La fabrication additive (additive layer manufacturing ou ALM) marque une rupture importante avec les procédés de fabrication traditionnels, dans la mesure où elle consiste à superposer des couches successives de matière et non à en retirer (procédé de fabrication soustractive). Malgré ses nombreux avantages, dont la conception de formes complexes inenvisageables jusque-là, son adoption est restée moins importante que prévue, en particulier en raison de coûts prohibitifs et de contraintes diverses qui freinent les possibilités de production en grande série. Aujourd’hui, de nouveaux horizons se dégagent, avec l’essor de l’hybridation des procédés, qui consiste non pas à substituer la fabrication additive aux procédés classiques de fabrication, mais à l’utiliser de manière complémentaire. L’alliance des procédés de fabrication traditionnels et de la fabrication additive Pour être pleinement intégrée à la production et chercher à atteindre sa maturité industrielle, la fabrication additive va donc passer par l’hybridation, de manière à combiner les processus soustractifs et additifs pour être plus rentable et plus productif. On allie par exemple la dépose par laser et l’usinage/fraisage par contrôle numérique au sein d’un même dispositif. Cette approche est notamment rendue possible par une nouvelle génération de machines hybrides, telles que celles proposées par Matsuura ou encore DMG Mori. La fabrication hybride vient constituer une 8e catégorie qui s’ajoute aux 7 procédés principaux de fabrication additive (norme NF EN ISO 17296-2) que sont : La photopolymérisation en cuve La projection de matière La fusion sur lit de poudre La projection de liant L’extrusion de matière Le dépôt de matière sous énergie concentrée La stratification de couches. Il s’agit alors d’allier une méthode de fabrication soustractive (fraisage, usinage…) à l’un de ces 7 procédés. Cela se fait soit via des configurations de machine sur-mesure, soit via des systèmes modulaires qui s’intègrent aux machines-outils CNC.  Ci-dessous, un exemple de fabrication hybride : L’hybridation des procédés permet de réaliser intégralement des outillages et pièces complexes jusqu’au post-traitement, d’ajouter des fonctions à une pièce ou encore d’effectuer une opération de réparation. Elle permet aussi de générer de nouvelles sources de revenus, en permettant la délocalisation de certaines unités de production indépendantes, rendues capables de livrer un produit fini hors du cadre de la chaîne traditionnelle de production. L’un des challenges à relever reste néanmoins le développement de solutions logicielles adaptées au processus, capables de prendre en compte les exigences de la fabrication additive et celles de l’usinage, en alliant les bases de données de matériaux et de paramètres aux outils de simulation de trajectoire. Deux catégorisations des procédés hybrides sont régulièrement proposées (source): Une définition “ouverte” : le processus de fabrication hybride combine 2 ou plusieurs procédés de fabrication, et les avantages de chaque processus peuvent être exploités en synergie ; Une définition plus “restreinte » : le processus hybride comprend une action simultanée de différents principes de production sur une même zone de traitement. Des applications dans différents secteurs Des développements sont déjà en cours, en particulier dans le secteur aéronautique. Dans son projet EOLE, Sogeclair a notamment réussi à hybrider procédés de fonderie et fabrication additive et gagné 30% de masse sur une pièce d’A350. C’est loin d’être la seule initiative. On peut aussi citer le projet MAMA (Metallic Advanced Materials for Aeronautics), un ambitieux projet de R&D porté par l’Institut de Recherche Technologique (IRT) Saint Exupéry de Toulouse, à l’initiative d’Aubert & Duval et aux côtés d’industriels de premier plan comme Airbus. Son objectif est de “coupler la métallurgie classique – matriçage à haute puissance ou forgeage – avec les techniques émergentes de fabrication 3D par dépôt de fils métalliques, pour développer de nouveaux procédés de fabrication des pièces aéronautiques en alliages de titane” (source). Au-delà de l’aéronautique, d’autres secteurs portent un grand intérêt à l’hybridation. On le voit à travers les programmes de recherche d’AMSYSTEMS, qui se concentrent sur la fabrication additive et hybride multi-matériaux dans 4 domaines d’applications : les applications médicales et dentaires , l’électronique, la haute technologie et l’alimentation. Pour l’heure, l’hybridation reste néanmoins une approche de niche, dans la mesure où sa viabilité économique est encore limitée. Néanmoins, l’évolution des machines et les efforts des constructeurs reflètent bien une tendance de fond visant à proposer des équipements fiables et intégrés dans le processus industriel. Une conception mécanique globale, avec une maîtrise experte de l’ensemble des procédés, est indispensable dans les bureaux d’études travaillant sur l’hybridation. La simulation numérique peut également en accélérer le déploiement : elle permet par exemple de comprendre quelles parties d’un produit, par calcul de résistance, peuvent être allégées en matière et donc fabriquées en 3D, ou bien de simuler les dépôts de matière pour optimiser certains procédés manquant encore de maturité.

