La maîtrise du processus de fabrication additive : un véritable enjeu pour les industriels

De l'usinage à la fabrication additive, le monde de la fabrication fait sa révolution. Dans ce contexte, le mode de fabrication additive s'est rapidement développé pour investir aussi bien la sphère professionnelle que celle du grand public. Ainsi, en quelques années, ce processus est passé d'un simple concept à une réelle révolution industrielle qui a ouvert de nombreux domaines d'applications.

Pour autant, la maîtrise de la fabrication additive est un processus complexe qui implique une mesure et une caractérisation précises de certains éléments afin que le processus soit reproductible. C'est précisément sur ce point que les industriels doivent relever de nouveaux défis, notamment dans les secteurs des dispositifs médicaux, de l'aéronautique et de l'aérospatial où le potentiel de cette technologie fait encore face à un contexte réglementaire strict.

Avant toute chose, nous allons tout d'abord définir ce que représente la fabrication additive. Cette technologie désigne les procédés de mise en forme d'une pièce, assistés par ordinateur, par ajout de matière, en empilant successivement des couches, en opposition aux procédés par retrait de matière, tel que l'usinage. C'est aussi le nom donné à la technologie d'impression tridimensionnelle (impression 3D).

Comme nous l'avons évoqué, les industriels doivent donc relever de nombreux défis pour positionner la qualité au coeur de leurs processus. Cela s'explique principalement par l'absence de norme sur le marché de la fabrication additive et par la grande complexité du processus. Dans ce contexte, il est important de veiller à différents points, à différents stades du processus de fabrication : contrôles de la matière première (poudre, pâte, liquide, feuille), du matériau, de la pièce finie et de la machine.

Ainsi, l'on constate par exemple qu'au niveau de la poudre utilisée, celle-ci se dégrade avec le temps et lors de la réutilisation de la matière non consommée. Cela a un impact direct sur les propriétés de la pièce façonnée. Il est donc important de bien mesurer ces éléments et de comprendre comment les propriétés de la poudre utilisée évoluent et impactent la réalisation des pièces produites.
On peut également constater que l'orientation de fabrication ou l'emplacement de fabrication sont corrélés au matériau. Cela est mis en évidence par des contrôles mécaniques sur des éprouvettes. Par ailleurs, ces contrôles permettent de déterminer le post-traitement thermique à effectuer sur les pièces en évaluant la corrélation entre les paramètres de la machine et le matériau.

Après avoir abordé le volet des poudres et des matériaux, les industriels doivent ensuite se pencher sur la détection de défauts et la caractérisation des pièces finies afin de les qualifier en fonction de normes spécifiques. Outre des caractérisations mécaniques, la pièce devra être caractérisée géométriquement. Des méthodes de contrôle de surface mais également en volume vont être nécessaires car la FA permet de réaliser des pièces extrêmement complexes (canaux internes, structures alvéolaires) irréalisables par des techniques traditionnelles. La tomographie à rayons X est l'une de ces méthodes de volume mais le LNE explore des méthodes alternatives moins onéreuses, de routine (projet européen « MetAMMI » coordonné par le LNE sur la métrologie des implants réalisés en FA). Ce type de contrôle doit permettre notamment de vérifier la conformité entre le modèle 3D d'origine et la pièce finie.
Enfin, des contrôles de la machine sont essentielles : des contrôles en temps réel de la fabrication de chaque couche (projet FUI « I AM SURE » coordonné par le fabricant de machine BeAM dans lequel est impliqué le LNE, contrôle par ultrasons lasers et par méthode acoustique), des contrôles des paramètres machine afin d'évaluer quantitativement les performances de la machine (capacités et limitations) soit par contrôle direct et individuel de ces différentes composantes, soit par la fabrication d'un échantillon témoin à contrôler ensuite.

La mesure est donc un axe stratégique à prendre en compte. Les industriels pourront alors produire des hypothèses fiables concernant la reproductibilité de leur fabrication.

Ces différents éléments mettent en avant que les industriels doivent relever de nombreux challenges pour passer d'un processus de fabrication par usinage à un processus de création par ajout de matière (fabrication additive). Au regard de la croissance phénoménale de ce marché, il est donc stratégique d'accompagner les industriels pour relever ces grands défis. Cela leur permettra de renforcer leur qualité de service et de proposer une qualité de fabrication de premier plan.

Anne-Françoise OBATON
Ingénieur de recherche en métrologie pour la fabrication additive