L'impression 3D Comme Technologie De Production

Il ne fait aucun doute que l’impression 3D est allée au-delà de la fabrication de prototypes et de pièces uniques. Le taux d’adoption de l’impression 3D par les entreprises Fortune 500 ne peut plus être décrit avec précision comme lent. Alors que la FA était autrefois lente, coûteuse et limitée dans ses applications, elle surpasse désormais la fabrication conventionnelle dans ces mêmes métriques. Les fabricants et les producteurs utilisent des imprimantes 3D pour fabriquer des pièces à divers points de la chaîne de production, y compris des outils de fabrication, des gabarits et des montages, des tests d’ajustement, et bien sûr pièces d’utilisation finale. La transition vers les applications de production ne consiste pas seulement à améliorer le matériel des imprimantes 3D au point de remplacer les équipements de fabrication existants ; La fabrication nécessite beaucoup de coordination entre les grands écosystèmes, de sorte que les entreprises d’impression 3D apprennent à naviguer dans ces canaux pour augmenter l’adoption. Jetons un coup d’œil à l’évolution de l’impression 3D vers une technologie de production.

Diverses initiatives comme le projet IDAM (Industrialization and Digitization of Additive Manufacturing for Automotive Series Processes) ont abordé le manque de standardisation des processus de FA et des propriétés des matériaux, rendant l’impression 3D encore plus automatisée que la fabrication traditionnelle. Le projet IDAM devrait aboutir à l’impression de 50 000 pièces automobiles produites en série et de 10 000 pièces détachées par an.

Dans la fabrication, les matériaux doivent répondre à certaines normes de qualification et les matériaux d’impression 3D ne font pas exception. Un certain nombre d’organisations et d’entreprises s’efforcent de créer des processus de qualification et de certification normalisés pour les équipements de FA. Un bon exemple est Stratasys, qui a collaboré avec le National Center for Advanced Materials Performance (NCAMP) sous la supervision de la FAA pour créer une base de données du domaine public qui comprend des processus, des équipements et des matériaux standardisés pour répondre aux normes de qualification. Une exigence clé pour la qualification est la répétabilité, comme l’explique Scott Sevcik, vice-président des solutions de fabrication chez Stratasys : « Jusqu’à ce que vous ayez ce niveau (élevé) de répétabilité, il est très difficile pour un certificateur d’examiner une technologie et de lui faire confiance. »

Ce qui était autrefois des obstacles à l’impression 3D sont maintenant des arguments de vente. La sélection de matériaux a explosé au cours des deux dernières années et les imprimantes sont plus grandes et plus rapides que jamais. Il est également de plus en plus courant que les imprimantes 3D industrielles soient dotées de systèmes en boucle fermée qui surveillent activement les dimensions d’une pièce pendant son impression pour s’assurer qu’elle est conforme aux spécifications ; si quelque chose ne va pas, l’imprimante effectuera automatiquement des ajustements pour corriger l’anomalie. Les imprimantes 3D haut de gamme ont vraiment progressé en termes de capacités. Ainsi, plutôt que d’expliquer pourquoi les entreprises n’adoptent pas l’impression 3D pour la production, nous allons examiner pourquoi elles le font :

Plus vite – Pour les petites et moyennes séries de petits objets, l’impression 3D est déjà plus rapide que de nombreuses méthodes de fabrication traditionnelle simplement en raison du temps qu’il faut pour créer l’outillage pour les moules d’injection et les moulages nécessaires à la fabrication traditionnelle. La réduction des délais de conception et de production est une valeur ajoutée majeure pour les fabricants.
Coûts inférieurs – Les moules et moulages que nous venons de mentionner pour la fabrication conventionnelle ne sont pas bon marché, donc les petites et moyennes séries peuvent être plus abordables avec l’impression 3D.
Fabrication en interne – De nombreuses entreprises choisissent de fabriquer elles-mêmes leurs pièces plutôt que d’externaliser leur production ; cela réduit leurs coûts et délais logistiques, leur permet d’itérer facilement les conceptions et améliore leur contrôle qualité. Un autre avantage de l’impression de produits en interne est la protection de la propriété intellectuelle ; il est beaucoup plus difficile de voler des designs s’ils n’ont pas été partagés avec plusieurs fabricants.

