Sous cette désignation globale, la fabrication additive comprend tous les procédés de fabrication qui recourt à des maquettes en trois dimensions, des échantillons, des prototypes, des outils ou des produits finis fabriqués au moyen d’un ajout de matière par addition de couches successives. Tandis que les matériaux sont liquides, solides ou sous forme de poudre selon l’application et le produit, le processus de construction se base toujours sur des modèles de données générés par ordinateur, communément appelées fichiers CAO. La fabrication par couches ne requiert aucun outil spécifique ni forme préalablement usinée. La fabrication additive est donc une variante des processus classiques soustractifs, donc d’usinage, comme le perçage, le fraisage ou le tournage. Aux côtés des procédés de fabrication soustractifs et par mise en forme, avec lesquels le produit est fabriqué à l’aide d’empreintes, les procédés de fabrication additive comptent parmi les trois piliers de la technique de fabrication.

Outre le modèle de l’industrie 4.0, les procédés de fabrication additive et l’impression 3D se présentent comme des impulsions porteuses d’avenir pour l’ensemble du secteur industriel, voire au-delà. Une rentabilité augmentée, une personnalisation et une individualisation, des produits de conception légère et des possibilités de formes encore jamais vues sont quelques-unes des caractéristiques des procédés de fabrication additive. Ces dernières représentent l’industrialisation et la professionnalisation d’une nouvelle manière de penser en matière de construction et de production et dépendent de composants fiables et précis, comme le sont les réducteurs de la série FHA-C Mini ou CanisDrive® de Harmonic Drive AG. 

Les procédés de fabrication additive ou la technique de superposition de couches 

Avant que le processus répétitif d’addition de couches, en général très minces (0,001 mm), ne démarre, un ensemble de données CAO en trois dimensions est créé comme base pour la construction. Il correspond à l’objet à produire et est habituellement réalisé à l’aide d’un logiciel CAO 3D ou par numérisation d’objets déjà existants. L’objet tridimensionnel est ensuite divisé en plusieurs niveaux d’épaisseurs égales. Outre l’épaisseur des couches, l’ensemble de données contient également la dimension et la numérotation de chaque niveau.

Le procédé de fabrication additif est constitué essentiellement de deux étapes. Il s’agit premièrement de produire une couche selon les informations contenues dans l’ensemble des données, indépendamment du matériau et du choix du procédé de fabrication additive. La deuxième étape consiste à lier la couche existante avec la couche produite ; se forme ainsi un niveau qui servira de base pour la couche supplémentaire suivante. Ces chaînes de processus s’appliquent certes à différents types de procédés, toutefois le type et la manière de produire les couches comme la méthode utilisée pour lier les niveaux diffèrent.

Classification des procédés de fabrication additive

Depuis l’invention du premier procédé de fabrication additive, il y a de cela plus de 30 ans, le nombre des procédés génératifs similaires a augmenté de manière constante. Pour différencier ces variantes et modifications, il est possible de répartir ces procédés par catégories au moyen des matériaux utilisés. Les procédés se déclinent communément en procédés par fusion sur lit de poudre, par extrusion de matière et par photopolymérisation en cuve et autres procédés de fabrication par couche.

Le procédé de fabrication à partir d’un matériau liquide appartient à la stéréolithographie, qui consiste à faire durcir une résine au moyen d’un laser UV. La fabrication par stéréolithographie peut nécessiter de recourir à des structures porteuses ; celles-ci permettent de réaliser des pièces dotées de cavités et de saillies.

Comme procédé par extrusion de matière, l’on trouve le FDM (pour Fused Deposition Modeling), également connu sous le nom de dépôt de fil fondu. Dans ce cas, un dispositif doté d’une buse chauffante se déplace, selon le modèle de construction, de manière libre dans l’espace. L’extrudeuse dépose de minces fils plastiques qui durcissent immédiatement. La technique du Fused Deposition Modeling est un procédé de fabrication additive moins onéreux que les autres procédés et qui est souvent employé pour confectionner des prototypes. Les utilisateurs doivent s’attendre à un résultat d’une grande imprécision.

Parmi les procédés par fusion sur lit de poudre, l’on compte le frittage sélectif par laser. Ce processus repose sur l’utilisation d’un matériau de base en poudre qui est durci au moyen d’un rayon laser passant à la surface de la pièce. Les produits fabriqués par frittage sélectif par laser sont considérés comme extrêmement légers, résistant à la chaleur et aux contraintes mécaniques.  Selon la machine, le procédé et le domaine d’application, différents matériaux de base sont utilisés comme le plastique et les poudres, les pâtes céramiques, les métaux, le sable pour moulage, mais aussi le papier. Le matériau est choisi selon les propriétés souhaitées pour le produit. Les caractéristiques telles que la solidité et la résistance aux chocs, la résistance aux températures extrêmes et la stabilité de forme, mais aussi l’optique et la biocompatibilité peuvent être modifiées au moyen du matériau.

