Les imprimantes 3D, esquisses des usines du futur

Les dernières avancées font de l’impression 3D une sérieuse concurrente de la production de masse

Lentement mais sûrement, la semelle d’une chaussure émerge d’un bac de résine liquide, comme Excalibur s’élevant au-dessus du lac enchanté. Excalibur n’était pas une épée ordinaire, cette semelle ne l’est pas non plus. Légère, flexible, sa structure interne est étudiée pour mieux soutenir le pied de l’utilisateur. Une fois fixée à son empeigne, elle s’insérera dans une paire de chaussures de sport d’une nouvelle collection d’Adidas. L’équipementier sportif allemand a l’intention de fabriquer des semelles imprimées en 3D pour ses chaussures dans deux nouvelles usines hautement automatisées en Allemagne et en Amérique, et de ne plus les produire dans les pays asiatiques low cost où la majeure partie de la production était externalisée ces dernières années. La marque pourra ainsi lancer plus rapidement ses nouveaux modèles sur le marché et ne pas rater les dernières tendances. Actuellement, concevoir un modèle prend des mois. Les nouvelles usines, qui pourront toutes deux produire jusqu’à 500 000 paires de chaussures par an, devraient réduire le délai à une semaine. Comme le montre cet exemple, l’impression 3D a fait du chemin, rapidement. En février 2011, quand ‘The Economist’ avait publié un article titré “Imprimezmoi un Stradivarius”, l’idée d’imprimer des objets était encore un concept futuriste. Aujourd’hui, c’est la réalité…

Les dernières avancées font de l’impression 3D une sérieuse concurrente de la production de masse

La “fabrication additive”, son nom technique, accélère le prototypage des designs et permet aussi de fabriquer des objets complexes et personnalisés qui peuvent directement être mis en vente. Les produits en question vont des implants dentaires à la bijouterie en passant par les pièces de voitures et d’avions. L’impression 3D n’est pas encore la norme. Elle est souvent trop lente pour la production de masse, trop chère pour certaines applications, et les résultats ne sont pas toujours à la hauteur des normes de qualité. Mais les semelles Adidas montrent bien que ces défauts sont en train d’être corrigés. Il n’est pas fou de penser que l’impression 3D sera au coeur des usines du futur. Cette technologie ne se limite pas uniquement à la fabrication en métal et plastique, les produits de base de l’industrie. Elle peut également repousser les frontières industrielles en médecine et en biologie.

Fabrication additive, couche sur couche

Les méthodes de fabrication d’un objet en trois dimensions sont nombreuses mais partagent toutes certains points communs: découper, percer, fraiser des objets, comme le font les usines classiques, pour éliminer les matériaux excédentaires et parvenir à la forme voulue. Une imprimante 3D commence de rien et procède par couches. Ces rajouts sont pilotés par les instructions d’un programme informatique conçu autour d’une représentation virtuelle de l’objet, débitée en séries de tranches fines. Ces tranches sont reproduites en couches successives de matériau, jusqu’à obtention de la forme finale. Généralement, les couches sont obtenues en extrudant des filaments de polymères fondus. L’étape de l’impression consiste à projeter par jets le matériau contenu dans des cartouches ou en faisant fondre au laser des feuilles de poudre. Les semelles Adidas se matérialisent d’une façon différente, et surprenante : selon Joseph DeSimone, la nouvelle technique tient plus d’une démarche de chimistes que d’ingénieurs,

qui ont réfléchi à la façon de fabriquer de façon additive. M. DeSimone est le patron de Carbon, l’entreprise qui produit les imprimantes qui fabriquent à leur tour les semelles Adidas. Il est aussi professeur de chimie à l’université de Caroline du Nord à Chapel Hill. L’imprimante de Carbon utilise une technologie appelée synthèse digitale lumineuse. M. DeSimone le décrit comme “une réaction chimique contrôlée par un logiciel, pour construire

