Quand la fabrication additive devient-elle rentable ?

Dans ce premier article d’une série consacrée à la conception en fabrication additive, nous allons aborder l'utilisation, les avantages et les limites de la fabrication additive. Nous comparerons ensuite cette technologie aux techniques de fabrication traditionnelles.

On dit que toutes les géométries sont possibles en fabrication additive. Les concepteurs ont donc tendance à proposer des géométries surprenantes et sont souvent déçus de la qualité de la pièce obtenue. Il peut arriver que la pièce soit déformée, présente à certains endroits une mauvaise qualité de surface, ne soit pas aussi nette que prévu ou soit hors tolérances... Pour résoudre ces problèmes, les concepteurs peuvent rendre leurs pièces beaucoup plus simples à produire en tenant compte de quelques considérations de base. Si la pièce est plus simple, la qualité finale y gagne et les coûts peuvent parfois être réduits tout en offrant les mêmes fonctions.

Pourquoi utiliser la fabrication additive ?

L'utilisation de technologies traditionnelles ou conventionnelles telles que l'usinage et le moulage par injection présente de nombreux avantages. Toutes les techniques soustractives (EDM, tournage, fraisage, etc.) permettent d'obtenir une surface lisse et une précision au micron près sur la plupart des matériaux. Le moulage par injection est assez long à mettre en place. Cependant, dès qu'il est au point, le volume de production (nombre de pièces produites par unité de temps) est très élevé, ce qui est généralement la seule façon de parvenir à une production de masse.

Les défis industriels deviennent toutefois de plus en plus complexes, à tel point que les techniques conventionnelles ne sont parfois tout simplement pas capables de réaliser une géométrie pour relever un défi donné. Le problème est parfois dû à l'accessibilité de l'outil en usinage ou au fait que le moule doit être ouvert en moulage par injection pour récupérer la pièce sans l'endommager. Dans d'autres cas, le volume de production est tout simplement trop faible (un seul prototype) pour être rentable et justifier le coût de l'outillage requis pour sa réalisation.

En raison des limitations assez substantielles que nous venons de mentionner, il peut être impossible de rendre une pièce plus légère ou plus efficace ou d'obtenir beaucoup plus tôt un prototype précoce, de façon à le reproduire et l'améliorer rapidement. En outre, les capacités des technologies traditionnelles, par rapport au coût, peuvent être schématisées dans les grandes lignes en un seule graphique qui montre les opportunités liées à la fabrication additive :

Opportunités rentables (zones vertes) pour la fabrication additive par rapport à la fabrication conventionnelle

Le graphique montre quand il est préférable de faire appel à la fabrication conventionnelle (CM) et ce qu'il est économiquement plus intéressant de confier à la fabrication additive (AM).

En considérant le nombre de pièces produites de manière traditionnelle, il est bien connu que plus on produit de pièces identiques sur une machine et plus le coût du lot est faible. Si la taille du lot est trop faible, le coût de l'outillage peut devenir prohibitif pour la production, qui peut devenir non rentable. C’est ce que représente la courbe bleue, la ligne pointillée étant la limite où le nombre de pièces produites devient trop faible.

En termes de complexité géométrique par rapport au coût dans l'usinage conventionnel, la tendance est plus proche de la courbe rouge. Une faible complexité implique un faible coût. Si la pièce est trop complexe pour la technologie, elle devient tout simplement trop chère ou impossible à produire pour des raisons techniques. Cette limite est représentée par la ligne pointillée rouge.

Si l'on considère l'AM (ligne pointillée verte), on voit d'abord que la fabrication additive est actuellement assez chère (ce qui explique sa place sur la droite du graphique), mais on peut aussi dire que ce prix élevé ne va pas franchement évoluer en fonction du nombre de pièces produites ou de la complexité des pièces.

Dès lors, deux zones du graphique semblent rentables en production additive par rapport à la fabrication conventionnelle :

  • fabriquer des pièces très complexes...
  • ... qui sont demandées en petites quantités.

Cela signifie également que, si la pièce choisie se situe ailleurs sur le graphique (moins chère à fabriquer, pas trop complexe, quantités assez élevées), c'est-à-dire en dehors des zones vertes, la fabrication additive ne devrait pas être privilégiée pour la fabrication de cette pièce. Elle entraînerait en effet une perte financière ou augmenterait les risques résultant des incertitudes actuelles vis-à-vis de la fabrication additive.

