Couche après couche – Construire avec une imprimante 3D

Couche après couche – Construire avec une imprimante 3D

Couche après couche – Construire avec une imprimante 3D 616 533 Sébastien BAGES

Avec l’impression 3D, les fabricants peuvent faire des produits existants plus efficacement — même ce qui était impossible auparavant.


Les pièces de moteurs à réaction doivent résister aux turbulences et à la température, tout en étant légères pour économiser le combustible. C’est complexe et coûteux à réaliser : les techniciens de General Electric (GE) soudent ensemble jusqu’à 20 pièces de métal pour réaliser un profil qui mélange efficacement le combustible et l’air dans l’injecteur. Mais pour le nouveau moteur qui sortira l’an prochain, GE croit qu’il y a une meilleure solution pour réaliser ses injecteurs : en les imprimant.

Pour ce faire, un laser dessine une coupe transversale de l’injecteur sur une surface de poudre de cobalt-chrome. La poudre est solidifiée après fusion. La tranche ultra-fine ainsi découpée est déposée au-dessus des autres : l’injecteur est ainsi réalisé. Cela promet d’être moins cher que les méthodes industrielles traditionnelles et la pièce devrait être plus légère — donc meilleure. “Les premières pièces seront réalisées pour des moteurs à réaction”, indique Prabhjot Singh, qui dirige un laboratoire à GE, s’attachant à améliorer et mettre en application ce processus, similaire à l’impression 3D. Mais, ajoute-t’il, “il n’y a pas un jour sans que nous n’entendions qu’une autre division de GE ne soit également intéressée par cette technologie”.

Ces innovations sont à l’avant-garde d’un changement radical dans la technologie de fabrication qui est particulièrement intéressante dans des applications avancées comme l’aérospatiale et de voitures. Les techniques d’impression 3D ne vont pas seulement être plus efficaces pour produire des pièces existantes, elles permettront également de produire des choses qui n’étaient pas encore concevables — comme des pièces avec des formes optimisées pour réduire le poids sans sacrifier la résistance. Contrairement à l’usinage, qui peut gâcher jusqu’à 90% de matière, l’impression 3D ne laisse pratiquement aucun déchet — un avantage énorme avec des métaux coûteux, comme le titane. La technologie pourrait aussi réduire le besoin de garder des pièces en stock, parce qu’il est aussi facile d’en imprimer une — ou une version améliorée — 10 ans après que la première n’ait été réalisée. Un fabricant automobile prenant connaissance d’un défaut dans un mécanisme de ceinture de sécurité pourrait avoir une version reconfigurée dans sa filière de vente en quelques jours.

La fabrication additive – autre nom pour ce type d’impression 3D – a émergé dans le milieu des années 1980 après que Charles Hull ait inventé ce qu’il a appelé la stéréolithographie, dans laquelle la couche supérieure d’une surface de résine est durcie par un laser ultraviolet. Des méthodes différentes pour l’imprimerie 3D sont devenues populaires parmi les ingénieurs qui veulent créer des prototypes ou réaliser quelques pièces : ils peuvent en faire un modèle 3D sur un système de CAO puis l’imprimer quelques heures plus tard. Encore une fois, tout cela évite les surcoûts de lancement et d’étude, ainsi que les contraintes d’une fabrication en série, comme le moulage par injection, la fonte, et l’estampage.

Mais la technologie a été adaptée à seulement un ensemble limité du matériaux et il y a eu de sérieuses questions à propos du contrôle de qualité. Construire des pièces de cette façon est également lent — cela peut prendre une journée ou plus, au lieu de minutes ou d’heures pour une technique traditionnelle. Pour ces raisons, l’impression 3D n’a pas été utilisée pour la production de très grandes séries de pièces. Mais maintenant, la technologie est assez mûre pour ce type de production, dans des niches de marchés tels que les appareils médicaux. On est quasiment certains de pouvoir aborder des applications plus lourdes dans les prochaines années. “Nous sommes arrivés au point où suffisamment d’avancées critiques ont été réalisées pour rendre cette technologie utilisable dans la réalisation de produits finis” dit Tim Gornet, qui dirige le Centre de Prototypage Rapide à l’Université de Louisville.