des composants”. Tout commence par du polymère liquide dans un bac peu profond à la base transparente. Une image en ultraviolet de la première couche de l’objet à fabriquer est projetée à travers cette base. L’opération polymérise le volume nécessaire de polymère et reproduit l’image jusqu’au moindre détail. La première couche maintenant solide s’attache à un outil descendu dans le bac. La base du bac est perméable à l’oxygène, gaz qui freine la polymérisation. Grâce à l’oxygène, la couche polymérisée n’adhère pas à la base et l’outil peut légèrement soulever la couche fabriquée. Le processus est répété avec une seconde couche additionnée sous la première, et ainsi de suite. Quand la forme désirée est obtenue, l’outil soulève l’objet hors du bac. Il est ensuite passé au four pour le solidifier. M. DeSimone explique que la synthèse digitale lumineuse permet de surmonter deux problèmes courants de l’impression 3D. Tout d’abord, elle est jusqu’à cent fois plus rapide que les imprimantes à polymères existantes. Deuxièmement, l’étape de cuisson amalgame mieux les couches, ce qui donne un produit fini plus solide et aux surfaces lisses, nécessitant moins d’opérations de finition. Tout ceci, selon lui, rend le procédé compétitif face au moule à injection, le procédé utilisé dans les usines depuis presque 150 ans. La technique du moule à injection consiste à injecter du plastique en fusion dans un moule. Quand le plastique est solidifié, le moule s’ouvre pour éjecter l’objet. La fabrication par injection est rapide et extrêmement précise, mais fabriquer les moules et lancer une chaîne de production se révèle long et cher. Le moule à injection n’est donc intéressant que pour des productions de grandes séries d’objets identiques. Les économies d’échelles habituelles ne s’appliquent plus aux imprimantes 3D. Grâce à leurs logiciels faciles à modifier, elles peuvent fabriquer un produit avec le même équipement et les mêmes matériaux que pour des milliers d’autres. Ce qui bouleverse la nature de la production industrielle. Finis les vastes entrepôts bourrés de pièces de rechange: Caterpillar et John Deere, deux fabricants de machines pour le BTP et l’agriculture, travaillent en effet avec Carbon pour déplacer leurs entrepôts, mais dans le cloud. Les plans numériques peuvent être téléchargés depuis différents sites, et les pièces, fabriquées à la demande. Chemin faisant, les imprimantes de marques établies s’améliorent aussi. Elles sont plus rapides, elles réalisent des produits de meilleure qualité, elles impriment plus de couleurs dans une gamme plus vaste de polymères, dont des matériaux caoutchouteux. Deux des plus grands noms du secteur, 3D Systems et Stratasys, ont été rejoints l’an dernier par une troisième société américaine, quand HP, le célèbre fabricant d’imprimantes de bureaux, est entré sur le marché avec une gamme d’imprimantes 3D de plastique dont le premier prix est de 130 000 dollars. Selon le dernier rapport du consultant Wohlers, le nombre de sociétés qui fabriquent des kits “sérieux” pour l’impression 3D (par opposition aux machines conçues pour les loisirs), coûtant entre 5 000 et 1 million de dollars (et plus encore), a atteint le chiffre de 97 en 2016, contre 62 l’année précédente. Il n’est pas toujours nécessaire d’acheter. Beaucoup de fabricants vendent directement

leurs produits, mais Carbon a choisi un modèle économique de royalties sur logiciel qu’il cède à des clients pour 40 000 dollars par an. Carbon met à jour le logiciel de ses machines directement via Internet, comme les vendeurs de logiciels.

Impression métal de pointe

Avec des températures de fusion plus basses et la chimie coopérative, l’impression d’objets en polymères est plutôt facile. Imprimer des métaux est une toute autre histoire. Les imprimantes à métaux utilisent soit des lasers, soit des faisceaux d’électrons pour atteindre les températures nécessaires et mouler des couches successives de poudres en objets solides. Les étapes sont multiples : verser la poudre, l’étaler, et enfin, la fondre. Ces imprimantes peuvent produire des formes extrêmement complexes, mais il leur faut parfois plusieurs jours pour finaliser un seul objet. Quand on utilise des composants chers pour des pièces de petit volume, comme dans la fabrication des avions, des satellites et de l’équipement médical, cela vaut la peine de patienter. L’impression 3D, capable de créer des vides à l’intérieur des objets beaucoup plus facilement qu’en fabrication industrielle, par soustraction de matériau, multiplie les possibilités du design. Les coûts sont également diminués. La fabrication par addition, qui dépose le métal uniquement où c’est nécessaire, élargit la gamme de designs possibles. Cela représente des économies substantielles. Car les alliages spéciaux des produits hightech sont exotiques et chers.

