Une liberté de design absolue pour réaliser des pièces allégées, avec de la matière seulement là où c’est nécessaire. Avec la possibilité d’ajouter des fonctions, de réparer et de personnaliser des pièces... Les promesses de la fabrication additive métallique ont suscité un bel enthousiasme dans l’industrie. Qui s’est traduit par une floraison de technologies – plus de 50 ! – et une vague massive de tentatives d’adoption par les industriels. Mais si les pièces métalliques présentées chaque année au salon Formnext suscitent l’admiration, voire la stupéfaction, notamment par leurs dimensions, la magie s’arrête là.
Le constat s’impose : le nombre de pièces fonctionnelles produites par fabrication additive métallique reste très faible. « Dans l’aéronautique, alors que la fusion laser sur lit de poudre [LPBF, le procédé le plus mature, ndlr] existe depuis plus de vingt ans, il y a toujours très peu, voire pas, de pièces critiques embarquées dans les avions. Et le marché des pièces moins critiques n’est pas aussi important qu’estimé initialement », précise Didier Boisselier, le responsable des programmes de fabrication additive à l’Irepa Laser. Les chiffres sont sans équivoque : en 2023, la fabrication additive métallique ne représentait que 0,01 % de l’industrie manufacturière.
L’engouement pour cette famille de procédés est aujourd’hui retombé. « La mode du LPBF », comme l’appelle Jean-Daniel Penot, le responsable du département recherche et innovation au Cesi, est passée. Et pour cause, témoigne Maxime Fayolle, le responsable d’activités en fabrication additive au Cetim : « De nombreux industriels ont investi dans cette technologie et s’y sont cassé les dents. Maintenant, ils avancent de manière plus prudente en se faisant accompagner. »
Parfois présentée comme destinée à remplacer les procédés de fabrication classiques, la fabrication additive métallique s’est heurtée à la réalité. « L’important dans l’industrie est la répétabilité, la normalisation. Tout cela est en train d’être mis en place pour cette technologie. Cela entraîne d’ailleurs un ralentissement des ventes de machines, car les industriels sont aujourd’hui équipés », analyse Henri de Chassey, le responsable du pôle d’impression 3D chez Faiveley Wabtec. C’est la fin de la période d’essai pour la fabrication additive métallique. À l’exploration des possibilités succèdent la démonstration de sa robustesse, sa standardisation et son intégration dans l’industrie.
Première pièce pour le nucléaire
Malgré ses avantages, la fabrication additive métallique nécessite d’investir dans des machines au coût élevé, avec une faible cadence de production. Autant dire qu’elle a du mal à percer dans le secteur automobile, où les pièces sortent en grande série. L’équation est différente pour les secteurs à forte valeur ajoutée, comme le spatial, où les gains en poids et en performance rentabilisent le procédé. De même, dans le luxe : « Le coût a moins d’importance, et surtout les besoins en contrôle et en qualification sont bien moins exigeants que dans le secteur automobile », explique Didier Boisselier. De son côté, le nucléaire vient de qualifier sa toute première pièce imprimée en fabrication additive métallique. Produite par AM3L, elle est constituée de métamatériaux métalliques et sert à protéger les colis de déchets nucléaires en cas de chute. « Il existe des métamatériaux réalisés par fonderie, mais il y a des problématiques de résolution. Nous avons donc développé toute l’architecture sur la base de calculs, de simulations et nous les avons imprimés en LPBF », précise Hicham Maskrot, le président d’AM3L.
AM3L Développé par AM3L grâce à l’impression 3D métal, ce métamatériau amortit les chocs pour les colis de déchets nucléaires.
D’autres secteurs, y compris à forte valeur ajoutée, ont recours à la fabrication additive pour gagner en performance. Naval Group, historiquement spécialisé dans la soudure, développe un talon de quille qui sera fabriqué en Waam (fabrication additive par arc-fil), un procédé de dépôt sous énergie concentrée. « C’est une pièce chargée mécaniquement qui aura une complexité géométrique très importante. On cherche ici la compétitivité, sur des unités habituellement réalisées en chaudronnerie », explique Patrice Vinot, le responsable R&D matériaux et procédés de Naval Group. Ce leader européen met tout en place pour en exploiter les avantages le plus largement possible. « Nous avons fini la R&D sur le Waam cupro-aluminium et procédé, en novembre, au transfert industriel de la technologie. Ce sera la même chose l’année prochaine avec l’Inox 316L. Quand on reçoit une demande de pièce en cupro-aluminium, cela ne passe plus par la R&D, c’est industrialisé », détaille Patrice Vinot.
Selon lui, « les enjeux du transfert industriel des procédés de fabrication additive et de la finalisation des référentiels sont, d’une part, de donner confiance aux clients – internes ou externes – en garantissant des performances matériaux grâce à un procédé maîtrisé de bout en bout. Et, d’autre part, de rendre ceux-ci compétitifs en leur offrant un cadre industriel comme n’importe quel procédé conventionnel où toute la qualification n’est pas à refaire à chaque nouveau cas d’usage. » Pour le moment, Naval Group embarque très peu de pièces produites en LPBF ou en Waam sur les navires, et aucune n’est produite en série. Il développe d’autres applications axées sur le gain de performance, via la LPBF.
