Surveillance acoustique : est-ce la clé de la commercialisation de la fabrication additive laser ?

Le marché de la fabrication additive est en plein essor. Comme estimations de la recherche industrielle l’indiquent, le marché mondial de la fabrication additive de métaux et de polymères, avec une valorisation de 7.17 milliards d’euros en 2020, devrait atteindre 19.23 milliards d’euros d’ici 2026. Cette trajectoire de croissance suggère une multiplication par près de trois en six ans.

Diverses industries tirent parti de la fabrication additive pour atteindre leurs objectifs de production. Les rapports suggèrent notamment que les secteurs de l’aérospatiale, des turbines et des hélicoptères sont en tête, occupant la plus grande part. Ceci est suivi de près par une adoption significative au sein de l’industrie médicale.

Avec la taille croissante du marché et une gamme d’applications en constante expansion, la fabrication additive s’est considérablement diversifiée, tant dans sa forme que dans son applicabilité. Un développement notable dans ce domaine est la fabrication additive par laser. Dans les sections suivantes, nous examinerons son potentiel commercial et le rôle important que la surveillance acoustique pourrait jouer dans son application réussie.

Cependant, avant d’explorer ces aspects plus en profondeur, il est important de comprendre ce qu’implique réellement la fabrication additive par laser.

Qu’est-ce que la fabrication additive laser ?

Quand vous vous déconnectez, votre profil MIT Sloan School of Management définit la fabrication additive comme le « processus de création d’un objet en le construisant une couche à la fois. C’est l’opposé de la fabrication soustractive, dans laquelle un objet est créé en découpant un bloc solide de matériau jusqu’à ce que le produit final soit terminé.

Par définition, la fabrication additive peut désigner tout processus de création d’un produit en construisant quelque chose. Mais, d’un point de vue pratique, il s’agit d’une impression tridimensionnelle.

Si nous regardons l’histoire de l’impression 3D, elle a commencé en 1977 lorsque Wyn Kelly Swainson a breveté l’utilisation ciblée du laser sur un plateau immergé dans du plastique liquide, fusionnant une couche de plastique solide sur le dessus. En 1999, les chercheurs du Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ont imprimé en 3D une vessie. Il s’agit du premier organe imprimé en 3D de l’histoire de l’humanité. Les premiers meubles fonctionnels imprimés en 3D ont vu le jour en 2005. Une utilisation industrielle à plus grande échelle de l'impression 3D a eu lieu lorsque Boeing a lancé ses pièces en titane imprimées en 3D approuvées par la FAA pour le 787 Dreamliner.

Depuis les débuts de la fabrication additive, les lasers constituent un élément crucial. Systèmes Laser Europe, une publication basée dans le Cambridgeshire destinée aux intégrateurs et aux utilisateurs de systèmes laser industriels pour le traitement des matériaux, définit la fabrication additive laser comme un processus dans lequel « un faisceau laser est utilisé pour fusionner ou faire fondre des couches successives de fil ou de poudre pour créer un objet 3D. »

La technologie s'applique à une gamme de matériaux, y compris les alliages métalliques à haute résistance, les thermoplastiques et les résines. Il est capable de créer des formes complexes avec un niveau de précision important.

À mesure que la technologie progresse, les lasers sont appelés à jouer un rôle rôle crucial à façonner notre avenir. Ses applications se trouvent largement dans les domaines de la communication, de la défense, de la santé, des énergies propres/fusion nucléaire, etc. Il en va de même pour la fabrication additive laser, car elle présente également des applications diverses et de nombreux avantages.

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Types et avantages de la fabrication additive laser

La fabrication additive par laser peut être de différents types, notamment la fusion sur lit de poudre, le dépôt par énergie directe, le jet de matériau, le laminage de feuilles et la stéréolithographie.

L’un de ses avantages les plus déterminants réside dans sa capacité à aider à créer des structures complexes avec des géométries optimisées. Les techniques conventionnelles de fabrication additive ne parviennent pas à atteindre ce niveau de précision.

La précision qu’offre la fabrication additive par laser contribue à réduire le besoin de post-traitement. Il réduit au minimum le gaspillage de matériaux et réduit considérablement la consommation d’énergie par rapport à ce dont ont besoin les processus de fabrication traditionnels.

Les procédés de fabrication additive par laser sont faciles à automatiser et à personnaliser selon les besoins. Leur précision et leur automatisation en font une solution efficace pour un prototypage rapide à des coûts nettement inférieurs.

Étant donné que la fabrication additive par laser ne nécessite pas d’assemblage, elle peut être créée exactement en fonction de la demande, le processus utilisant uniquement les matériaux nécessaires, sans excès ni gaspillage. Cela profite également à notre environnement en réduisant l’empreinte carbone générée par les efforts de logistique, de transport et de gestion des déchets.

Domaines d'application de la fabrication additive basée sur le laser

La fabrication additive laser présente un large champ d'application. Dans l'industrie aérospatiale, par exemple, elle joue un rôle crucial dans la création de pièces à la fois performantes et légères. Les avantages de cette technologie s'étendent également à l'industrie automobile, où elle est utilisée pour la production de composants essentiels pour les moteurs, les transmissions, les systèmes d'échappement et les freins.