Des kilos en moins, la rapidité en plus

Tous ces avantages ont convaincu GE (General Electric), l’un des plus importants groupes industriels du monde, à investir 1,5 milliard de dollars dans l’impression 3D. À Auburn, en Alabama, le groupe a construit une usine de 50 millions de dollars pour “imprimer” des buses de carburant pour le nouveau moteur d’avion LEAP qu’il construit avec l’industriel français Safran. L’usine d’Auburn devrait imprimer 35 000 buses de carburant par an d’ici à 2020. Chaque moteur LEAP comprend 19 buses dotées de nouvelles caractéristiques comme des circuits de refroidissement complexes. Selon GE, ils ne pourraient pas être fabriqués autrement. Les buses sont imprimées comme des structures indépendantes et d’un seul tenant au lieu d’être soudées à partir de 20 composants ou plus, comme dans les précédentes versions. Les nouvelles buses pèsent 25 % de moins que les précédents modèles, ce qui permet des économies de carburant en vol. Et elles durent cinq fois plus longtemps, soit des économies supplémentaires en entretien. Les développements de ce genre vont se multiplier. L’avionneur britannique GKN Aerospace vient de signer un accord quinquennal avec le Oak Ridge National Laboratory, dans le Tennessee, pour élaborer de nouvelles méthodes d’impression afin de fabriquer de grandes structures en titane pour les avions. Le but est de réduire les déchets de 90 % et de diviser par deux le temps d’assemblage. Les imprimantes à métaux existantes peuvent être aussi grandes que des voitures. Certaines coûtent un million de dollars ou plus. Mais que pourraient réaliser les entreprises si elles avaient accès à des imprimantes à métaux plus petites et moins chères ? Ric Fulop pense qu’il peut fabriquer ce genre de machines. M. Fulop est le patron de Desktop Metal, une société co-fondée en 2015 par un groupe de professeurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et dotée de presque 100 millions de dollars. La liste des investisseurs comprend GE, Stratasys et BMW. Les premières imprimantes de la société arrivent sur le marché. Au lieu de faire fondre des couches de poudres métalliques avec un laser ou un faisceau à électrons, les imprimantes Desktop Metal appliquent un procédé appelé “bound metal deposition”, ou dépôt de métaux liés. Là encore, un peu de cuisine est nécessaire. Pour commencer, la machine extrude un mélange de poudres métalliques et de polymères pour constituer une forme, comme le font les imprimantes 3D pour le plastique. Ceci fait, la forme est passée au four. La cuisson brûle les polymères et compacte les particules de métal en les agglomérant à une température juste inférieure à leur point de fusion. Le résultat est une forme métallique dense, ressemblant à celles moulées à l’ancienne, fondue en un bloc solide de métal. L’amalgamage entraîne la réduction des dimensions, inconvénient qui peut être corrigé en imprimant un format un peu plus grand que nécessaire car la contraction est quantifiable et prévisible. Desktop Metal fabrique deux gammes de machines. Studio system, qui coûte environ 120 000 dollars, est conçu pour les prototypes et les petites séries. Le système 3D complet coûte un peu plus de 400 000 dollars. Les machines de Desktop Metal, en réduisant les multiples étapes de production d’une imprimante à métal conventionnelle en un unique passage de la tête de l’imprimante, sont rapides. Selon M. Fulop, elles peuvent construire et cuire des objets au rythme de 500 pouces cubes (8,194 cm3) par heure. La performance est à comparer à celle d’une imprimante laser classique à métaux, environ un à deux pouces cubes, ou aux cinq pouces cubes d’une imprimante à faisceau d’électrons. Autre avantage, les machines Desktop Metal utilisent des matériaux courants dans l’industrie. Ils sont, toujours selon M. Fulop, 80 % plus économiques que les poudres spéciales pour imprimantes 3D. Ils requièrent moins de polissage pour lisser les surfaces rugueuses. Ce genre d’améliorations est capable de changer l’économie de la fabrication.