C’est aussi le cas de l’équipementier ferroviaire Wabtec, qui a conçu une pièce de pantographe. Il s’agit ici de trouver de la valeur en remplaçant plusieurs pièces par une seule, plus légère, et de résoudre un défaut de membrane, limitant les risques d’immobilisation – très coûteuse – des trains. Dès 2026, Wabtec va produire cette pièce par LPBF en petite série (500 unités). Mais pour l’équipementier, l’essentiel du marché de la fabrication additive métallique vient de l’obsolescence des pièces détachées. « Les clients veulent ces pièces en quantité réduite. La fonderie n’est alors plus compétitive. Parfois, les moules n’existent plus ou le fournisseur a disparu, pointe Henri de Chassey. Ces pièces sont produites à 95 % en LPBF. »
Wabtec La fabrication additive métallique est une solution compétitive lorsque les moules n’existent plus, ce qui était le cas pour cette pièce de moteur de train.
Stockage numérique des pièces
Le déstockage est aussi un cas d’usage : SNCF Voyageurs a en permanence près de 1 milliard d’euros de pièces stockées. Mais cette immobilisation est onéreuse : « Ces coûts font que l’on repaie la pièce tous les quatre ans », précise Philippe Feraud, son référent fabrication additive. La filiale du groupe SNCF veut développer un stockage numérique des pièces, qui consiste en la conservation de leurs instructions de fabrication en digital, la fabrication additive permettant d’en obtenir au besoin.
Les efforts des industriels pour intégrer les procédés additifs à leur catalogue devraient déboucher sur une accélération de pièces imprimées en 3D dès cette année. C’est ce que vise Naval Group : « Une mission pour 2025 est de les démultiplier en faisant la promotion de la maturité de la technologie de la fabrication additive métallique auprès de nos bureaux d’études et de nos programmes », expose Patrice Vinot. Une tendance que l’on retrouve aussi chez SNCF Voyageurs : « Nous avons fait en sorte de pousser des pièces de fabrication additive dans les nouveaux projets », assure Philippe Feraud. Il restera cependant à la compagnie ferroviaire à surmonter un obstacle majeur : « Il n’y a que 10 % des pièces de trains dont les fichiers 3D sont disponibles. Il y a un gros travail de digitalisation à faire », prévient Henri de Chassey.
Les futurs progrès des technologies de fabrication additive métallique devraient accélérer leur diffusion. L’augmentation quasi continue du nombre de lasers et de la taille des chambres de production améliore la productivité des procédés LPBF et la dimension des pièces fabriquées. Pour le DED (direct energy deposition), l’usage de plusieurs fils et de l’intelligence artificielle, comme y travaille la start-up française Amfree, accroît la productivité et facilite la prise en main des machines par les utilisateurs. Les procédés de frittage comme le metal binder jetting (MBJ) font l’objet de développements, pour mieux simuler la rétractation des pièces après un frittage, et pour robotiser le dépoudrage, aujourd’hui réalisé à la main. Si le DED et le MBJ ont un « TRL entre 7 et 8, précise Jean-Daniel Penot, contre plutôt 9 pour la LPBF », de nombreux procédés très prometteurs doivent démontrer leur robustesse, comme le cold spray pour la fabrication de très grandes pièces ou l’impression de métal à l’état solide. Pour faire émerger de nouveaux cas d’usage, et véritablement transformer l’essai.
La machine de la deeptech Amfree s’appuie sur la technologie DED laser multifils pour améliorer la productivité et imprimer des pièces de grande dimension.
"La robustesse et la résilience des outils de fabrication additive ne sont pas encore assez exploitées"
Jean-Daniel Penot, responsable du département recherche et innovation au Cesi
Dans quelles applications industrielles la fabrication additive métallique a-t-elle réussi à percer ?
Historiquement, dans le prototypage et l’outillage, grâce à ses avantages spécifiques, car l’impression 3D permet très bien de réaliser de petites séries ou des pièces uniques, sans qu’il soit nécessaire de refabriquer un moule ou une matrice d’estampage de forge. Avec la fabrication additive métallique, on obtient tout de suite la géométrie désirée : chacun a pu constater pendant le Covid à quel point c’était pertinent pour produire des respirateurs – alors que l’on ne disposait plus des moules – ou des masques à visière.
Le rôle joué par la fabrication additive pendant la pandémie peut-il être étendu à d’autres sujets de supply chain ?
Nous nous dirigeons vers un monde toujours plus instable. Face à cela, la robustesse et la résilience offertes par une machine d’impression 3D ne sont pas encore suffisamment exploitées... La fabrication additive constitue une réponse aux problématiques de rupture d’approvisionnement, que nous avons connues pendant le Covid, même si c’est une technologie parfois chère. Par ailleurs, elle est favorisée en France ou en Europe grâce à un coût de main-d’œuvre très faible, entre 5 et 10 % du prix de la fabrication. Enfin, si un pays décide de restreindre l’exportation de certaines pièces critiques, la fabrication additive, même avec un coût de production élevé, permet au secteur qui en a besoin de poursuivre son activité.
La fabrication additive métallique peut également être une réponse à l’accès aux ressources...
En effet. Par exemple, si l’approvisionnement en titane est bloqué – ce que l’on observe dans l’aéronautique –, il sera possible de recycler des pièces produites dans ce métal afin de refaire des poudres pour la fabrication additive et ainsi limiter l’impact des problèmes d’approvisionnement.
Propos recueillis par P. T.
