Un plateau, une source d’énergie et de la matière déposée par couches jusqu’à l’obtention d’un objet aux formes voulues... Voici la recette de la fabrication additive (FA), communément appelée impression 3D. Elle a émergé dans les années 1980 avant de se professionnaliser dans les années 2000 pour le prototypage rapide, puis la production de moules et autres outils.
Grâce au développement et au perfectionnement d’imprimantes capables de fabriquer des pièces en métal, la FA est passée à la production de petites et moyennes séries de pièces à haute valeur ajoutée, surtout dans l’aéronautique, le spatial et la défense, au point d’en devenir un maillon essentiel. Selon les estimations du consultant Market Research Future, l’impression polymère et métallique dans ces trois secteurs représentera un marché de près de 10 milliards de dollars en 2024, contre moins de 4 milliards en 2021. Un essor qui devrait s’amplifier, avec des prévisions à 36 milliards de dollars en 2032.
« C’est une réalité, la FA de pièces en métal est bel et bien mature et qualifiée », a-t-on pu entendre lors du Salon Global Industrie, qui s’est tenu fin mars et où étaient réunis trois géants de l’industrie française, Safran, Naval Group et Vallourec. Dans l’aéronautique, c’est le résultat d’un long cheminement, tant les questions de certification freinent l’entrée de nouveaux procédés. « Il est impératif de démontrer que la qualité d’une pièce métallique issue de l’imprimante est équivalente à celle d’une pièce usinée », explique David Leutard, le directeur des programmes du Safran additive manufacturing campus (SAMC).
@ArianeGroup Holding \ Master Image Programmes \ Thomas Leaud L’industriel s’y emploie dans son centre situé au Haillan, avec la fabrication d’une pièce emblématique du turboréacteur, le support de palier 5. De son côté, « le spatial a rapidement adopté l’impression 3D au cours des dix dernières années », commente Yann Rageul, le responsable des comptes stratégiques du fabricant Stratasys. La technologie est suffisamment mature pour répondre au besoin de conception de géométries complexes, avec un enjeu d’optimisation des masses des pièces à bord des lanceurs et des satellites. Elle se concrétise d’ores et déjà par des réalisations, en particulier le moteur-fusée Prometheus prévu pour 2030.
Des procédés plus ou moins matures
Que ce soit dans le spatial ou l’aéro, des pièces jadis inimaginables avec l’usinage, dotées de cavités, de structures en treillis ou encore de parois fines, prennent désormais forme, couche après couche, grâce à différentes technologies. Au sein des sept familles de procédés de FA, trois se démarquent. Tout d’abord, l’impression par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), considérée comme la plus mature par le cabinet D&Consultants.
Elle crée des objets à partir de poudres métalliques, en les faisant fondre sélectivement à l’aide d’une source de chaleur. « Le point de fusion des métaux étant plus élevé, ces machines ont surtout gagné en performance avec des lasers beaucoup plus puissants », indique Vincent Perrot, Strategic Account Manager chez Protolabs. Elle est désormais utilisée pour la fabrication de pièces à base d’aluminium, de nickel ou encore de titane pour des satellites, des lanceurs ou des moteurs d’avions et d’hélicoptères.
L’impression par dépôt de filament fondu (FDM) commence à gagner du terrain dans l’aérospatial. Ces imprimantes, qui fondent habituellement du plastique et le déposent sélectivement, « ont été améliorées au cours de la dernière décennie en utilisant une hybridation de matériaux, à partir de poudre métallique liée à une matrice plastique », pointe Yann Rageul, de Stratasys.
Après impression, les pièces sont soumises à un frittage dans un four pour en éliminer le liant. D’après D&Consultants, le FDM est peu mature, produisant des pièces « marquées par d’importantes porosités et nécessitant une étape supplémentaire d’usinage », souligne Jean-Daniel Penot, expert FA chez France additive. Le fabricant d’imprimantes Alchimies entend l’améliorer pour produire des pièces métalliques de grandes dimensions, comme des ailes d’avion.
