Fabrication additive
Surveillance acoustique – Est‑ce la clé pour commercialiser la fabrication additive basée sur le laser ?
Le marché de la fabrication additive est en plein essor. Selon les estimations de recherches industrielles, le marché mondial de la fabrication additive métallique et polymère, évalué à 7,17 milliards d’euros en 2020, devrait atteindre 19,23 milliards d’euros d’ici 2026. Cette trajectoire de croissance suggère une augmentation d’environ trois fois en l’espace de six ans.
Diverses industries exploitent la fabrication additive pour atteindre leurs objectifs de production. Notamment, les rapports indiquent que les secteurs aérospatial, des turbines et des hélicoptères sont en tête, détenant la plus grande part. Ils sont suivis de près par une adoption importante dans le secteur médical.
Avec la taille croissante du marché et une gamme d’applications en constante expansion, la fabrication additive s’est largement diversifiée, tant en forme qu’en applicabilité. Un développement notable dans ce domaine est la fabrication additive basée sur le laser. Dans les sections suivantes, nous examinerons son potentiel commercial ainsi que le rôle important que la surveillance acoustique pourrait jouer dans son application réussie.
Cependant, avant d’explorer ces aspects en profondeur, il est important de comprendre d’abord ce que la fabrication additive basée sur le laser implique réellement.
Qu’est‑ce que la fabrication additive basée sur le laser ?
Le MIT Sloan School of Management définit la fabrication additive comme le « processus de création d’un objet en le construisant couche par couche. C’est le contraire de la fabrication soustractive, où un objet est créé en découpant un bloc solide de matériau jusqu’à ce que le produit final soit complet ».
Selon cette définition, la fabrication additive peut désigner tout processus de création d’un produit en le construisant. Mais, en pratique, elle fait référence à l’impression tridimensionnelle.
Si l’on examine l’histoire de l’impression 3D, elle débute en 1977 lorsque Wyn Kelly Swainson a breveté l’utilisation ciblée d’un laser sur un plateau immergé dans du plastique liquide, fusionnant ainsi une couche de plastique solide au-dessus. En 1999, des chercheurs de l’Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ont imprimé en 3D une vessie, devenant le premier organe imprimé en 3D de l’histoire humaine. Le premier mobilier fonctionnel imprimé en 3D est apparu 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 sont un composant crucial. Laser Systems Europe, une publication basée au Cambridgeshire destinée aux intégrateurs et utilisateurs de systèmes laser industriels pour le traitement des matériaux, définit la fabrication additive laser comme un processus où « un faisceau laser est utilisé pour fusionner ou faire fondre des couches successives de fil ou de poudre afin de créer un objet 3D ».
La technologie s’applique à une gamme de matériaux, des alliages métalliques à haute résistance aux thermoplastiques et résines. Elle est capable de créer des formes complexes avec un niveau de précision élevé.
À mesure que la technologie progresse, les lasers sont appelés à jouer un rôle crucial dans la construction de notre avenir. Leur application se retrouve largement dans les domaines de la communication, de la défense, de la santé, de l’énergie propre / fusion nucléaire, et plus encore. Il en va de même pour la fabrication additive basée sur le laser, qui possède également des applications diverses et de nombreux avantages.
Types et avantages de la fabrication additive basée sur le laser
La fabrication additive basée sur le laser peut prendre différentes formes, notamment la fusion sur lit de poudre, le dépôt d’énergie direct, le jet de matière, la lamination de feuilles et la stéréolithographie.
L’un de ses avantages les plus déterminants réside dans sa capacité 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 offerte par la fabrication additive basée sur le laser permet de réduire le besoin de post‑traitement. Elle minimise les déchets de matériau et diminue drastiquement la consommation d’énergie comparée aux processus de fabrication traditionnels.
Les processus de fabrication additive basés sur le laser sont faciles à automatiser et à personnaliser selon les besoins exacts. La précision et l’automatisabilité de la méthode se combinent pour en faire une solution efficace pour le prototypage rapide à des coûts nettement plus bas.
