L’imprimante 3-D qui pourrait enfin changer la fabrication

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L’imprimante 3-D qui pourrait enfin changer la fabrication

Publié le 28 mai 2020

Desktop Metal pense que ses machines offriront aux concepteurs et aux fabricants un moyen pratique et abordable d’imprimer des pièces métalliques.

Moins de deux mois avant le lancement du premier produit de sa société, le PDG Ric Fulop présente avec enthousiasme sur une table des rangées d’imprimantes 3D dépouillées, plusieurs fours à micro-ondes encombrants et un assortiment de petits objets métalliques. Derrière une porte fermée, une équipe de designers industriels est assise autour d’un bureau de travail commun, chacun faisant face à un grand écran. Le mur derrière eux est tapissé de diverses possibilités de présentation des produits ambitieux de la startup : Des imprimantes 3D qui peuvent fabriquer des pièces métalliques à moindre coût et assez rapidement pour rendre la technologie pratique pour une utilisation généralisée dans la conception et la fabrication de produits.

La société, Desktop Metal, a levé près de 100 millions de dollars auprès des principales sociétés de capital-risque et des unités de capital-risque de sociétés telles que General Electric, BMW et Alphabet. Parmi les fondateurs figurent quatre éminents professeurs du MIT, dont le chef du département des sciences des matériaux de l’école et Emanuel Sachs, qui a déposé l’un des premiers brevets sur l’impression en 3D en 1989. Cependant, malgré tout l’argent et l’expertise, rien ne garantit que la société réussisse à atteindre son objectif de réinventer la façon dont nous fabriquons les pièces métalliques – et donc de transformer une grande partie de la fabrication.

Alors que Ric Fulop se déplace dans le grand espace de travail ouvert, son excitation et son enthousiasme semblent tempérés par l’anxiété. Les imprimantes commerciales finales ne sont pas encore prêtes. Les employés sont occupés à bricoler les machines, et les objets d’essai fabriqués sont éparpillés un peu partout. Des progrès sont réalisés, mais il est également évident que l’horloge tourne. Dans un coin près de la porte d’entrée et de la zone d’accès, le sol est vide et scotché ; bientôt, l’espace doit être rempli d’une maquette du stand prévu par l’entreprise pour un prochain salon professionnel.

Si elle réussit, Desktop Metal aidera à résoudre un défi de taille qui a échappé aux développeurs de l’impression 3D pendant plus de trois décennies, limitant sérieusement l’impact de la technologie. En effet, en dépit d’une fanfare considérable et des enthousiastes évangéliques, l’impression 3D a, à bien des égards, été une déception.

Les amateurs et les fabricants autoproclamés peuvent utiliser des imprimantes 3D relativement peu coûteuses pour réaliser des formes merveilleusement complexes et ingénieuses en plastique. Et certains concepteurs et ingénieurs ont trouvé ces machines utiles pour faire des maquettes de produits potentiels, mais l’impression de pièces en polymère n’a trouvé que peu d’utilité dans la production de quelques produits spécialisés, tels que les appareils auditifs et les implants dentaires personnalisés.

Bien qu’il soit possible d’imprimer des métaux en 3D, cette opération est difficile et coûteuse. Les entreprises de fabrication de pointe telles que GE utilisent des machines très coûteuses équipées de lasers spécialisés de haute puissance pour fabriquer quelques pièces de grande valeur. Mais l’impression des métaux est limitée aux entreprises qui ont des millions à dépenser pour l’équipement, les installations pour alimenter les lasers et des techniciens hautement qualifiés pour faire fonctionner le tout. Et il n’y a toujours pas de solution facilement accessible pour ceux qui veulent imprimer diverses itérations d’une pièce métallique au cours du processus de conception et de développement du produit.

Un collecteur hydraulique est traité dans un four à micro-ondes, qui utilise des températures allant jusqu’à 1 400 °C pour fritter la pièce en acier. Une telle pièce est trop complexe pour être fabriquée avec des méthodes conventionnelles.

Les défauts de l’impression en 3D font que la vision qui a longtemps enthousiasmé ses partisans reste insaisissable. Ils voudraient créer un dessin numérique, imprimer des prototypes qu’ils pourraient tester et affiner, puis utiliser le fichier numérique de la version optimisée pour créer un produit commercial ou une pièce à partir du même matériau chaque fois qu’ils frappent « make » sur une imprimante 3-D. Disposer d’un moyen abordable et rapide d’imprimer des pièces métalliques serait une étape importante pour faire de cette vision une réalité.