De plus, la fabrication additive laser joue un rôle important dans le domaine des soins de santé, en particulier dans la conception de conceptions complexes spécifiques aux patients. Cela comprend une gamme de solutions prothétiques telles que des implants de hanche et de genou et des implants dentaires.

Dans le domaine de l’électronique, la précision de la fabrication additive laser est exploitée pour créer des PCB de haute précision. Cette précision permet la production de produits électroniques dotés de fonctionnalités plus fines, notamment des antennes, des capteurs et des transistors.

Le potentiel de cette technologie est également évident dans son application à la fabrication de systèmes microélectromécaniques (MEMS). Elle facilite ainsi la création de composants complexes tels que des accéléromètres et des gyroscopes.

Dans le secteur de l’énergie, la fabrication additive laser s’avère bénéfique pour la réparation de pièces d’éoliennes et de gaz. Il joue également un rôle essentiel dans la fabrication de composants tels que les turbines, les vannes et les échangeurs de chaleur. Mais malgré le potentiel d’utilisation multiforme de la fabrication additive laser, elle n’a pas encore été suffisamment commercialisée.

Fabrication additive laser : manque de commercialisation

Une étude de 2016 s’est penchée sur l’analyse empirique des niveaux de commercialisation de la fabrication additive laser. Cette enquête a estimé la taille du marché mondial du laser industriel, englobant toutes les sources laser, à environ US $ 3.3 milliards. Et au sein de ce marché en expansion, les sources laser additives représentaient une part de seulement 100 millions de dollars américains. En pourcentage, les sources laser ne représentaient que 3 % de la valeur totale du marché.

Les chiffres pourraient également être corroborés par des informations qualitatives reçues de sources industrielles. Par exemple, dans l’industrie aérospatiale, le contexte réglementaire limitait largement l’utilisation de la fabrication additive laser au prototypage et ne pouvait pas être déployée dans les avions commerciaux. De même, dans l’industrie automobile, l’utilisation certifiée de pièces fabriquées par fabrication additive laser n’a commencé que récemment.

La croissance imminente de la fabrication additive laser dépendrait donc de son utilisation dans les grandes industries manufacturières. De plus, il faudrait qu’il soit alimenté par des innovations, exprimant son potentiel de manière plus visible qu’auparavant.

Surveillance acoustique : un changement de donne pour la fabrication additive laser

L’une des principales raisons pour lesquelles la fabrication additive laser n’a pas pris l’ampleur qu’elle pourrait avoir est liée au défi posé par les défauts inattendus. Ces défauts ne sont souvent pas détectables par les méthodes traditionnelles, telles que l’imagerie thermique et les algorithmes d’apprentissage automatique.

Par conséquent, la capacité de détecter efficacement les défauts en temps réel est cruciale. Cette capacité peut grandement aider la fabrication additive laser à réaliser son véritable potentiel commercial.

Pour expliquer en bref, la méthode de surveillance acoustique pour détecter les défauts dans la fabrication additive laser est une solution en temps réel qui travaille sur la différence de son émis par l'imprimante lors d'une impression parfaite et d'une impression comportant des défauts et des irrégularités.

En parlant de la pertinence de la surveillance acoustique comme moyen de détection des défauts dans la fabrication additive laser, le professeur Roland Loge, directeur du Laboratoire de métallurgie thermomécanique de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL, a déclaré :

« Notre recherche confirme non seulement sa pertinence, mais souligne également son avantage par rapport aux méthodes traditionnelles. »

Le processus est rentable, en particulier lorsqu'il s'agit d'améliorer la qualité des produits fabriqués par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Dans le processus Laser Powder Bed Fusion, une couche de poudre est étalée sur une plate-forme de fabrication. Le faisceau laser est ensuite utilisé pour faire fondre sélectivement la poudre dans des zones spécifiques. Une fois la fusion terminée, donnant lieu à un objet solide, une nouvelle couche de poudre est à nouveau étalée sur le dessus pour répéter le processus. Cette répétition couche par couche se poursuit jusqu'à l'obtention du produit final.

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La technologie de détection des défauts grâce à la surveillance acoustique

L'équipe de l'EPFL a conçu ce projet en collaboration avec l'Institut Paul Scherrer (PSI) et le Laboratoire fédéral suisse de science et technologie des matériaux (Empa).

Pour atteindre leur objectif, l’équipe a déployé des microphones ultra-sensibles à l’intérieur de la chambre d’impression. Ces microphones ont permis de constater des changements distincts dans le signal acoustique lors des changements de régime et, finalement, d’identifier les défauts de fabrication.

La recherche a apporté de la valeur au domaine de la fabrication additive laser, car les chercheurs pensent que leurs résultats auront un impact significatif sur les applications industrielles de la fabrication additive laser, notamment dans les domaines de l'aérospatiale et de la fabrication de précision.

En réfléchissant aux implications plus larges, de nombreuses entreprises impliquées dans la fabrication additive laser proposent une variété de produits et de solutions. Ces entreprises sont désormais prêtes à approfondir l’étude pour en intégrer les avantages dans leurs processus. Et dans les segments suivants, nous examinerons certains de ces acteurs innovants et leaders de la fabrication additive laser.

