leite. Grâce à cette alternative, Mapal est descendu au diamètre 9. Cet exemple montre aussi le potentiel d'une fabrication hybride puisque la base de l'outil a été usinée puis placée sur le plateau de la machine de fabrication additive pour réaliser la partie complexe de l'outil. Ce choix a été rendu possible car les deux parties sont réalisées à partir de la même matière et que la base de l'outil dispose d'une surface plane.

Ces journées très didactiques et illustrées d'exemples variés ont attiré un public nombreux et curieux. Espérons que les multiples initiatives comme celles de REPMO, des centres de recherche, les présentations dans des salons ou encore les articles de la presse spécialisée achèveront de convaincre les industriels français des bienfaits que la fabrication additive peut apporter à notre industrie.