La fabrication additive marque une rupture importante avec les procédés traditionnels, puisqu’elle consiste à superposer des couches de matière plutôt qu’à en retirer (fabrication soustractive). Se préparer à l’ALM (Additive Layer Manufacturing) implique donc de repenser son approche de l’ingénierie.   Les avantages de la fabrication additive Le premier relève d’une liberté de conception exceptionnelle. Avec la fabrication additive, les limites classiques de conception sont repoussées. Cela implique d’avoir une vision fonctionnelle qui ne s’encombre plus des mêmes restrictions au niveau de la fabrication : De nouvelles combinaisons de matériaux sont rendues possibles; La conception de formes n’est pas limitée par le passage d’outils de soustraction; Il devient possible de concevoir des systèmes aux géométries innovantes; Le coût de fabrication n’est plus lié à la complexité géométrique. La disparition des limites techniques liées à l’usinage, à l’injection ou encore au moulage offre donc un champ de conception remarquablement étendu. L’avantage majeur est le fait d’obtenir des structures de pièces qui seraient absolument inenvisageables avec d’autres méthodes de production. La fabrication additive libère de certaines contraintes de construction. On peut concevoir des structurations d’une taille millimétrique, voire plus petites, pour une structure alvéolaire par exemple. C’est intéressant dans de nombreux secteurs, comme l’aéronautique et le médical (prothèse); dans ce dernier cas, on peut imaginer une porosité égale à celle d’un os, sur laquelle les parties organiques pourraient venir se greffer. Un autre atout est l’instantanéité de la fabrication. Il suffit de cliquer sur imprimer pour qu’une pièce sorte. En prototypage, cela peut être très utile, mais il faut impérativement respecter plusieurs règles de conception. On ne peut pas faire tout et n’importe quoi en additif; la pièce doit avoir été conçue pour un but précis. Les challenges de l’ALM : coût, dépendance et ajustage de la pièce La démocratisation s’est faite du côté de l’impression 3D plastique, mais la situation est différente pour la fabrication additive métal par fusion, qui reste techniquement complexe, onéreuse et difficile sur le plan des certifications. Ce sont des obstacles d’autant plus gênants que les gains ne sont pas forcément tangibles. Tout dépend bien sûr du secteur d’activité concerné. Par exemple, dans l’aéronautique, une pièce chère mais plus légère a le potentiel d’être vite rentabilisée, ce qui peut faire de la fabrication additive une bonne solution pour les acteurs qui y ont recours. Aux États-Unis, elle est de plus en plus utilisée pour remplacer des pièces en maintenance sur les porte-avions militaires, bien que ces dernières soient utilisées à perte et avec un faible cycle d’utilisation (plus faible en tout cas que ce qui est prévu en usinage normal). Ce type d’initiative “force” l’industrialisation et pousse à des méthodes et protocoles différents. Mais il faut véritablement ce type d’accélérateur financier et technique pour que la fabrication additive avance. Elle s’impose d’ailleurs de plus en plus en matière de maintenance, tant dans l’aéronautique que dans le ferroviaire. Le coût est un facteur explicatif majeur dans le fait que cette méthode ne soit pas aussi répandue qu’elle pourrait l’être aujourd’hui. La qualification des matériaux viendra lorsque le prix sera plus acceptable. En France, Michelin est gros pourvoyeur d’additif. Il dispose de l’un des plus gros parcs de machines additives, où la société fabrique les moules de pneus par ce procédé. En 2015, le groupe Michelin s’est d’ailleurs associé à Fives pour créer AddUp avec la joint-venture “Fives Michelin Additive Solutions”. Il s’impose comme un acteur incontournable de l’impression 3D métal. C’est en surpassant la partie coût grâce à de forts volumes que le gain financier devient supérieur au coût intrinsèque de l’additif. Dans le cas de Michelin, ce dernier permet d’ailleurs de faire de la recharge de moules et de développer de nouveaux pneus qu’il faut tester en petites séries. Un autre challenge est important à prendre en compte avec la fabrication additive. Une fois la machine achetée, son exploitant est généralement obligé d’acheter la poudre auprès du même fournisseur, en raison des réglages complexes de la machine pour la taille et la finesse des poudres. En créant sa propre filiale, comme Michelin a pu le faire, il devient possible de sortir de cette relation de dépendance, voire de réutiliser ses poudres. Dans un contexte classique, la poudre non utilisée doit souvent être renvoyée au fournisseur, car peu de machines permettent de les réintégrer et de les retraiter. Le 3e challenge est la multiplicité des passages nécessaires. Ce défi n’est pas propre à la fabrication additive, puisque c’est un impératif dès lors que l’on fait de la production. Un premier passage permet d’obtenir une ébauche grossière, qu’il faut remettre dans la machine pour fignoler et ajuster la pièce. Il est indispensable d’intégrer une phase d’ajustage. Il faut que la pièce soit fonctionnelle : par exemple, les zones d’interfaces et de fixation n’ont pas un état de surface conforme en sortie d’impression, ce qui implique une reprise de l’usinage après impression. Ce n’est jamais un produit fini qui sort ; il y a toujours des reprises de l’ajustage, mais aussi des finitions, comme l’usinage par soustraction d’éléments indispensables à la stabilité de la pièce pendant l’impression est inutile à l’utilisation…et cela même dans le cas de l’impression 3D plastique. Enfin, il est important de bien organiser la protection lorsque l’on s’approche des matériaux utilisés dans la fabrication additive, afin d’éviter l’inhalation de poudres métalliques ou même le contact avec la peau de nano-poudres. Bien que l’évolution des technologies additives soit en marche (comme le montre bien le site d’AddUp), ce type de fabrication reste réservé à de grands acteurs capables d’absorber à la fois les contraintes financières et celles des délais de fabrication, tout en maintenant leur indépendance. Les étapes de la fabrication additive Qu’il s’agisse d’une fabrication nouvelle ou d’un rechargement, les contraintes liées à chaque étape varient. Les bases restent néanmoins les mêmes. Conception assistée par ordinateur (CAO 3D/ format STL) afin de modéliser le composant et piloter la fabrication (géométrie, matières utilisées, phases du processus, intégration des données de l’optimisation topologique). Préparation des fichiers : état