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Cette photo montre une matrice de composantes de moteur à réaction en métal imprimées à GE. Credit: Bob O’Connor

 

Des percées dans le domaine

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour «imprimer» un objet solide tranche par tranche. Dans le procédé de frittage laser (sintering), une couche fine de poudre métallique ou de thermoplastique est exposée à un laser ou un faisceau d’électrons qui solidifie la matière dans des zones désignées ; une nouvelle couche de poudre est alors déposée sur le haut et le processus est répété. Les pièces peuvent également être fabriquées avec du plastique fondu ou en métal extrudé, ou encore envoyé par un jet qui se déplace pour créer la forme d’une couche, après laquelle une autre lui est superposée, etc.. Dans une autre méthode d’impression 3D, de la colle est utilisée pour lier des poudres.

Les compagnies aérospatiales sont au premier rang pour adopter cette technologie, car les avions ont souvent besoin de pièces à géométries complexes à cause des exigences de l’écoulement d’air et du refroidissant de compartiments clos. Environ 20,000 pièces réalisées par laser volent déjà dans les avions militaires et commerciaux fabriqués par Boeing, y compris 32 différents composants de son 787 Dreamliner, selon Terry Wohlers, un conseiller industriel qui se spécialise en processus additifs. Ce ne sont pas des pièces issues de la production de masse ; Boeing pourrait en faire quelques centaines d’entre elles en une année. Elles ne sont pas non plus critiques pour le vol ; parmi elles se trouvent des conduits de ventilation nécessaires au refroidissement, qui auparavant devaient être fabriquées en plusieurs parties. “Maintenant, nous pouvons optimiser la conception de ces pièces pour réduire leur poids et nous économisons de la matière et du travail.” dit Mike Vander Wel, le directeur du groupe de stratégie et de technologie industrielle de Boeing. “En théorie, c’est la méthode industrielle ultime pour nous.” Bien que la lenteur de l’impression 3D empêchent toujours de produire la majorité des pièces de Boeing”, dit Vander Wel, “cette approche sera probablement utilisée dans une proportion croissante”.

Le principal rival de Boeing, EADS, utilise cette technologie pour produire les pièces en titane des satellites, et espère l’utiliser pour des pièces qu’elle fabrique en plus gros volume pour les avions Airbus. “Nous ne savons pas encore dans quelle proportion la technique de superposition de couches sera utilisée, mais nous ne voyons pas de raisons pour que cela cesse.” dit Jon Meyer, qui est à la tête de la recherche sur l’impression 3D à la division de l’Innovation d’EADS en Angleterre.


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Une microimprimante que GE utilise pour évaluer de nouvelles façons d’utiliser les matériaux céramiques. Les chercheurs utilisent la machine pour imprimer les transducteurs utilisés comme sondes dans les machines à ultrasons ; ils croient qu’on pourrait gagner du temps et l’argent en améliorant leur design.

 
La division des moteurs à réaction de GE est sans doute la plus proche de toutes, dans l’utilisation de l’impression 3D et sa production commerciale à grande échelle. En plus de l’injecteur de combustible, GE utilise également le laser-sintering sur du titane dans les surfaces complexes réclamées par les lames bombées de quatre pieds de long sur l’avant de ses réacteurs. Ces bandes détournent des débris et créent un écoulement d’air plus efficace. Jusqu’à présent, chacune d’elles exigeait des dizaines d’heures de forge et d’usinage, entraînant un gaspillage de 50% du titane. En passant à l’impression 3D, la compagnie économisera environ $25,000 dans le travail et la matière première pour chaque moteur, selon les estimations de Todd Rockstroh, l’ingénieur conseil GE qui mène cet effort. Le bord de lame et l’injecteur du combustible apparaîtront dans les moteurs dès 2013 et seront intégrés par milliers dès 2016 dans les chaînes de production de grande envergure.

Pendant ce temps, dit Rockstroh, la compagnie espère gagner en flexibilité de conception par l’utilisation de l’impression 3D pour davantage de pièces. Quand il a récemment découvert qu’un pied dans l’injecteur de combustible était sujet à des contraintes thermiques excessives, une version redessinée est sortie de l’imprimante en une semaine. “Auparavant, nous aurions dû reconcevoir 20 différentes pièces, avec tout l’outillage associé”, dit Rockstroh. “Cela n’aurait même pas pu être possible.” L’utilisation de l’impression 3D pour diminuer l’épaisseur de quelques pièces a pu réduire leur poids de 70%, ce qui permet à une compagnie aérienne d’économiser des millions de litres de combustible chaque année. Cette perspective a poussé GE à tout imprimer, depuis le carter de la boîte de vitesses aux mécanismes de contrôle. “Nous nous lançons dans une sauvage chasse à l’allègement de poids pour ces prochaines années.” dit Rockstroh.