L’exploration de la FA céramique
Une nouvelle vague d’imprimantes 3D suscite l’intérêt de l’aéronautique et du spatial : le dépôt de matière sous énergie concentrée (DED). Ce procédé, peu mature en raison de son développement récent, consiste à faire fondre des fils ou poudres métalliques à l’aide d’un laser et à les déposer couche après couche sur un substrat afin de construire le profil de pièce désiré. Le DED offre notamment la possibilité de fabriquer des pièces dont le diamètre dépasse le mètre. Un premier brevet a été déposé par l’Irepa Laser sur le DED laser-fil. Il est exploité par sa spin-off Amfree. De son côté, Safran développe une solution DED avec l’institut Maupertuis.
La capacité de la FA à produire des pièces dotées de performances mécaniques comparables à celles issues de l’usinage est désormais établie. Néanmoins, l’adaptation de ces pièces à des environnements plus exigeants reste un défi. C’est notamment le cas de composants destinés à des milieux sévères et chimiquement actifs, tels que ceux rencontrés dans les systèmes de propulsion des lanceurs élaborés par l’acteur du new space ThrustMe.
Dans cette optique, l’exploration de la FA céramique est en cours. « La stabilité thermique et chimique fait de la céramique une option viable pour guider les flux thermiques et éviter la surchauffe ou le refroidissement excessif des pièces », commente Didier Fonta, le directeur général de Pollen AM. En 2023, il a investi ce marché assez nouveau en inaugurant une filiale spécialisée dans les céramiques techniques, en Belgique.
L’impression 3D gagne même l’espace. Cette technique émerge comme une solution sérieuse pour la fabrication de pièces en orbite, facilitant ainsi les missions spatiales. Actuellement, une imprimante FDM métallique compacte est expérimentée dans le module européen Columbus de la Station spatiale internationale (ISS), produisant des pièces de différentes formes en microgravité.
« Le Clad-w fabrique des pièces métalliques de plus de 2 mètres »
Didier Boisselier, responsable des programmes de fabrication additive à l'Irepa Laser
Qu’est-ce que le DED Clad-w ?
Il découle des travaux de l’Irepa Laser qui se concentraient en 2012 sur le Clad (construction laser additive directe) de poudre. Depuis 2019, l’attention s’est tournée vers le DED laser-fil, aussi appelé (Clad-w). Il comprend un bras robotique, un dispositif d’apport de matière, un laser et un scanner pour analyser le faisceau. Dans sa configuration initiale, on adoptait une approche monofil de soudage, restreignant ainsi la fabrication à une direction unique. Toutefois, une transition s’est opérée vers le multifil pour une création multidirectionnelle.
Quels sont ses atouts ?
Suivant les matériaux, le Clad-w affiche une vitesse de production de 1 000 cm3/h, avec un laser qui n’est pas au maximum de ses capacités. Cela permet la fabrication de pièces dépassant aisément 2 m de diamètre. Son efficacité découle du faisceau laser utilisé. La fusion sur lit de poudre (PBF) recourt à un faisceau focalisé de petite taille pour fondre la poudre. Elle génère une multitude de cordons fins. Le laser-fil privilégie, lui, l’utilisation d’un faisceau laser haute puissance, favorisant la fusion de cordons plus larges. Cela réduit le nombre de couches fines successives, engendrant une amélioration significative de la productivité. Néanmoins, le rendu obtenu via le laser-fil, bien que satisfaisant en termes de vitesse et de taille, peut se révéler moins précis que celui des pièces élaborées par PBF.
Quelles sont les améliorations prévues ?
Pour maximiser son potentiel, on a conçu, il y a deux ans, une cellule bi-robot. L’avantage est que le premier bras fabrique des pièces par laser-fil et que le second bras effectue le contrôle qualité et des opérations d’usinage localisées et précises. À l’avenir, en exploitant les données générées par la cellule, on envisage avec Amfree de former des modèles d’intelligence artificielle pour développer un capteur capable d’anticiper l’apparition de défauts lors de l’impression.
