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L’impression 3D pour l’industrie


La fabrication additive – ou impression 3D – va révolutionner l’industrie. L’Institut Carnot M.I.N.E.S vient de terminer un projet de 4 ans destiné à répondre aux besoins des industriels sur ce sujet.

Voir fonctionner une imprimante 3D est fascinant : pilotée par ordinateur, l’imprimante dépose des centaines de couches de matériau qui s’empilent doucement. En quelques minutes ou quelques heures, un objet parfois complexe naît sous nos yeux. Si, aujourd’hui, le grand public se passionne pour ces imprimantes, c’est aussi le cas dans le monde industriel, qui a pressenti l’énorme potentiel de cette technologie.

Les chercheurs et les industriels préfèrent néanmoins parler de « fabrication additive » pour expliquer le principe, mais aussi pour que l’on ne confonde pas leurs productions avec les objets un peu gadget fabriqués par les imprimantes 3D bon marché.

1 million d’euros pour la fabrication additive

Pour aider les entreprises à investir cette nouvelle technologie au potentiel incroyable, l’Institut Carnot M.I.N.E.S a lancé en 2014 l’appel à projet interne Aclame, doté d’un million d’euros. Son but : aider les industriels à améliorer leurs technologies de fabrication additive, et ce pour trois familles de matériaux : les plastiques, les céramiques, et les cermets (matériaux hybrides céramique-métal). « Même si  ces matériaux sont très différents, l’approche scientifique est la même », souligne Jérémie Soulestin, chercheur spécialiste des polymères à l’IMT Lille Douai. C’est pourquoi six laboratoires différents se sont associés dans ce projet.

Plusieurs problèmes sont communs aux trois familles de matériaux. Tout d’abord, la présence inévitable de trous non souhaités. Cette porosité a des effets néfastes sur les propriétés des matériaux. D’autre part, les conséquences du refroidissement rapide. En effet, les matériaux sont fondus pour  être imprimés, puis ils refroidissent rapidement et durcissent, tandis que d’autres parties de l’objet sont encore liquides. Cela engendre des contraintes qui tordent le matériau. Enfin, lorsqu’il refroidit, le matériau n’est pas toujours dans la phase (l’état à l’échelle microscopique) obtenue par les procédés habituels, ce qui, là encore, modifie ses propriétés.

Propriétés mécaniques

« Nous avons cherché  à comprendre la corrélation entre les caractéristiques du matériau, les conditions de formation de l’objet, et les propriétés finales de la pièce », explique Jérémie Soulestin.  C’est la même démarche que pour les procédés de fabrication traditionnels. Mais les chercheurs se heurtent aussi à des difficultés nouvelles.

Par exemple, les plastiques traditionnellement utilisés dans l’industrie, comme le polyéthylène ou le polypropylène, ont tendance à cristalliser, et se rétractent violemment, ce qui crée des distorsions dans les pièces. Il est également compliqué de former la première couche, car ces matériaux ne collent pas sur le support.

La fabrication additive des céramiques n’en est qu’à  ses débuts. La technique consiste à disposer la céramique sous forme de poudre, et à la fondre localement à l’aide d’un laser. Mais contrairement aux métaux qui subissent aussi ce procédé en fabrication additive, les céramiques n’absorbent pas naturellement l’énergie du laser. Il faut donc les modifier pour leur donner la capacité d’absorber cette lumière. Enfin, dans le cas des matériaux hybrides céramique-métal, appelés Cermet, la difficulté provient du fait que la céramique et le métal se comportent différemment, ce qui rend la maitrise du procédé encore plus délicate.

Au service des industriels

Grâce au projet Aclame, les chercheurs ont des réponses à apporter aux industriels. « Aujourd’hui, nous savons fabriquer une pièce en polyéthylène ou en polypropylène, alors que ce n’était pas le cas il y a quatre ans, se réjouit Jérémie Soulestin. De même, nous savons fabriquer des objets en céramique ou en céramique-métal. Si un industriel vient nous voir avec une pièce, nous pouvons lui dire si elle est faisable par fabrication additive et comment. Mais on ne peut pas encore lui garantir que les propriétés seront identiques. La route reste longue pour atteindre le degré de maturité et de maîtrise des procédés industriels d’aujourd’hui ». En revanche, il est possible de connaître les caractéristiques mécaniques qu’auront les pièces obtenues par fabrication additive.

Les chercheurs de l’Institut Carnot M.I.N.E.S ont également développé des outils de simulation numérique de la fabrication additive. Objectif : parvenir à simuler totalement la pièce et ses propriétés avant de la produire.

Nul doute que la fabrication additive sera bientôt largement présente dans les usines. « A performance égale, on peut alléger de 60, voire 80 % les pièces en utilisant de nouveaux designs accessibles uniquement par ces nouvelles technologies de fabrication », s’enthousiasme Jérémie Soulestin.   Les secteurs aéronautique et médical sont particulièrement porteurs, mais il faudra encore du temps pour certifier ces matériaux, pour qu’ils soient autorisés dans les processus de fabrication. La fabrication additive est une révolution tranquille, mais irréversible.

 


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