Les voitures pourraient également profiter de pièces plus légères et l’Université du Gornet de Louisville note que l’impression 3D pourrait diminuer de 50% le poids des valves, pistons et injecteurs d’alimentation. Certains fabricants de voitures de luxe ou sportives, dont Bentley et BMW, utilisent déjà l’impression 3D pour des pièces produites par centaines.

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Poli : un transducteur fabriqué à l’aide de la micro-imprimante (plus haut) et le même transducteur après avoir été raffiné et fini sur d’autres machines (en bas).
Credit: Bob O’Connor

 

Les défis à remporter

Sans les restrictions de la technologie, l’impression 3D serait déjà bien plus souvent utilisée. “Les vitesses sont atrocement lentes en ce moment”, dit Todd Grimm, de GE Singh. Todd Grimm, qui est à la tête d’un cabinet-conseil industriel à Edgewood (Kentucky), estime que le temps qu’il faut pour produire une pièce devra être divisé par 100 si l’impression 3D veut rivaliser avec les techniques industrielles conventionnelles dans la plupart des applications. Cela n’arrivera pas avant quelques années.

Un autre problème : pour l’instant, seule une poignée de matières plastiques et de métaux peuvent être utilisés pour l’impression 3D. Dans le laser-sintering, par exemple, la matière doit être en mesure de former une poudre qui fondra avec précision quand elle sera frappée par un laser, et vite se solidifier ensuite. Les composants qui réunissent les critères nécessaires peuvent coûter de 50 à 100 fois plus cher au poids que les produits de base utilisés en fabrication conventionnelle, en partie parce qu’ils sont si peu demandés qu’ils ne sont disponibles que chez de petits fournisseurs spécialisés.

Comme la demande augmente avec les nouvelles applications, la compétition entre fournisseurs devrait radicalement faire baisser les prix. Et la liste de matériels disponibles se développe lentement. GE essaie d’utiliser la céramique, qui ouvrirait de nouvelles possibilités dans le domaine des moteurs et des appareils médicaux, entre autres.

L’expérience, tout simplement, fera beaucoup aussi pour améliorer la technologie. Pour l’instant, les fabricants n’ont pas assez de données pour prédire exactement comment une pièce se fabriquera et comment elle résistera, ou comment des variables de production — la température, le choix du matériau, la forme de la pièce et le temps de refroidissement — affectent les résultats. Cela peut être frustrant, dit Singh : “l’impression 3D finit souvent par devenir de la magie noire. Une partie est faite de milliers de couches et chacune d’elle est une source potentielle d’échec. Nous ne comprenons pas toujours pourquoi une pièce sort légèrement différente d’une machine ou d’une autre, ou même sur la même machine un autre jour.” Par exemple, le processus d’empilement a tendance à accumuler des tensions d’une couche à l’autre de façon imprévisible, de sorte que quelques pièces sont tordues. La porosité peut également varier à l’intérieur des pièces, causant des inquiétudes quant à leur fatigue ou leur friabilité. Cela pourrait être un gros problème dans des moteurs d’avion ou des montants d’aile.

“Nous savons comment rendre les métaux suffisamment résistants”, dit Vander Wel, de Boeing. “Mais nous nous inquiétons de ce qui est imprévisible. Pouvons-nous répéter une impression et recevoir 100 pièces exactement identiques ? Nous n’en sommes pas encore sûrs.”

Même avec ces défis, “le temps joue en faveur de l’impression 3D”, dit Vander Wel “et aussi parce que les processus s’améliorent”. Les ingénieurs rechignent naturellement à utiliser une nouvelle technologie pour les pièces critiques, quand leurs délais, leur réputation, sans mentionner la vie des gens dans les avions, sont en jeu. “Mais de plus jeunes créateurs s’adaptent plus vite”, dit-il. “Ils ne sont pas si prompts à dire, «cela ne peut être construit de cette façon».”


Traduit de l’article original de TechnologyReview, par Serge G. et Sébastien B.
Crédit image À-la-Une : GE a produit le composant d’un moteur d’avion à gauche en utilisant un laser pour fondre du métal dans des endroits précis, en commençant par la couche simple vue à droite. Crédit : Bob O’Connor

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Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

Un commentaire
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    Antoine Dubois 28 mars 2012 à 15h19

    Je suis impressioné par le développement fulgurant en cours des impressions 3D. A une échelle plus petite, on peut égalment fabriquer des avions sans pilote (en modélisme) grâce à l’appui de ces machines. Incroyable.

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