Elle donnerait plus de liberté aux concepteurs, leur permettant de créer et de tester des pièces et des dispositifs de formes complexes qui ne peuvent être réalisés facilement avec une autre méthode de production – par exemple, un treillis complexe en aluminium ou un objet métallique avec des cavités internes. Elle pourrait à terme permettre aux ingénieurs et aux spécialistes des matériaux de créer des pièces dotées de nouvelles fonctions et propriétés en déposant diverses combinaisons de matériaux, par exemple en imprimant un métal magnétique à côté d’un métal non magnétique. En outre, elle redéfinirait l’économie de la production de masse, car le coût de l’impression serait le même quel que soit le nombre d’articles produits. Cela changerait la façon dont les fabricants pensent à la taille des usines, à la nécessité de disposer d’un stock de réserve (pourquoi garder de nombreuses pièces en stock si l’on peut en imprimer une simplement et rapidement) et au processus d’adaptation de la fabrication à des produits spécialisés.

C’est pourquoi il y a eu une course pour transformer l’impression en 3D en une nouvelle façon de produire des pièces. Les fournisseurs de longue date d’imprimantes 3-D, dont Stratasys et 3D Systems, introduisent des machines de plus en plus perfectionnées et suffisamment rapides pour que les fabricants puissent les utiliser. L’année dernière, HP a lancé une gamme d’imprimantes 3D qui, selon l’entreprise, permettra aux fabricants de réaliser des prototypes et de fabriquer des produits avec du nylon, un thermoplastique très utilisé. Et l’automne dernier, GE a dépensé plus d’un milliard de dollars dans deux entreprises européennes spécialisées dans l’impression 3D de pièces métalliques.

Cette hélice en acier vient d’être imprimée. Entre les pales de l’hélice et le support métallique se trouve une fine ligne de céramique, qui se transformera en sable au cours du processus de frittage, ce qui permettra de séparer facilement la pièce finie du support.

L’hélice après traitement fournit un exemple de pièce à haute performance qui peut être réalisée avec une impression en 3D. Les ingénieurs peuvent utiliser cette méthode pour réaliser des prototypes et optimiser différentes conceptions.

Mais la véritable concurrence pour Desktop Metal ne vient probablement pas du nombre croissant d’entreprises dans le domaine de l’impression 3D. D’une part, les imprimantes 3D de HP, Stratasys (un investisseur dans Desktop Metal), et 3D Systems utilisent principalement différents types de plastiques, et non la gamme de métaux que la société de Fulop veut utiliser dans ses imprimantes. Et les machines haut de gamme de GE ne correspondent guère aux ambitions de Desktop Metal sur le marché. Au contraire, les véritables concurrents de Desktop Metal sont plutôt des technologies de transformation des métaux bien établies. Celles-ci comprennent les techniques d’usinage automatisé – comme la méthode utilisée pour fabriquer le boîtier arrière en aluminium ultrafin des iPhones – et une pratique en pleine expansion appelée moulage par injection de métal, une méthode courante de production de masse de produits métalliques.

En d’autres termes, plutôt que de se contenter d’essayer de surpasser les autres imprimantes 3D, Desktop Metal aura la lourde tâche de convertir les fabricants aux méthodes de production qui sont au cœur de leurs activités. Mais c’est l’existence même de ce grand marché établi qui rend cette perspective si intrigante. La fabrication de pièces métalliques, explique Ric Fulop, « est une industrie qui pèse des billions de dollars ». Et même si l’impression 3D n’en gagne qu’une petite partie, ajoute-t-il, elle pourrait représenter une opportunité de plusieurs milliards de dollars.

Trop chaud pour l’impression

Regardez autour de vous. Les métaux sont partout. Mais alors que l’impression 3D a été largement utilisée pour la fabrication des plastiques, l’utilisation de cette technologie pour la fabrication de pièces métalliques « a été étroitement confinée », explique Chris Schuh, responsable de la science et de l’ingénierie des matériaux au MIT et cofondateur de Desktop Metal. « Le traitement des métaux est plutôt un art. C’est un espace très stimulant ».