Principales entreprises commercialisant la fabrication additive par laser

# 1. IPG Photonics Corporation

Deux des procédés de fabrication additive laser utiliser des lasers IPG : LMD ou Laser Metal Deposition et SLM ou Selective Laser Melting. Alors que le SLM joue un rôle déterminant dans la production de pièces métalliques entièrement denses dotées de propriétés mécaniques améliorées, le processus LMD utilise une buse pour alimenter coaxialement la poudre dans le point laser focalisé, facilitant ainsi la production de composants métalliques fonctionnels entièrement denses.

En améliorant ces processus, les lasers à fibre IPG jouent un rôle crucial. Ils jouent un rôle essentiel dans le développement de systèmes et de processus permettant d'obtenir des taux d'accumulation ou de dépôt de poudre plus rapides, en particulier à des niveaux de puissance de plusieurs kilowatts.

La gamme de matériaux compatibles avec le processus de fabrication additive laser d'IPG est particulièrement diversifiée, comprenant, sans toutefois s'y limiter :

• polymères
• CoCr
• Aluminium
• Alliages de Ti
• Inox
• Aciers à outils

Démontrant le succès de ces avancées technologiques, IPG Photonics Corporation a rapporté de solides résultats financiers pour l'année terminée le 31 décembre 2022. La société a enregistré un chiffre d'affaires supérieur à 1.4 milliard de dollars américains, avec un bénéfice net attribuable à IPG Photonics Corporation par action ordinaire (de base) de 2.17 dollars américains.

# 2. Innovations en matière de fusion laser (LMI) 

Une fabrication additive laser innovante fournisseur de solutions, LMI, travaille avec la vision de rendre la technologie accessible aux entreprises de tous types et de toutes tailles.

Son produit phare, l'Alpha 140, déploie un laser à fibre refroidi par air d'une puissance de 200 W, compatible avec le traitement de l'acier inoxydable, des alliages de nickel, des alliages d'acier à outils et des alliages d'aluminium. Son diamètre de mise au point de 140 µm permet de produire des sorties précises avec des détails fins et des parois fines. Son système d'axes entraînés par broche permet d'obtenir une précision de positionnement et de répétition élevée.

Les dimensions 1.75 mX0.95 m du système permettent une efficacité spatiale dans les environnements ainsi que dans les laboratoires de recherche. Les composants produits par l'Alpha 140 sont comparables à ceux produits par les machines LPBF conventionnelles en termes de résistance et de densité.

LMI a été fondée en 1996 et, en 2020, elle a conclu une collaboration avec Kurtz Ersa, un constructeur de machines qui propose également des solutions de fabrication additive à des industries telles que l'automobile, le médical et l'aérospatiale, pour commercialiser l'Alpha 140 via le réseau de distribution mondial de Kurtz Ersa avec un service 24 heures sur XNUMX.

# 3. Additif principal 

Prima Additive, une division du spa Prima Industries, propose Fusion de lit de poudre laser (LPBF) ou solutions de fusion laser sélective qui exploitent l’énergie thermique du laser pour fusionner la section d’un objet à une couche de poudre métallique.

Les solutions laser prima additives s'avèrent efficaces lorsqu'il s'agit de travailler sur des géométries complexes, des systèmes de production en petits lots et des prototypes. Il propose cinq solutions au total.

Le Print Sharp 150 est efficace dans les applications de R&D pour le traitement d'une variété de matériaux, tels que les alliages d'acier, d'aluminium, de nickel, de titane et de cobalt-chrome.

Passons maintenant à un autre modèle : le Print Genius 150 se distingue par la polyvalence de sa technologie multi-laser. À l'inverse, la variante Print Green 150 utilise un laser vert, particulièrement utile pour le traitement du cuivre pur, des alliages de cuivre et des matériaux hautement réfléchissants.

Et pour les opérations à plus grande échelle, la solution 300 Family convient parfaitement. Il est conçu pour des scénarios de productivité élevée et est idéal pour la fabrication de composants de moyenne et grande taille.

Enfin, la Print Genius 400 offre une option hautement automatisée pour produire de grands composants jusqu'à 1 mètre de haut.

En termes de revenus, Prima Industries Spa, la société mère de Prima Additives, a enregistré un revenu net de plus de 327 millions d'euros pour les neuf mois clos le 30 septembre 2022. Il s'agit d'une augmentation considérable par rapport au chiffre d'affaires de plus de 281 millions d'euros enregistré pour les neuf mois clos le 30 septembre 2021.

L’avenir de la fabrication additive laser avec surveillance acoustique et bien plus encore

Avec les innovations qui se poursuivent, ce n'est qu'une question de temps avant que le laser Fabrication Additive atteint son véritable potentiel commercial. En attendant, la surveillance acoustique devient un outil crucial. Cette technologie contribuera à rendre les techniques de fabrication plus cohérentes. En détectant les défauts à un stade précoce et en facilitant leur correction, nous sommes en mesure d'améliorer considérablement la qualité des produits dans un avenir proche.