Cap sur les grandes pièces avec la fabrication additive Waam

L’impression 3D rivalisera-t-elle avec les procédés traditionnels pour produire de grandes pièces de structure dans l’aéronautique ou le naval ? Depuis quelques années, cette ambition se concrétise, avec l’arrivée à maturité des techniques de dépôt de matière par haute énergie. L’une d’elles retient particulièrement l’intérêt des industriels : le procédé de dépôt arc-fil – ou Waam (Wire arc additive manufacturing).

Des fleurons tels que Naval Group, Airbus, EDF et le fabricant de tubes pour l’industrie pétrolière Vallourec misent sur cette technologie pour doper leur innovation. « Nous avons commencé à explorer ce procédé en 2016, explique Guillaume Rückert, expert de la mise en œuvre des matériaux métalliques chez Naval Group. Dès le début, nous souhaitions produire des pièces de grande taille avec pour objectif soit de garantir l’approvisionnement de certaines pièces, soit de produire des pièces plus performantes aux designs innovants. »

C’est l’apparente simplicité du procédé qui a séduit les industriels, car il ressemble à une technique de soudage bien maîtrisée. Il consiste à produire une pièce à partir d’un fil métallique fondu au moyen d’une torche à arc électrique. Ce cordon de métal en fusion est déposé par un bras robotisé poly-articulé qui empile la matière en couches. Le taux de dépôt – pouvant atteindre près de 10 kg/h – est très élevé. « C’est une technologie peu coûteuse par rapport aux autres procédés de fabrication additive. Nous avons mis en place une cellule Waam industrielle que nous avons dimensionnée selon nos besoins. Actuellement, nous pouvons fabriquer des pièces d’un encombrement de plusieurs mètres dans les trois dimensions », pointe Guillaume Rückert.

Produire des pièces dans son garage

Cette cellule a été installée dans l’usine Naval Group de Nantes-Indret, qui s’est distinguée en produisant avec le Waam une hélice propulsive de 2,5 m. Une pièce impressionnante pour de la fabrication additive, qui a été montée en 2021 sur le chasseur de mines Andromède. La liberté de forme de l’impression 3D a permis de créer cette hélice avec cinq pales creuses ne pesant que 200 kg chacune. Le gain de poids total est de près de 60 % par rapport à une hélice classique.

Le procédé bénéficie d’une mise en œuvre plutôt aisée, car il ne requiert pas un espace de production imposant. Il est donc moins coûteux que les autres techniques de dépôt de matière par haute énergie, qui utilisent un laser ou un faisceau d’électrons. « Une pièce en Waam pourrait être produite dans un garage », s’amuse Mickaël Courtois, professeur à l’université Bretagne Sud, qui travaille sur la simulation de ce procédé. Cerise sur le gâteau, de nombreux fils de matériaux sont disponibles dans le commerce, contrairement aux poudres.

Toutefois, cette technique a aussi ses limites, à commencer par sa résolution. « Le taux de dépôt est certes élevé, ce qui est un atout lorsque l’on veut produire rapidement une pièce, mais il s’obtient au détriment de la précision, détaille Guillaume Rückert. L’état de surface des pièces est souvent à reprendre, car les couches déposées sont visibles et l’on peut discerner les ondulations du cordon. Le Waam permet surtout de produire une ébauche. »

Choisir la résolution

La pièce doit souvent passer par une étape de post-­traitement : sablage, usinage, traitement chimique… « Nous aurons du mal à nous affranchir de cette étape pour les pièces fonctionnelles. Mais pour celles qui sont moins critiques, un sablage peut suffire », précise Guillaume Rückert. Pour pallier ce problème de résolution, des travaux sont en cours afin d’hybrider les procédés arc-fil et laser-fil. Le second possède en effet une plus grande précision mais un taux de dépôt nettement moins important. Les deux techniques pourraient être installées au bout d’un même bras robotisé afin de varier la résolution lors de l’impression, en fonction du niveau de détail souhaité.

La thermique du cordon et les trajectoires de dépôt sont des éléments clés de cette fabrication qu’il faut apprendre à diriger. « On pense souvent que l’on maîtrise déjà le Waam parce qu’il est proche du soudage classique. Mais il reste de nombreuses zones d’ombre que nous devons clarifier pour obtenir les microstructures voulues dans les pièces », souligne Mickaël Courtois. L’analyse thermique de l’empilement des cordons constitue notamment une véritable gageure. En fonction des singularités géométriques, le comportement du bain de fusion créé par l’arc-fil peut être surprenant. Il est nécessaire de modéliser le procédé. « La simulation est un outil essentiel du Waam, insiste Guillaume Rückert, car elle permet de définir des règles de dépôt et d’optimiser les trajectoires du robot. »

Un autre enjeu consiste à trouver des outils de contrôle des pièces en cours de production, notamment pour pouvoir arrêter la fabrication lorsque les cotes dévient d’une façon trop importante. Naval Group travaille sur des outils de surveillance : des capteurs ont été installés au sein de la cellule Waam, fournissant des informations sur les caractéristiques géométriques et thermiques de la pièce. Celles-ci sont rassemblées dans une base de données et corrélées avec les paramètres de production pour pouvoir identifier les écarts. Si ces travaux de simulation du procédé sont cruciaux pour pousser encore plus loin la technologie, « ils ne sont pas bloquants pour faire passer le procédé à l’étape industrielle », conclut Guillaume Rückert.