Avantages de la fabrication additive

La fabrication additive peut présenter de nombreux avantages :

  • Une conception optimisée permet de générer beaucoup moins de déchets de matériaux par rapport à l'usinage.
  • Grâce à l'approche couche par couche, l'intérieur d'une pièce devient facilement accessible. Le concepteur peut ainsi réaliser des concepts beaucoup plus complexes (cavités internes, structures légères, canaux, etc.) qu'avec les techniques conventionnelles.
  • La fabrication en une seule étape évite de devoir recourir à l'outillage durant l'étape de fabrication. Pas besoin d'un moule ou d'un dispositif spécial pour positionner la pièce dans une machine.
  • Un large éventail de matériaux est déjà disponible en polymères, métaux et céramiques.
  • Globalement, on peut dire que la complexité géométrique ne fait pas augmenter le coût. Autrement dit, fabriquer une pièce très légère faite d'un maillage 3D, avec des canaux et des charnières intégrés, coûterait à peu près la même chose qu'un bloc cubique de la même hauteur et du même volume de matériau. Ce n'est absolument pas le cas des technologies conventionnelles.
  • Il devient possible de produire des pièces très différentes (taille, complexité, etc.) en un seul passage. Par contre, un moule ne peut produire que le modèle pour lequel il a été conçu. C’est particulièrement intéressant pour les applications médicales telles que les implants sur mesure.
  • Certaines technologies de fabrication additive peuvent produire en un seul passage des pièces constituées de différents matériaux.
  • Certaines fonctionnalités (ressorts, charnières, engrenages, arbres rotatifs, etc.) peuvent être intégrées dans le concept à fabriquer. Cela ne nécessitera pas d'étapes de post-assemblage. La pièce sera prête dès sa sortie du centre de fabrication additive.
  • Le délai de production d'un volume standard (300 x 300 x 400 mm³) est généralement inférieur à une semaine à partir d’esquisses et de la CAO à la pièce finale prête à l'emploi. Très pratique même pour le développement itératif précoce d'un produit qui doit en fin de compte être fabriqué par moulage par injection lors de la production en série.
  • Personnalisation, étiquetage, texturation, canaux de refroidissement conformes, réduction du poids : autant de caractéristiques qui deviennent bien plus abordables.

Limites de la fabrication additive

Bien entendu, des limites doivent être prises en compte :

  • La meilleure précision géométrique possible est de 0,1 mm sur les machines de fabrication additive pour une pièce inférieure à 100 mm. Au-delà de cette longueur, une marge de 0,1% doit être prise en compte. Cette valeur peut même atteindre 0,3%, en fonction du matériau, de la technologie et de l'encombrement/masse de la pièce. C'est la raison pour laquelle un post-traitement est souvent requis localement.
  • La limitation de la taille maximale des pièces peut empêcher le concepteur de fabriquer de grandes pièces telles que des pare-chocs ou des tables en un seul passage avec des technologies standards. Actuellement, la taille maximale réalisable sur les machines industrielles est en moyenne de 800 mm. Toutefois, certaines techniques hors normes permettent de réaliser un moule en sable faisant 4.000 x 2.000 x 1.000 mm, voire des maisons avec des murs en béton, ou encore une petite coque de voiture avec une extrudeuse « polymère + fibre de carbone » qui se déplace sur les axes XYZ.
  • De nombreuses technologies de fabrication additive nécessiteront une structure de support. Globalement, cette structure relie la pièce à la plate-forme de fabrication. Elle empêche les pièces de bouger pendant la fabrication. Elle est construite par la machine en même temps que les pièces. Malheureusement, cette structure doit être retirée après la fabrication et nécessite donc une étape de post-traitement pour détacher le support des pièces.
  • Juste après la fabrication, la matière première est partout, tout autour des pièces, à l'intérieur des cavités, des interstices, des canaux, des trous, etc. Si on ne tient pas compte de ce fait en conception, cette matière première peut être très difficile à enlever, surtout dans les endroits étroits.
  • Certaines techniques produisent des pièces aux propriétés mécaniques anisotropes, en particulier dans les machines bon marché et avec une épaisseur de couche « énorme » (> 100 µm), mais pour la plupart des technologies de fabrication additive, cette anisotropie mécanique n'est pas très marquée.

Un bon concepteur est la ressource la plus précieuse dans l'univers de la fabrication additive. Il saura optimiser la forme de la pièce pour répondre aux exigences, mais aussi prendre en compte tous les facteurs pour faciliter les étapes de fabrication et de post-traitement. Une conception efficace et « facile à produire » est le seul moyen de rentabiliser la fabrication additive.

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Cet article a été écrit dans le cadre du projet Cornet AM 4 Industry.