La fabrication d’objets métalliques par impression en 3D est difficile pour plusieurs raisons. La plus évidente est la température élevée requise pour le traitement des métaux. La façon la plus courante d’imprimer des plastiques consiste à chauffer des polymères et à faire gicler le matériau à l’extérieur de la buse de l’imprimante ; le plastique durcit alors rapidement pour prendre la forme souhaitée. Le procédé est assez simple pour être utilisé dans les imprimantes 3D qui se vendent environ 1 000 dollars. Mais construire une imprimante 3D qui extrude directement les métaux n’est pas pratique, étant donné que l’aluminium fond à 660 °C, l’acier à haute teneur en carbone à 1 370 °C et le titane à 1 668 °C. Les pièces métalliques doivent également passer par plusieurs processus à haute température pour assurer la résistance et les autres propriétés mécaniques attendues.

Pour fabriquer une imprimante 3-D suffisamment rapide pour être utilisée dans la fabrication d’objets métalliques, Desktop Metal s’est tourné vers une technologie qui remonte à la fin des années 1980. C’est alors qu’une équipe d’ingénieurs du MIT dirigée par le cofondateur de la société, Emanuel Sachs, a déposé un brevet pour les « techniques d’impression en trois dimensions ». Elle décrivait un procédé consistant à déposer une fine couche de poudre métallique, puis à utiliser l’impression par jet d’encre pour déposer un liquide qui lie sélectivement la poudre. Ce procédé, qui est répété pour des centaines ou des milliers de couches afin de définir une pièce métallique, permet de réaliser des pièces d’une complexité géométrique presque illimitée. Dans l’application la plus courante de cette technologie, le liant agit comme une colle. Cependant, il peut également être utilisé pour déposer localement différents matériaux à différents endroits.

Les chercheurs du MIT savaient que leur méthode d’impression pouvait être utilisée pour fabriquer des pièces métalliques et céramiques, explique Emanuel Sachs. Mais ils savaient aussi que c’était trop lent pour être pratique, et que les poudres métalliques nécessaires au processus étaient beaucoup trop chères à l’époque. Sachs s’est tourné vers d’autres intérêts de recherche, notamment un effort pour améliorer la fabrication des cellules photovoltaïques. Au cours des décennies suivantes, l’impression en 3D a pris son essor et a capté l’imagination de nombreux concepteurs de produits. La plus célèbre est l’imprimante 3D bon marché et facile à utiliser de MakerBot, lancée en 2009, qui a séduit de nombreux inventeurs et bricoleurs autoproclamés. Mais ces imprimantes abordables se sont heurtées à la réalité, à savoir qu’elles étaient limitées à l’utilisation de quelques plastiques bon marché. De plus, bien que les machines puissent imprimer des formes complexes, le produit final n’est souvent pas aussi bon qu’une pièce en plastique fabriquée avec une technologie conventionnelle.

Desktop Metal a imprimé séparément le boulon et l’écrou papillon pour démontrer qu’elle peut fabriquer des pièces avec des tolérances serrées.

Pendant ce temps, les chercheurs de fabricants industriels comme GE s’affairaient à faire progresser les technologies laser inventées à la fin des années 1980 pour l’impression des métaux. Ces machines utilisent des lasers – ou, dans certains cas, des faisceaux d’électrons à haute puissance – pour dessiner des formes dans une couche de poudre métallique en faisant fondre le matériau. Elles répètent le processus pour construire un objet tridimensionnel à partir des poudres fondues. Cette technique est impressionnante par ses capacités, mais elle est lente et coûteuse. Elle ne vaut la peine que pour les pièces de très grande valeur qui sont trop complexes pour être fabriquées par d’autres méthodes. Notamment, le nouveau moteur à réaction de GE utilise une série de buses de carburant sophistiquées, imprimées en 3D ; elles sont plus légères et beaucoup plus durables car des canaux de refroidissement complexes y ont été intégrés.

Les fondateurs de Desktop Metal ont décidé que pour rendre l’impression 3D sur métal plus largement accessible, ils devaient vendre deux types de machines différentes : un modèle « de bureau » relativement peu coûteux, adapté aux concepteurs et aux ingénieurs qui fabriquent des prototypes, et un modèle rapide et suffisamment grand pour les fabricants. Heureusement, plusieurs innovations ont finalement permis de rendre l’invention originale d’Emanuel Sachs pratique pour la production de masse, notamment le développement de l’impression à très haute vitesse par jet d’encre pour le dépôt du liant. En imprimant successivement environ 1 500 couches de 50 micromètres d’épaisseur chacune et en les déposant en quelques secondes, l’imprimante de production peut réaliser une pièce de 500 pouces cubes en une heure. C’est environ 100 fois plus rapide qu’une imprimante laser 3D ne peut fabriquer des pièces métalliques.