Renouvelable et efficace – La nature additive de l’impression 3D la rend intrinsèquement moins coûteuse que les technologies de fabrication soustractives comme l’usinage. Cela est attrayant pour les grands fabricants qui ressentent des pressions croissantes de la part de leurs clients (et des gouvernements) pour améliorer l’efficacité de leur fabrication. De nombreuses imprimantes 3D grand format peuvent également utiliser des plastiques déchiquetés comme matière première, offrant aux producteurs une forme directe de recyclage.
Conception générative – Les outils de conception générative automatisés gagnent en popularité et les géométries organiques qu’ils génèrent ne peuvent souvent être produites qu’à l’aide de l’impression 3D.
Performance – Le développement de matériaux est un effort continu au sein de l’espace d’impression 3D et la sélection et les performances des matériaux se sont considérablement améliorées. Certains matériaux, y compris certains métaux, ont en fait des propriétés mécaniques supérieures à celles de ces mêmes matériaux s’ils ont été forgés ou moulés par injection. Plusieurs technologies d’impression 3D (SLA/DLP, SLM, EBM, MJF) créent des pièces isotropes, ce qui signifie qu’elles sont également résistantes dans chaque axe.

Personnalisation de masse – L’impression 3D permet de personnaliser et de personnaliser des pièces produites en série sans ralentir la production ni entraîner des coûts supplémentaires.

Exemples d’impression 3D de production

Soins de santé

Le secteur de la santé a été l’un des premiers à adopter l’impression 3D pour les besoins de production, en partie parce qu’il a accès à beaucoup de capitaux et en partie parce que bon nombre de ses solutions nécessitent une personnalisation. Plus de 100 000 prothèses de hanche en titane ont été imprimées en 3D et beaucoup fonctionnent toujours correctement après une décennie d’opération. Les aides auditives sont presque exclusivement imprimées en 3D depuis près de 20 ans ; des dizaines de milliers d’aides auditives personnalisées sont imprimées chaque année.

De nos jours, les dentistes dépendent également fortement de l’impression 3D. L’impression 3D de moules pour aligneurs transparents est l’un des changements les plus spectaculaires en dentisterie. La grande majorité de ces produits dentaires sont fabriqués via une combinaison d’impression 3D et de thermoformage traditionnel, et sont peut-être l’application unique en volume pour les technologies d’impression 3D dans le monde aujourd’hui.

Équipement sportif

Il y a eu une énorme augmentation de l’impression de composants de vélo, notamment les cadres. AREVO prévoit d’imprimer en 3D le cadre en fibre de carbone de chaque vélo électrique Emery ONE qu’ils vendent en raison de la réduction de poids permise par la technologie. HEXR imprime en 3D des casques de cyclisme personnalisés en scannant en 3D la tête de chaque client pour créer un ajustement parfait, plus léger et plus sûr qu’un casque en mousse standard.

En parlant de casques, Riddell s’est associé à Carbon pour faire la même chose pour les casques de football. Dans un sport où les collisions sont normales, la protection supplémentaire fournie par l’ajustement personnalisé et la structure en treillis interne est essentielle.

Des poignées de raquette de tennis personnalisées sont imprimées en 3D par une société appelée Unstring Customs, ce qui rend la raquette beaucoup plus légère et plus confortable.

Transport

Nous avons largement couvert l’adoption continue de l’impression 3D dans l’industrie automobile, la plupart des fabricants imprimant des outils de production et des gabarits ainsi que certaines pièces d’utilisation finale telles que le boîtier de phare.

Les compagnies aériennes utilisent l’impression 3D pour réduire le poids des avions, ce qui permet d’économiser des millions de dollars en carburant pour toutes les flottes. GE Aviation a imprimé plus de 30 000 injecteurs de carburant pour moteurs qui améliorent l’efficacité énergétique, et Boeing a tout imprimé, des boîtiers d’instrumentation aux raccords structurels de leurs avions.

La compagnie ferroviaire Deutsche Bahn a maintenant imprimé quelque 10 000 pièces pour plus de 30 cas d’utilisation différents sur ses trains. Ils ont commencé par imprimer de simples cintres en plastique, mais sont passés à des boîtes tampons et des chapeaux de roulement d’essieu imprimés en métal. L’impression 3D leur permet de faire fonctionner les trains plus anciens en fabriquant des pièces de rechange qui ne sont plus disponibles.

