L'imprimante 3D Evolution du groupe Alchimies n'ayant pu faire le déplacement, c'est sa petite soeur, Optimus, qui a été exposée lors du salon Global Industrie, qui s'est tenu du 25 au 28 mars à Paris Nord Villepinte. Toutes deux font partie d'une gamme de machines d'impression 3D XXL par dépôt de filament plastique fondu (FDM), et bientôt métallique, qu'Alchimies développe avec Bosch Rexroth.
Optimus affiche déjà un volume d'impression conséquent, atteignant le mètre cube (de 600mm x 600mm x 600mm à 1m x 1m x 1m). Mais Evolution, installée chez le fabricant R3D depuis fin 2023 à Barlin, dans les Hauts-de-France, va bien plus loin avec un volume d'impression de 8 mètres cubes et plus (soit 2m x 2m x 2m avec possibilité d'extension) !
Cette machine se présente comme une véritable « révolution » sur le marché restreint des imprimantes 3D de très grande taille. Modulaire en fonction des besoins en capacité d'impression, elle est capable de produire des pièces multi-matériaux, principalement des plastiques thermodurcissables avec un débit de 100 kg de matière par jour. Elle vise la réalisation de prototypes, moules et pièces, notamment pour les secteurs de l'automobile, du ferroviaire ou encore de l'art urbain.
Pour mettre au point cette nouvelle gamme d'imprimantes XXL, Alchimies a dû relever des défis liés à la mécanique de la machine. « La maîtrise du procédé d'impression FDM est acquise par Alchimies depuis le début de son déploiement sur de petites imprimantes, destinées au prototypage ou à la fabrication de pièces de taille moyenne. Cependant, le besoin émergent d'impression XXL implique la mise en œuvre de machines de grande envergure, nécessitant ainsi une attention particulière aux vibrations, à la matière à extruder, à la vitesse, aux températures et aux degrés de précision », commente Alain Skiba, président du groupe Alchimies.
Un premier défi de la précision
« La particularité de l'impression 3D réside dans le fait que cette précision doit être maintenue sur les trois axes x, y et z, et ce, sur l'intégralité du trajet, d’un point A à un point B, contrairement aux déplacements rapides en usinage et en robotique où la précision n'est requise qu'au point de départ et au point d'arrivée, note Nicolas Queste, expert commande numérique chez Bosch Rexroth. La grande difficulté réside dans le maintien de cette précision, au micron près, tout au long du parcours, car toute irrégularité pourrait altérer le dépôt de matériau, entraînant des incohérences sur la pièce. »
Confronté au défi principal que représente la précision dans le domaine de l'impression 3D XXL, Alchimies a sollicité l'expertise de Bosch Rexroth. Le premier obstacle surmonté par les équipes est d’ordre mécanique. « Le principal critère influant se joue dans la partie d'extrusion. Dans les imprimantes classiques, la tête est gérée par des modules à courroie ou avec des vis à bille. Cette transmission mécanique traditionnelle engendre des jeux. Pour maintenir une impression précise, ces jeux doivent être compensés, sinon ils influenceront le dépôt de matériau, provoquant des irrégularités et dépassant les niveaux de tolérance », ajoute Nicolas Queste.
Alchimies s’est ainsi doté des solutions de contrôle de mouvement de Bosch Rexroth qui reposent sur l'utilisation de moteurs linéaires et d'une plateforme de commande numérique. « Avec les moteurs linéaires, on s'affranchit des courroies, des vis à bille, ce qui permet à la machine d'avoir une précision au 100e de millimètre, avec des très hautes vitesses dépassant les 500 mm par seconde. »
Adapter la planéité du plateau d’impression
Un second obstacle surmonté au cours de ce développement concerne le plateau d'impression. « Pour supporter la pression exercée par la pièce, nous avons un plateau de deux mètres sur deux. Cependant, sur une grande surface métallique de cette ampleur, il subsiste toujours des défauts de planéité, même minimes, entraînant une non-uniformité dans le processus d'impression », explique l’expert commande numérique.
Pour y remédier, les partenaires ont mis au point un algorithme destiné à compenser en temps réel ces imperfections, afin d'obtenir des surfaces de pièces uniformes et de pallier tout défaut induit par le plateau d'impression. « Dans un premier temps, nous effectuons une cartographie précise du plateau à l'aide d'un palpeur monté sur la tête d'extrusion. Des centaines de points sont ainsi sondés, révélant les disparités et les écarts de planéité », décrit-il.
