Ajouter de la matière ou en retirer ? C’est à ce dilemme industriel que les machines hybrides dites « additives-soustractives » ambitionnent de mettre fin. Combinant impression 3D et usinage, elles promettent « d’exploiter au maximum les avantages de chaque technologie et de compenser leurs limites respectives », fait valoir Jean-Daniel Penot, l’administrateur de l’association professionnelle France Additive. Premier intérêt : fiabiliser l’impression 3D, handicapée par ses mauvais états de surface en sortie de machine.
« La fabrication additive construit des bruts complexes, dont l’état de surface impose une opération de finition, éclaire Benoît Verquin, expert du Centre technique des industries mécaniques (Cetim). L’hybridation permet de coupler les deux étapes au sein d’une même machine. » Autrement dit de réduire les manipulations, les déplacements et les mesures des pièces. Face aux déformations thermomécaniques de la matière déposée par la tête d’imprimante, l’usinage peut même intervenir entre chaque couche pour « corriger les défauts et permettre de repartir sur une base horizontale propre », explique Christophe Tournier, chercheur au Laboratoire universitaire de recherche en production automatisée (Lurpa) de Paris-Saclay.
L’alliance permet aussi d’imaginer de nouveaux usages. Il devient possible d’usiner des zones inaccessibles une fois la pièce terminée pour réaliser des formes très complexes, creuses, maillées ou dotées de canaux internes. De quoi imaginer des carters au refroidissement optimisé, des rotors allégés, mais aussi des buses de moteur construites d’un seul bloc, liste le constructeur japonais Matsuura, l’un des pionniers sur le créneau. Qu’il s’agisse d’alléger les pièces, de les réparer ou d’intégrer de nouvelles fonctionnalités, « l’hybride est un complément qui ouvre la porte de la créativité, vante Mohcine Bencherifi, chef de produit du géant germano-nippon des machines-outils DMG Mori. Elle facilite la création de pièces multimatériaux, pour améliorer leur longévité ou optimiser leur dissipation thermique ».
À chacun sa technologie
Pour se positionner, chaque constructeur y va de son choix technologique, plus ou moins différenciant. Avec la série Lumex, Matsuura combine l’usinage à une technologie d’impression très précise, la fusion laser sur lit de poudre métallique. De son côté, DMG Mori mise sur le dépôt direct d’énergie (DED), un procédé qui projette une poudre fondue par un laser, pour sa gamme Lasertec. Un choix partagé par le japonais Mazak et par l’américain Optomec. D’autres jouent les coûts et la praticité en développant des systèmes prêts à installer dans des machines existantes. Comme la start-up espagnole Meltio et le britannique Hybrid Manufacturing Technologies, qui commercialise une tête de DED compacte, capable de s’intégrer au sein d’une machine ou de se brancher à l’extrémité d’un robot.
Au fil de l'impression 3D, le bras robotisé, avec sa fraiseuse, élimine les défauts de la pièce. © Pascal Guittet
Une profusion de machines… pour des cas d’usages encore obscurs. Ainsi, le géant aéronautique Safran n’évoque-t-il que « des projets très confidentiels à ce stade ». Naval Group, lui, assume plancher sur la fabrication d’hélices creuses dans un laboratoire commun monté avec Nantes Université, Centrale Nantes et le CNRS. L’industriel utilise un procédé de dépôt de fil métallique (Waam), adapté aux grandes dimensions des hélices, mais « dont les défauts en surface peuvent avoir une incidence sur leur résistance », explique Jean-Yves Hascoët, le directeur du laboratoire. Un problème réglé par l’usinage des surfaces internes au fur et à mesure de l’impression, avant de fermer la pale.
L’additif-soustractif permet de concevoir des formes internes au sein de broches de moulage, afin d’y injecter de l’eau et de stabiliser la température, ce qui limite les contraintes mécaniques.
— Yoann Bourgerie, directeur du pôle plasturgie de Savoy International
De quoi séduire massivement les industriels ? « Nous avons réalisé peu de ventes », reconnaît Hervé Favre, le président de Decip, le distributeur de Matsuura en Europe. Pour lui, seul le marché des moules de plasturgie a vraiment pris. Là, l’additif-soustractif « permet de concevoir des formes internes au sein de broches de moulage, afin d’y injecter de l’eau et de stabiliser la température, ce qui limite les contraintes mécaniques et permet une production plus répétable », témoigne Yoann Bourgerie, le directeur du pôle plasturgie du sous-traitant Savoy International, dont la filiale Savoy Moulage possède deux machines hybrides. Il reconnaît néanmoins que l’utilisation de poudre exige « du temps de compréhension » et que le surcoût de la technologie limite son usage à certaines pièces, dans la domotique et l’énergie.
La viabilité économique du procédé en débat
Les machines hybrides capables de déposer du métal sur des pièces existantes, via des technologies DED et Waam, se font aussi une place dans la réparation. Elles œuvrent à la manière d’un dentiste, ouvrant une cavité défectueuse pour la reboucher avant de la polir. Un mécanisme idéal pour reprendre les turbines aéronautiques ou les gigantesques moules de fonderie de l’automobile. « Des pièces d’usure chères, dont la réparation comprend six étapes, dont du soudage manuel et de la manutention », décrit Mohcine Bencherifi, de DMG Mori. Selon lui, l’hybride a permis à un client constructeur automobile de réduire de 70% le temps de réparation de ses moules et de tripler leur durée de vie.