Pour sa machine de prototypage, Desktop Metal a adopté une méthode d’impression 3D à base de plastique. Mais au lieu d’un polymère ramolli, il utilise des poudres métalliques mélangées à un liant polymère fluide. La formulation est extrudée, en utilisant le liant imprimé pour agglomérer la poudre métallique dans les formes prévues.

Cependant, que la pièce soit imprimée avec la machine de prototypage ou le modèle de production, le liant plastique et le métal qui en résultent confèrent à la pièce la résistance d’une pièce métallique. Il est donc placé dans un four à micro-ondes spécialement conçu pour le frittage, un processus qui utilise la chaleur pour rendre le matériau plus dense, produisant ainsi une pièce avec les propriétés souhaitées. Au cours d’une série d’étapes soigneusement calibrées pendant le processus de frittage, le polymère est brûlé, puis le métal est fusionné à une température bien inférieure à son point de fusion.

L’argumentaire de vente

Selon les promesses de ses adeptes, l’impression en 3D réduira le besoin de fabricants industriels et renforcera les producteurs artisanaux locaux. La réalité sera probablement bien différente mais néanmoins profonde. De nombreux secteurs de la production industrielle utilisent de plus en plus l’automatisation et les logiciels de pointe, et l’impression en 3D renforce cette évolution constante vers la fabrication numérique. D’une certaine manière, ce n’est pas sans rappeler un processus d’usinage automatisé qui travaille à partir d’un fichier numérique pour créer une pièce métallique. La différence avec l’impression 3D est qu’elle permet de fabriquer des objets beaucoup plus complexes et qu’elle supprime de nombreuses contraintes que le processus de production impose aux concepteurs et aux ingénieurs.

Elle pourrait également inciter les fabricants à modifier leurs stratégies de logistique et de production. Pour des quantités relativement faibles de marchandises, l’impression en 3D pourrait être moins coûteuse, car elle élimine les coûts liés à l’outillage, au moulage et aux moules nécessaires pour produire la plupart des objets en métal et en plastique. Le temps et l’argent nécessaires à la mise en place de tout cela est l’une des raisons pour lesquelles la production de masse est souvent nécessaire si un fabricant veut gagner de l’argent. Sans cette incitation à s’engager dans la production de masse, les usines pourraient modifier leurs calendriers de production et être plus réactives à la demande, se rapprochant encore plus de la fabrication en flux tendu.

John Hart, professeur d’ingénierie mécanique au MIT et cofondateur de Desktop Metal, appelle cela la production de masse personnalisée. Plutôt que d’avoir de grandes installations pour fabriquer un grand nombre de pièces identiques qui doivent être expédiées dans le monde entier et entreposées, les fabricants pourraient maintenir des usines dispersées qui fabriquent un ensemble de produits divers, en augmentant la production selon les besoins. « Les implications dans une décennie ou deux dépassent probablement notre imagination », déclare John Hart. « Je ne pense pas que nous sachions vraiment ce que nous ferons avec ces technologies. »

Pour l’instant, le défi pour Desktop Metal est de mettre son équipement entre les mains de concepteurs et d’ingénieurs qui sont responsables de la prochaine génération de produits de leur entreprise. Cet hiver, Ric Fulop se préparait à présenter le premier produit de l’entreprise, la machine de prototypage, lors d’un salon à Pittsburgh au début du mois de mai. (L’imprimante 3D de production devrait être disponible l’année prochaine.) Sa tâche consisterait à convaincre les participants que dépenser 120 000 dollars pour l’imprimante de prototypage et le four de frittage de Desktop Metal est essentiel pour l’avenir de leur entreprise.

L’un des principaux avantages de l’impression 3D est sa capacité à réaliser des structures complexes, notamment des treillis internes dans une pièce métallique. Ces structures pourraient être utilisées pour fabriquer des pièces plus légères et plus résistantes.