Les exigences en matière de procédés de fabrication additive avec métal sont particulièrement élevées d’un point de vue de la précision extrême des applications de couches successives qu’ils requièrent. Pour l’entraînement de l’axe Z, des actuateurs linéaires performants et compacts dotés d’une broche intégrée sont une excellente solution.

Les procédés de fabrication additive en bref

  • Fusion sur lit de poudre (tel que le frittage sélectif par laser)
  • L’extrusion de matière (telle que le FDM ou Contour Crafting)
  • La photopolymérisation en cuve (telle que la stéréolithographie)
  • Autres procédés (comme la sérigraphie 3D)

Les options et avantages de la fabrication additive

Le développement croissant et l’utilisation de plus en plus démocratisée des procédés de fabrication additive dans les différentes branches de l’industrie reposent sur le grand nombre de propriétés et d’avantages de cette technique de fabrication. Ce qui auparavant se présentait un potentiel majeur pour la construction des prototypes est aujourd’hui visible dans un bon nombre d’applications en série. Les secteurs dans lesquels de très petites quantités sont fréquentes et qui impliquent des coûts élevés de développement bénéficient de cette propriété, car les procédés de fabrication additive permettent non seulement de produire des pièces et des composants de manière peu coûteuse, mais aussi de les fabriquer rapidement. Les pionniers dans ce domaine sont les applications de la technique médicale et de l’aéronautique et de l’astronautique.

Les procédés de fabrication additive ont en outre comme caractéristique d’offrir la possibilité de produire des objets et des produits individuels, sans avoir à entreprendre des ajustements ou des modifications sur la machine ou de même devoir la changer. Ils permettent dans le même temps un processus de fabrication où la fabrication suit la construction pour ainsi offrir une grande liberté créatrice. Lorsque les procédés de fabrication additive viennent compléter les méthodes de fabrication traditionnelles, cela représente un grand potentiel et favorise l’utilisation de processus de fabrication hybrides qui conjuguent les divers avantages des différents procédés. Les procédés de fabrication additive se montrent également avantageux — dans le domaine industriel principalement — au regard de leur rentabilité, de l’optimisation des coûts des cycles de vie, des coûts de production, mais aussi du point de vue de la numérisation de la chaîne de processus.

Il convient aussi de souligner que les procédés de fabrication additive contribuent à économiser les ressources et à une certaine durabilité. Et puisqu’ils permettent de produire en fonction de la demande et même de produire sur site, il en résulte une diminution des coûts de production, de la surproduction et des trajets et des temps de transport.

Les procédés de fabrication additive dans l'industrie

En raison de la multiplicité des machines de fabrication additive et des différences en matière de complexité et de connaissances, le procédé est aussi bien utilisé chez les particuliers que dans le domaine de l’industrie.

Les secteurs dans lesquels les procédés de fabrication additive sont répandus, et en conséquence bien développés, sont notamment l’aéronautique et l’astronautique, la technique médicale et l’industrie automobile. Ces procédés permettent entre autres de mettre en œuvre des constructions légères qui ont pour but d’offrir un gain maximal en termes de poids et une efficience d’un point de vue des matières premières, d’énergie et des coûts. En technique médicale, ce sont essentiellement les laboratoires dentaires qui bénéficient des possibilités d’individualisation qu’offrent les procédés de fabrication additive, car aucune prothèse dentaire ne ressemble à une autre, et elles nécessitent donc toujours d’être adaptées. Par ailleurs, la fabrication additive permet d’intégrer de nouvelles fonctionnalités aux pièces ; cette caractéristique profite particulièrement aux secteurs de la construction de moules et de l’aéronautique et l’astronautique. 

Les imprimantes 3D pour le particuliers 

Depuis quelques années, les procédés de fabrication additive et en particulier les imprimantes 3D connaissent un succès croissant chez les particuliers. Leur utilisation se résume en règle générale à imprimer des objets souvent simples tels que des figurines ou des pièces dures, notamment grâce à la simplicité d’utilisation des appareils. Bien que les procédés de fabrication additive et leur utilisation requièrent une certaine compétence technique, les fichiers CAO prêts à l’emploi et les notices d’utilisation permettent aux utilisateurs même novices d’utiliser ces imprimantes chez eux.

Avec les progrès à venir et le développement continu des procédés de fabrication additive, ceux-ci devraient continuer de se démocratiser chez les particuliers. On peut très bien imaginer qu’avec l’achat de produits, des fichiers CAO seront fournis pour permettre d’imprimer des pièces de rechange. Les imprimantes 3D et autres appareils similaires apportent alors un avantage pratique pour les particuliers. 

 

Synonymes

Additive Manufacturing