Reste que, dans de nombreux cas, la viabilité économique du procédé fait débat. « La moitié du coût d’une pièce imprimée est du temps machine : il vaut mieux l’utiliser pour imprimer que pour usiner », estime Jean-Daniel Penot, de France Additive. C’est le calcul fait par Bertrand Gary, le dirigeant de la PME Gary Mécanique, dans le Nord, qui doit bientôt accueillir une machine de fabrication additive métallique non hybride, aux côtés d’un centre d’usinage. Il préfère « deux machines pour le prix d’une ». Et les industriels n’ont pas forcément intérêt à s’équiper à prix d’or en machines hybrides alors que les progrès de l’impression 3D risquent de les rendre rapidement dépassées.
L’inquiétude porte aussi sur les modalités concrètes. « Une partie de la poudre qui sert à l’impression n’est pas solidifiée et peut encrasser les axes des machines-outils », pointe Benoît Verquin, du Cetim. Cela impose d’intégrer de nouveaux systèmes d’aspiration des poudres parasites ou de contrôle de chaleur, pour faire cohabiter additif et soustractif. Chacun peut même limiter l’autre. L’impression 3D ne supporte pas l’huile de coupe et oblige donc à usiner à sec, tandis que les machines-outils traditionnelles ne peuvent conserver les atmosphères de gaz rares nécessaires pour imprimer certains matériaux, comme le titane.
L'Usine Nouvelle © L'Usine Nouvelle
Les laboratoires à pied d’œuvre
Mais pas de quoi ralentir les travaux visant à améliorer le procédé. À Grenoble (Isère), la plateforme Ginova cherche à intégrer la technologie Waam, plus grossière mais adaptée aux grandes dimensions, dans une machine d’usinage. Un projet où le numérique a la part belle, notamment pour fiabiliser la production via un scanner, permettant de « contrôler à tout instant le dépôt de matière pour vérifier sa conformité et le corriger automatiquement », explique Alain Di Donato, ingénieur de Grenoble INP chargé de la plateforme.
La question des logiciels est aussi portée par le géant américain Autodesk, qui s’est allié à dix partenaires (dont les industriels BAE Systems et Vestas) au sein du projet Lasimm, lancé en 2016 à Pampelune, en Espagne. En travaillant sur la commande d’une gigantesque cellule robotisée, les partenaires ont pu construire une poutre de charpente de 5 mètres, tout en s’essayant à de nouveaux procédés de conception et de pilotage de la fabrication pour tirer pleinement parti de l’hybride.
Un travail proche de celui du laboratoire CNRS Lurpa, où une machine de fabrication laser-fil dotée de deux bras robotisés est en service depuis novembre 2021. De quoi réaliser rapidement des turbines hydrauliques « en déposant en additif des profils d’aubes, usinés au fur et à mesure, sur un moyeu réalisé en tournage », décrit Christian Tournier, professeur des universités à Paris-Saclay et spécialiste du pilotage machine. La solution intéresse déjà la défense, le ferroviaire et l’aéronautique, pour la maintenance opérationnelle de grosses pièces. Autant de perspectives qui devraient favoriser la montée en maturité de ces technologies. Et peut-être leur plus large adoption.
« Les méthodes de conception évoluent », témoigne Fikret Kalay, responsable industrialisation de la construction, division R&D d’Autodesk
© AutodeskLes machines hybrides exigent-elles d’adapter les logiciels de conception et fabrication par ordinateur ?
Nous travaillons pour que nos logiciels puissent planifier les tâches en répondant à la complexité des technologies hybrides. L’objectif est de mélanger les métiers de l’usinage et de l’impression 3D et de permettre de jongler simplement entre les séquences, afin que même un utilisateur lambda puisse utiliser ces machines.
Quels sont les enjeux techniques ?
Le logiciel doit prendre en compte les paramètres propres à chaque procédé. Alors que l’usinage joue sur l’engagement de l’outil, la fabrication additive travaille avec la puissance d’un laser, la quantité de matière... Cela impose de caractériser les matériaux pour maîtriser ces paramètres. Il faut aussi contrôler la déformation de la matière due à l’apport de chaleur. La fabrication additive laisse des coulées en demi-dôme qui ne sont pas parfaites. Il est donc important de définir l’enveloppe minimum à imprimer pour pouvoir ensuite usiner et avoir une pièce finale sans trace. Tout cela doit s’opérer dans une continuité numérique et un dialogue entre les machines qui usinent et celles qui impriment.
L’hybridation change-t-elle aussi la conception ?
La poutre que nous avons réalisée dans le cadre du projet Lasimm [Large additive subtractive integrated modular machine, ndlr] contient des structures de renforts internes qui permettent de l’alléger. C’est grâce aux machines hybrides qu’une architecture aussi complexe est possible. Pour pleinement tirer parti de ces potentialités, les méthodes de conception évoluent. Nous travaillons sur des moteurs de conception augmentés, dit de generative design, qui permettent de ne plus dessiner de formes géométriques mais d’établir des contraintes – par exemple la taille et le poids que doit supporter un pont – à partir desquelles l’ordinateur proposera plusieurs solutions adéquates. Cela donne souvent des formes très organiques, dont la géométrie est difficile à réaliser sans les machines hybrides.
Vous lisez un article de L'Usine Nouvelle n° 3710 - Septembre 2022