Bioprinters,p imprimez un morceau de vous

L’un des premiers secteurs à adopter la fabrication additive a été le secteur médical. Pour une bonne raison: nous sommes tous différents et toute prothèse requise pour un patient devrait être différente. Des millions d’implants dentaires et de coques de prothèses auditives sont maintenant imprimés, de même que toujours plus de produits et d’équipements médicaux, tels que les prothèses orthopédiques. Le Graal, cependant, reste l’impression de tissus vivants pour les greffes. Une idée surtout expérimentale pour l’instant, mais plusieurs équipes de chercheurs utilisent déjà des “bioprinters” pour cultiver du cartilage, de la peau et autres tissus biologiques. Les bioprinters se fabriquent de différentes façons ; la plus simple est d’utiliser des seringues pour extruder un mélange de cellules et de support d’impression, méthode similaire à celle d’une imprimante de bureau sur plastique. D’autres emploient une sorte d’impression jets d’encre. Certains chercheurs en biologie tentent de mettre au point une méthode d’impression 3D appelée LIFT, pour “laser-induced forward transfer” ou transfert induit par laser. Dans ce cas de figure, un film mince est imprégné sur sa face antérieure du matériau à imprimer. Le rayon laser orienté vers la surface supérieure du film détache des morceaux de ce matériau, qui tombent sur un substrat. Parfois, la troisième dimension nécessite un coup de pouce. Certaines imprimantes imposent la forme désirée en imprimant des cellules directement sur un support préparé à l’avance, qui se dissout quand les cellules ont suffisamment proliféré pour maintenir leur propre structure. Anthony Atala et ses collègues du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, en Caroline du Nord, ont déjà imprimé des oreilles, des os et des muscles de cette façon, et les ont greffés avec succès sur des animaux. L’étape la plus délicate est de s’assurer que les tissus biologiques “imprimés” survivent puis s’intègrent à l’organisme du porteur après la greffe. Il est facile de cultiver certains types de tissus humains, comme le cartilage, en dehors du corps. Il suffit d’injecter des nutriments dans le milieu de culture : la réaction est en général bonne après transplantation dans un organisme vivant. Mais des tissus d’organes plus complexes, comme le coeur, le foie et le pancréas, doivent être nourris par un flux sanguin pour se développer au-delà de petites tranches de cellules. Le docteur Atala et son équipe impriment donc de minuscules canaux dans la structure pour acheminer les nutriments et l’oxygène. Ceci permet le développement de vaisseaux sanguins. La prochaine étape – probablement dans quelques années – sera de tester ces tissus bioimprimés sur des humains.

Bio-encre, un futur en blouse blanche

Erik Gatenholm et Hector Martinez, deux entrepreneurs en biotechnologie, ont estimé qu’il manquait quelque chose: une “bio-encre” standard. En janvier 2016, ils ont donc fondé la société Cellink pour commercialiser des composants pour l’impression biologique développés par la Chalmers University of Technology, à Gothenburg, en Suède. L’encre de Cellink est élaborée à partir d’alginates de nanocellulose, un matériau biodégradable contenant des fibres de bois et un polymère sucré produit par les algues. Les chercheurs mélangent d’abord leurs cellules à cette bioencre, puis extrudent le résultat en un filament à partir duquel la forme désirée est construite. La société a par la suite développé des bio-encres spécifiques pour les tissus humains. Elles contiennent des facteurs de croissance nécessaires pour stimuler certains types de cellules, dont des cellules-souches. Les cellules-souches peuvent proliférer pour produire n’importe quel type de cellules et former des tissus vivants particuliers. Si les cellules-souches en question sont celles du patient qui recevra la greffe par la suite, le risque de rejet est diminué. Outre la fabrication d’encre biologique, Cellink a également lancé sa propre gamme d’imprimantes. Elles sont vendues à prix réduit aux universités en échange de feed-back sur les travaux de recherches. Cela donne une bonne idée de ce qui est en train de se passer. En particulier, souligne M. Gatenholm, des progrès accomplis dans l’impression de tissus humains pour les tests de médicaments. Un de ces progrès est par exemple de prélever des cellules cancéreuses d’un patient et d’imprimer de multiples versions de sa tumeur. Chacune sera alors traitée avec un médicament différent ou un mélange de molécules, pour déterminer quel traitement sera le plus efficace. Pour les greffes, M. Gatenholm pense que le cartilage, puis la peau, devraient être les premiers tissus humains imprimés. Les organes qui ont besoin d’être nourris par des vaisseaux sanguins suivront. La bio-impression semble sur le point de devenir une nouvelle technique industrielle, même si elle se déroule dans des centres médicaux et dans des conditions de stérilité qui font plus penser au laboratoire qu’à la chaîne de montage. Mais les formes moins ésotériques d’impression 3D, celles qui traitent le plastique et les métaux, transformeront aussi ce qui est de nos jours une usine. Dans les ateliers d’impression 3D du futur, on rencontrera toujours des employés. Mais ils seront avant tout ingénieurs en informatique et logiciels. Ils porteront des blouses blanches et non des salopettes bleues.

Caterpillar et John Deere, deux fabricants de machines pour le BTP et l’agriculture, travaillent en effet avec Carbon pour déplacer leurs entrepôts, mais dans le cloud.

Les plans numériques peuvent être téléchargés depuis différents sites

et les pièces, fabriquées à la

demande