Autant le souligner d’emblée : la réalité de l’impression 3D industrielle a peu à voir avec la révolution vantée il y a une dizaine d’années. Porteuse de nombreuses promesses – et de fantasmes – qui ont accompagné l’essor de l’industrie 4.0, la fabrication additive est bien loin d’avoir supplanté les procédés traditionnels dans les usines.
« Il y a eu beaucoup d’évolutions ces dernières années, notamment avec le développement des applications métal, mais à l’échelle mondiale, le volume de pièces produites demeure faible », relève Céline Razat, experte en fabrication additive. Si cette technologie est couramment sollicitée en R & D, en particulier pour le prototypage rapide, le basculement vers la production est plus lent qu’escompté. L’usinage, la fonderie et l’injection des plastiques ont encore de beaux jours en perspective.
Mais ce constat ne doit pas masquer la dynamique engagée. Selon une étude de Smartech parue en 2019, le marché mondial de la fabrication additive devrait progresser de 21 % par an d’ici à 2027, passant de 14 milliards de dollars (13 milliards d’euros) à 41 milliards de dollars (38 milliards d’euros).
1,5 milliard de dollars en 2019 pour des pièces finies
Surtout, le dernier rapport de Wohlers, publié fin mars, révèle une forte progression des dépenses des industriels pour l’impression de pièces finies et fonctionnelles. Celles-ci ont bondi de 116 % en quatre ans, s’élevant à 1,5 milliard de dollars en 2019 (1,39 milliard d’euros), contre 693 millions de dollars (641 millions d’euros) en 2016. L’impression 3D a bel et bien franchi le cap de la production.
« Depuis 2017, les attentes des industriels se sont précisées, explique Jérôme Julien, le responsable de la transformation digitale industrielle chez Segula Technologies. Après une phase de R & D sur les technologies de fabrication additive, pour évaluer leur potentiel, les usines sont passées à l’identification de cas d’usage où l’additif pourrait être pertinent. L’objectif est de l’intégrer aux chaînes de production, au côté des procédés traditionnels. »
Le coût de l'impression 3D métal, principal frein
Une adoption très variable selon les secteurs. Car loin de l’imprimante de bureau popularisée par les fablabs, l’impression 3D industrielle nécessite un lourd investissement qui doit être mûrement réfléchi. « Le coût est le principal frein au développement du procédé ! », lance Jean-Daniel Penot, le responsable de la fabrication additive au Campus d’enseignement supérieur et de formation professionnelle. « Environ 50 % du coût d’une pièce métallique imprimée est lié à l’amortissement de la machine. Il est difficile de rivaliser avec les procédés traditionnels sur cet aspect. »
Un avis partagé par Louis-Romain Joly, le directeur de la recherche et de l’innovation à la SNCF : « On estime qu’avec le procédé de fusion laser sur lit de poudre métal (SLM), le kilo de matière transformé représente environ 1 000 euros. Sachant qu’en sortie d’usine, le coût de production d’une voiture est évalué à 7 euros le kilo, cela met l’impression 3D hors jeu, en tout cas dans sa forme actuelle. »
Dégager la valeur ajoutée sur toute la chaîne additive
Les polymères utilisés pour la réalisation de pièces industrielles, comme les polyamides ou encore le polyétheréthercétone (Peek), aux propriétés mécaniques intéressantes, sont également onéreux et les faibles cadences des machines renchérissent les coûts de production. L’équation économique est parfois difficile à trouver.
« Basculer une pièce dont le design a été optimisé pour l’usinage ou la fonderie vers la fabrication additive n’a aucun sens, remarque Alain Bernard, le vice-président de l’Association française du prototypage rapide (AFPR) et professeur à l’École centrale de Nantes. Les industriels ont pris conscience que la fabrication additive, à elle seule, ne génère pas suffisamment de valeur pour justifier son usage. La valeur ajoutée est la condition sine qua non. Cette valeur peut être trouvée à chaque maillon de la chaîne de production en additif, du design de la pièce jusqu’à son post-traitement. »
Viser un besoin fort non satisfait par les procédés traditionnels
Le choix de l’application s’avère donc crucial et obéit à différentes exigences : des designs complexes avec moins de matière pour l’aérospatial, des pièces sur mesure pour le médical, une solution aux problèmes logistiques pour le ferroviaire… « L’additif trouve sa place lorsqu’un secteur exprime un besoin fort et que les procédés traditionnels ont montré leurs limites, résume Luc Aixala, responsable programme au CEA. Apporter une réponse à ces deux critères permet de générer suffisamment de valeur ajoutée pour rendre l’impression économiquement viable. »
Reste que les machines doivent gagner en robustesse pour faciliter la transition. Car si les principes de certaines technologies, comme le SLM, pour le métal, le dépôt de fil fondu (FDM), ou encore le frittage de polymères (SLS), sont bien connus pour avoir été utilisés dans le prototypage rapide, les équipements peuvent encore s’améliorer en matière de cadence, de dimension mais aussi de répétabilité.
Des machines complexes qui gagnent en maturité
« La plupart des machines ont tout juste des caractéristiques industrielles, pointe Sylvain Belz de Dassault Aviation. Par exemple, pour la fusion métal sur lit de poudre, sur une échelle de maturité allant de 1 à 10, je placerais les équipements actuels à 7. Ce sont des machines très sophistiquées, mais compliquées à mettre au point. Contrairement à une machine d’usinage qui ne gère qu’un principe mécanique, les imprimantes SLM doivent coordonner parfaitement des principes mécanique, optique et thermique. Et si l’un d’entre eux est défaillant, c’est le plateau entier qu’il faut jeter, soit plusieurs dizaines d’heures de production. »
Les progrès sont cependant rapides dans ce domaine, avec des constructeurs comme AddUp, EOS ou HP, travaillant avec les industriels pour leur permettre de passer le cap de l’industrialisation. En outre, les cadences sont tirées vers le haut grâce à l’apparition de machines incorporant plusieurs lasers, pour la fusion sur lit de poudre, ou encore des plateaux d’impression de plus en plus grands, permettant d’imprimer davantage de pièces simultanément. Des évolutions qui améliorent la rentabilité du procédé.
Au début de l'ère industrielle
D’autres procédés de fabrication additive se développent face à des enjeux spécifiques [voir infographie ci-contre]. Les industriels se penchent ainsi sur la fusion de fil métallique par arc-fil (Waam) pour produire des pièces de grandes dimensions qui pourraient servir d’éléments de structure. L’impression métallique par projection de liant est étudiée de près car elle est « low cost » et offre des cadences de production plus élevées que les procédés de fusion.
« S’il y a eu de nombreux rêves sur la fabrication additive, nous sommes désormais dans le concret. Nous sommes au tout début de l’ère industrielle », résume Alain Bernard. De nouvelles promesses, donc, mais qui ont cette fois de solides arguments pour être tenues.