Pour illustrer ce processus, lors de l'impression, si la tête d'extrusion se trouve à un niveau légèrement inférieur à celui prévu, elle s'ajustera automatiquement pour compenser, et ce, en temps réel. Ainsi, les défauts de planéité du plateau sont corrigés grâce à cette cartographie. « C'est là que réside l'intelligence de la machine, car l'ensemble de ce processus est géré automatiquement », vante Nicolas Queste.
De l’impression plastique à l’extrusion métallique
À l'heure actuelle, les premières machines XXL d'Alchimies opèrent par extrusion de PETG, polyéthylène téréphtalate glycolisé, sous forme de filament. Ces machines peuvent également fonctionner avec des matériaux plastiques sous forme de granulés. « Nous allons utiliser des granulés issus de déchets plastiques, c’est un développement nécessaire notamment lorsque nous travaillons sur de grandes dimensions nécessitant une quantité substantielle de matière », souligne-t-il.
Le deuxième axe de développement porte sur l’impression métallique, « un point clé dans le domaine de l'impression 3D XXL ». Alchimies envisage la conception d'une machine capable de parcourir jusqu'à dix mètres sur un axe Y, transversal, et vingt mètres sur l'axe Z, vertical, avec une extension quasiment illimitée dans la dimension longitudinale. « Nous voulons concevoir des machines capables d'imprimer des pièces de train ou même des composants d’aviation d'une envergure allant jusqu'à plusieurs mètres de longueur », laisse entendre Alain Skiba. Une perspective qui suscite déjà l'intérêt des acteurs de l'industrie aéronautique.
Des verrous techniques à anticiper
Avant de satisfaire d'éventuelles exigences provenant des secteurs de l'aviation ou du ferroviaire, Alchimies doit d’abord adapter ses machines pour permettre l'extrusion de filament métallique. « Cette technique nécessite d'incorporer une tête de soudure dans la section d'impression. Il s'agit de faire fondre du métal et d'imprimer progressivement un cordon de soudure qui sera ensuite refroidi », rappelle Nicolas Queste.
Le groupe possédant déjà une expertise dans l'impression 3D métallique sur des machines de petite taille, les développements prévus porteront donc « principalement sur la vérification des alliages métalliques, afin de déterminer leur compatibilité avec notre processus ».
Vers une multiplication des têtes d’extrusion
Un autre développement en cours chez Alchimies concerne l'évolution de la tête d'impression. Plutôt que de se limiter à une seule tête d'impression, le groupe envisage d'introduire deux, trois, jusqu'à une dizaine de têtes d'impression capables de fonctionner soit de manière synchronisée, en imprimant simultanément, soit de manière totalement indépendante pour réaliser des structures différentes au sein de la pièce, ou encore en miroir.
Pourquoi adopter cette approche ? « Dans quelques années, si nous disposons d'une machine de 100 mètres de long, il est évident qu'avec une seule tête d'impression, la fabrication pourrait prendre plusieurs jours, voire des mois. En revanche, si nous parvenons à équiper cette machine de plusieurs têtes d'impression ayant chacune une zone d'impression de deux mètres, et si toutes ces têtes peuvent travailler simultanément sur une même pièce, cela permettrait de travailler en parallèle, pointe Nicolas Queste. Prenons l'exemple de la fabrication d'une aile d'avion : nous pourrions installer une dizaine de têtes d'extrusion travaillant de concert sur une même pièce. »
La seule entrave potentielle à ce projet réside dans « la capacité de calcul des contrôleurs d'axe de notre commande numérique, étant donné qu'il y aura potentiellement des milliers d'axes à gérer », anticipe-t-il. Les partenaires ont tout de même envisagé des solutions à cet égard. « Nous pourrions, par exemple, mettre en place deux commandes numériques fonctionnant en parallèle, chacune gérant un nombre d'axes déterminé et communiquant entre elles. Ce sont des considérations sur lesquelles nous avons déjà sérieusement réfléchi », conclut-il. Des développements qui devraient permettre au groupe Alchimies de se positionner sur ce marché émergent de l’impression métallique grand format.