Électronique

L’utilisation d’imprimantes 3D pour fabriquer des PCB (circuits imprimés) est une autre tendance à la hausse dans la fabrication. Les PCB sont le cœur (le cerveau ?) de l’électronique ; ils font fonctionner nos smartphones et nos lecteurs Blu-ray. L’impression de circuits imprimés en interne pour le prototypage accélère non seulement le processus de prototypage, mais fournit également un haut niveau de protection IP. Mais la technologie d’impression PCB a progressé au point qu’elle peut également être utilisée pour la production en série de petites et moyennes séries.

Étude de cas de production

Rollertrain: Cage de roulement pour roulements à rouleaux divisés

Imprimé en 3D par an : 10.000
Imprimante 3D : HP Jet Fusion 3D 4200
Type d’imprimante : fusion sur lit de poudre

Matériel : HP PA 11

John Handley Bearings s’est associé à Bowman pour concevoir une nouvelle gamme de roulements à rouleaux divisés. Ces roulements sont un facteur important dans les secteurs industriels lourds comme l’exploitation minière et les carrières en raison de sa capacité à améliorer l’efficacité, à réduire les temps d’arrêt et à augmenter la production.

La cage de ces roulements à rouleaux fendus, nommés ‘Rollertrain’ est conçue par Bowman et est entièrement imprimée en 3D. Le Rollertrain est conçu avec l’impression 3D à l’esprit, ce qui leur a permis de réduire l’espace des éléments roulants par rapport aux conceptions traditionnelles de cages «cap and body». L’espace supplémentaire autour du chemin de roulement intègre désormais jusqu’à 45 % de rouleaux en plus que les roulements existants. Cela se traduit par une capacité radiale accrue de 70 % et une capacité axiale accrue de 1 000 %. Le temps de montage des cages Rollertrain est réduit de 50 %. De plus, il convient de mentionner que l’impression 3D est la seule méthode de fabrication capable de concrétiser ce concept de manière économiquement viable.

Il existe depuis longtemps une perception selon laquelle l’impression 3D ne convient qu’au prototypage et aux pièces uniques. Un sentiment déplacé que l’impression 3D est trop chère et que les pièces imprimées en 3D n’ont pas les bonnes propriétés a contribué à l’idée que la fabrication additive n’est pas à la hauteur d’être utilisée comme technologie de production. En ce qui concerne les petits et moyens volumes, l’impression 3D devrait continuer à dépasser les méthodes de fabrication traditionnelles.

Et après

L’impression 3D est considérée comme « perturbatrice » depuis un certain temps. Mais les entreprises de FA ne cherchent plus à perturber les canaux de fabrication. Ils ne veulent pas remplacer la vieille garde ; ils veulent travailler avec eux. Les entreprises de FA se concentrent actuellement sur l’identification des meilleures façons d’intégrer l’impression 3D dans les chaînes d’approvisionnement existantes. Il n’est pas nécessaire de jeter les machines de moulage et de moulage par injection lorsque les imprimantes 3D peuvent fonctionner juste à côté d’elles pour créer des moules et des montages. Les machines CNC peuvent toujours être utilisées pour finir des pièces, mais elles produiront moins de déchets si elles commencent avec une pièce imprimée en 3D.

Sur une note connexe, la maturité de l’impression 3D en tant que technologie de production peut être vue dans l’accent mis actuellement sur le post-traitement. Le post-traitement est l’aspect le moins glamour de l’impression 3D, mais il est extrêmement important pour la fabrication de produits d’utilisation finale. Les parties avec lesquelles les consommateurs interagissent doivent être lisses et uniformes, ou à tout le moins pas désagréables au toucher. Presque toutes les grandes entreprises d’impression 3D essaient d’automatiser davantage les étapes de post-traitement. Pour les pièces en plastique, cela peut être un bain dans une solution pour dissoudre des supports ou des surfaces lisses, et pour les métaux, ce peut être un bras robotisé qui scie les supports et place la pièce dans un four pour un traitement thermique. L’essor de l’impression 3D dans les applications de production suit de près le développement de ces techniques et machines de post-traitement automatisées.

À terme, davantage de biens de consommation comme les téléphones portables seront également imprimés en 3D, de la carte de circuit imprimé à l’objectif de la caméra en passant par le boîtier. Chaque voiture aura des dizaines de pièces imprimées plutôt que quelques voitures ayant une ou deux pièces imprimées. Et tant de jouets seront imprimés. Les volumes de production pour la technologie AM devront augmenter un peu, mais pas beaucoup.