« Les premiers à avoir pratiqué la fabrication additive, ce sont les Égyptiens, avec les pyramides »
Au Centre des Matériaux de Mines Paris-PSL, l’équipe de Jean-Dominique Bartout adapte des techniques de fabrication additive pour concevoir des objets en métal. Le principe de cette technologie simple d’apparence mais extrêmement complexe à réaliser peut s’appliquer à l’aéronautique, au luxe ou à la médecine.
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« Les premiers à avoir pratiqué la fabrication additive, ce sont les Égyptiens, avec les pyramides ». Ce parallèle historique, Jean-Dominique Bartout, responsable de la plateforme EPROM (élaboration, procédés et matériaux) au Centre des Matériaux de Mines Paris-PSL, l’utilise habituellement en cours. Il poursuit : « la définition reste la même, on produit une pièce couche par couche en respectant un plan géométrique. Plus tard, les Romains ont fabriqué le matériau, les briques, et ont ajouté du ciment pour les lier. Ils ont pu bâtir le Colisée, une structure beaucoup plus allégée que les pyramides. »
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Plusieurs millénaires d’avancées technologiques séparent bien sûr les architectes antiques et les ingénieurs du XXIème siècle mais c’est bien la même idée qui se cache derrière le « Metal Binder Jetting » (MBJ). Ce procédé associe plusieurs technologies de fabrication additive dites « indirectes » pour produire des pièces de métal.
Le MBJ consiste à étaler de la poudre de métal (de céramique ou d’autres matériaux) "couche par couche" puis à projeter un liant sur la surface prévue à cet effet dans la machine. Le liant, dans le cadre des travaux d’EPROM, est constitué de polymères. « On obtient alors un bloc de poudre non consolidée », explique le responsable de la plateforme. Une fois sorti de l’imprimante 3D, ce bloc est chauffé afin de durcir le polymère, puis la poudre superflue est retirée. Cette manipulation aboutit à la formation d’une « pièce à vert ». Puis le liant est soustrait avant l’étape du « frittage » qui permet aux grains métalliques de se resserrer afin de créer la pièce finale.
Un procédé détourné
« Les techniques d'impression par jet d'encre sont déjà largement utilisées dans l'industrie », indique l’ingénieur. Dans ce cas précis, au lieu d’employer les têtes d’impression des machines disponibles dans le commerce pour réaliser du marquage, c’est du polymère qu’elles projettent.
Le principal défi dans cette succession d’étapes, « toutes cruciales », c’est justement de contrôler chacune d’entre elles pour éviter des défauts qui rendraient l’objet final inexploitable. Infiltrations de liant, injections insuffisantes, géométries inadéquates, volumes non adaptés, porosité, manque d’adhérence… les anomalies potentielles sont variées, et chacune peut avoir un impact sur la phase suivante.
« La qualité du matériau dépend de sa microstructure. Or cette dernière peut s’altérer lors du processus de fabrication », relève Jean-Dominique Bartout. Si chaque stade reste « assez bien maîtrisé individuellement », c’est le couplage de ces procédés qui doit encore être amélioré.
La « santé-matière » en ligne de mire
Un enchaînement d’étapes qu’il est possible de réitérer avec toujours la même régularité, voilà l’enjeu majeur des travaux menés au sein de la plateforme EPROM. En se focalisant sur les « frontières entre les étapes », l’équipe de scientifiques vise la meilleure « santé-matière ».
A cette fin, ils ont recours à des vérifications pendant la fabrication, grâce à l’envoi de données par des capteurs disposés sur l’imprimante. L’équipe prévoit même de la piloter de façon très précise à chaque nouvel essai et réaliser des modifications afin d’obtenir une « near-net-shape », un objet dont la forme se rapproche au plus près des cotes exigées par l’utilisateur final.
Cela induit des problématiques de modélisation pour lesquels le CEMEF (Centre de mise en forme des matériaux de Mines Paris-PSL) est mis à contribution. Ses outils permettent notamment de prédire les déformations de pièces qui subissent des refroidissements de « plusieurs millions de degrés par seconde lors des étapes de densification ».
« Au plus près des besoins des industriels »
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Dans le cadre des travaux sur le MBJ, débutés en 2018, une thèse a été soutenue et deux autres sont en cours. En outre, deux étudiants en mastère spécialisé se penchent sur ces procédés qui reposent sur des machines déjà commercialisées et modifiées pour s’adapter aux besoins spécifiques des chercheurs. Pour les entreprises susceptibles d’être intéressées par ces travaux, « c’est plus parlant, il sera plus facile d’appliquer nos méthodes puisque la machine existe déjà », note Jean-Dominique Bartout qui a adopté une « approche orientée au plus près des besoins des industriels ».
Pour ces derniers, principalement dans l’aéronautique, la technologie permettra de produire des pièces de structure en quantité limitée. « Il ne s’agit pas de fabriquer des têtes de Yoda ou des tours Eiffel », rappelle le responsable du groupe EPROM. Les objets en question, par exemple des aubes de turbines seront utilisables dans des moteurs d’avions, d’où un niveau d’exigence particulièrement élevé !
Déjà, JPB System, un sous-traitant français a eu recours à l’expertise du Centre des Matériaux afin d’adapter la technologie MBJ à la production de leur système de boulonnerie autobloquante. Cette nouvelle technologie permettra, à terme, d’alléger la structure, donc de réduire l’usage de carburant, mais aussi de limiter les coûts de maintenance. Pour l’heure, les pièces en question ne sont pas encore sur le marché, mais ces travaux « ont pour rôle d’identifier le champ des possibles », indique Jean-Dominique Bartout. |
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Os synthétiques
Et ce champ se révèle bien plus vaste qu’on pourrait l’imaginer. La fabrication additive indirecte, principe qui sous-tend le MBJ, trouve des applications dans le domaine de la course automobile, pour des véhicules de F1, dans le luxe, afin de produire des pièces uniques mais aussi dans la santé.
« Nous avons travaillé sur la production d’os synthétique grâce à la fabrication additive directed », expose ainsi le scientifique. Pour ce projet pionnier, il a collaboré avec le CEMEF à Sophia-Antipolis. Dans ce cas, il s’agissait de recomposer un morceau de tissu manquant pour un patient victime d’une fracture par exemple. « Les cellules adjacentes peuvent ensuite recoloniser » l’organe à reconstruire. Encore mieux qu’une prothèse en titane puisque le « matériau » de base risque beaucoup moins d’être rejeté ! D’ailleurs, « La technologie MBJ serait une excellente candidate pour cette application. On parlerait de ‘CMJ’ » (Cellular Material Jetting), ajoute le chercheur. Des pyramides aux os synthétiques en passant par les moteurs d’avion… le principe de la fabrication additive a fait son chemin.
Pour en savoir plus sur le CMAT et Mines Paris-PSL :