C’est un travail de vente pour lequel Ric Fulop est bien adapté. Il a créé plus d’une demi-douzaine d’entreprises, à commencer par celle qui importait du matériel informatique et des logiciels qu’il a fondée à l’âge de 16 ans et qui existe toujours dans son Venezuela natal. Il est probablement mieux connu pour avoir fondé A123 Systems, une entreprise de batteries qui a été l’une des plus importantes start-ups de la fin des années 2000, avec une introduction en bourse de 371 millions de dollars en 2009. L’entreprise s’appuyait sur une nouvelle technologie lithium-ion développée par Yet-Ming Chiang, un professeur du MIT qui est également cofondateur de Desktop Metal. Tout comme sa jeune entreprise d’impression en 3D, A123 espérait appliquer son expertise en science des matériaux pour révolutionner un énorme marché.

Bien qu’A123 ait connu une croissance rapide et une introduction en bourse très réussie, la société a déclaré faillite en 2012 (Fulop est parti en 2010). Demandez à Ric Fulop la leçon à tirer d’A123 et il vous dira simplement : « Les batteries sont un marché à faible marge ». En effet, A123 s’est battue pour être compétitive dans un marché des batteries de plus en plus encombré, et elle n’a pas offert une amélioration de performance assez radicale par rapport aux batteries lithium-ion établies pour conquérir immédiatement un marché des véhicules hybrides en plein essor.

Les défis auxquels sera confronté Desktop Metal seront très différents. Il existe déjà un énorme marché pour les pièces métalliques. Et la start-up pense que sa technologie aura, au moins à court terme, peu de concurrents directs. Yet-Ming Chiang souligne le « très riche » portefeuille de brevets de la start-up. « Ce ne sont pas seulement les matériaux, mais aussi les techniques, le four [de frittage] », dit-il. « Plus la technologie est difficile, plus la barrière à l’entrée est élevée si vous réussissez.

Dans son bureau, Yet-Ming Chiang a une boîte en bois contenant une demi-douzaine d’épées, prêtées par le Musée des Beaux-Arts de Boston, qui ont été fabriquées dans les années 1970 selon les techniques traditionnelles japonaises. Il utilise les épées dans l’enseignement. La leçon : comment les artisans ont utilisé les secrets de la métallurgie pour transformer le minerai de fer en produit final – une épée en acier ultrapointue et légèrement courbée.

En montrant les épées, Chiang montre certains de leurs détails, expliquant les astuces utilisées par leurs fabricants, comme la méthode de trempe utilisée pour créer un tranchant extrêmement dur et un corps plus souple. De retour à son bureau, son attention se porte à nouveau sur Desktop Metal. Il est tout aussi enthousiaste lorsqu’il décrit les objets métalliques récemment imprimés par la société et exposés dans ses installations. Ce qui est excitant, c’est « l’idée que vous pouvez vraiment fabriquer ces pièces », dit Yet-Ming Chiang. « Quelques heures, et voici une pièce que vous ne pouviez même pas faire avant ».

Elle ne remplacera pas les techniques de production centenaires comme la forge et le moulage des métaux, mais l’impression en 3D pourrait créer de nouvelles possibilités de fabrication – et peut-être même réimaginer l’art de la métallurgie.

Les acteurs clés de l’impression 3D

Entreprise : Stratasys

La technologie : Stratasys, l’une des premières sociétés d’impression 3D, a été fondée par Scott Crumb, l’inventeur de la modélisation par dépôt fondu, la méthode la plus courante pour imprimer des pièces en plastique.

Produits : Vend des machines qui peuvent imprimer une variété de photopolymères et de matériaux thermoplastiques.

Société : Carbone

Technologie : cette start-up de la Silicon Valley a mis au point un nouveau procédé photochimique pour fabriquer des pièces à partir de divers plastiques, dont le polyuréthane et l’époxy.

Produits : A introduit un système modulaire pour les fabricants ce printemps.

Entreprise : HP

La technologie : Sa gamme de machines exploite la longue histoire de l’entreprise en matière d’impression par jet d’encre grâce à ce qu’elle appelle la « technologie de fusion multijet ». Celle-ci utilise plusieurs buses pour l’impression à grande vitesse et à haute résolution.

Produits : A lancé ses premières imprimantes 3D l’année dernière. Les premières machines impriment sur du nylon, mais la société cherche à étendre ses activités à d’autres matériaux.

Entreprise : 3D Systems

La technologie : La première société d’impression 3D, 3D Systems, a été fondée par Chuck Hull, l’inventeur de la stéréolithographie, qui utilise la lumière pour former des pièces à partir de photopolymères. Elle propose aujourd’hui différents types d’imprimantes 3D, dont certaines impriment des pièces métalliques.