Comme la fabrication additive basée sur le laser ne nécessite pas d’assemblage, elle peut être réalisée exactement selon la demande, le processus n’utilisant que les matériaux nécessaires sans excès ni gaspillage. Elle profite également à l’environnement en réduisant l’empreinte carbone générée par la logistique, le transport et la gestion des déchets.
Domaines d’application de la fabrication additive basée sur le laser
L’application de la fabrication additive au laser possède un large champ d’action. Dans l’industrie aérospatiale, par exemple, elle est essentielle pour créer des pièces à la fois performantes et légères. Les avantages de cette technologie s’étendent également à l’industrie automobile, où elle est utilisée pour produire des composants essentiels pour les moteurs, les transmissions, les systèmes d’échappement et les freins.
De plus, la fabrication additive au laser joue un rôle important dans le secteur de la santé, notamment dans la conception de pièces complexes sur mesure pour les patients. Cela comprend une gamme de solutions prothétiques telles que les implants de hanche et de genou ainsi que les implants dentaires.
Dans le domaine de l’électronique, la précision de la fabrication additive au laser est exploitée pour créer des circuits imprimés (PCB) haute précision. Cette précision permet la production de produits électroniques avec des caractéristiques plus fines, notamment des antennes, des capteurs et des transistors.
Le potentiel de la technologie se manifeste également dans son application à la fabrication de systèmes microélectromécaniques (MEMS). Elle facilite la création de composants complexes tels que les accéléromètres et les gyroscopes.
Dans le secteur de l’énergie, la fabrication additive au laser s’avère bénéfique pour la réparation de pièces de turbines à gaz et éoliennes. Elle joue également un rôle crucial dans la fabrication de composants tels que les impellers, les vannes et les échangeurs de chaleur. Mais malgré le potentiel d’utilisation multiforme de la fabrication additive au laser, elle n’est pas encore suffisamment commercialisée.
Fabrication additive au laser : manque de commercialisation
Une étude de 2016 a approfondi l’analyse empirique des niveaux de commercialisation de la fabrication additive au laser. Cette enquête a estimé la taille du marché mondial des lasers industriels, englobant toutes les sources laser, à environ 3,3 milliards de dollars US. Dans ce vaste marché, les sources laser additives ne représentaient qu’une portion de 100 millions de dollars US. En pourcentage, les sources laser ne constituaient que 3 % de la valeur totale du marché.
Ces chiffres peuvent également être corroborés par des informations qualitatives provenant de sources industrielles. Par exemple, dans l’industrie aérospatiale, le cadre réglementaire a limité l’utilisation de la fabrication additive au laser principalement au prototypage, empêchant son déploiement dans les avions commerciaux. De même, dans l’industrie automobile, l’utilisation certifiée de pièces fabriquées par additive laser n’a commencé que récemment.
La croissance imminente de la fabrication additive au laser dépendra donc de son adoption dans les grandes industries manufacturières. De plus, elle devra être alimentée par des innovations, mettant en avant son potentiel de manière plus marquée qu’auparavant.
Surveillance acoustique : un facteur de changement pour la fabrication additive au laser
Une raison principale pour laquelle la fabrication additive basée sur le laser n’a pas pris l’élan qu’elle aurait pu avoir est liée au défi des défauts inattendus. Ces défauts sont souvent indétectables par les méthodes traditionnelles, telles que l’imagerie thermique et les algorithmes d’apprentissage automatique.
Par conséquent, la capacité à détecter efficacement les défauts en temps réel est cruciale. Cette capacité peut aider de manière significative la fabrication additive au laser à réaliser son véritable potentiel commercial.
En bref, la surveillance acoustique pour détecter les défauts dans la fabrication additive au laser est une solution en temps réel qui repose sur la différence de son que l’imprimante produit lors d’une impression parfaite et d’une impression présentant des défauts et des irrégularités.
« Notre recherche confirme non seulement sa pertinence, mais souligne également son avantage par rapport aux méthodes traditionnelles. »
Le processus est rentable, notamment lorsqu’il s’agit d’améliorer la qualité des produits fabriqués par Fusion sur lit de poudre laser (LPBF). Dans le processus de Fusion sur lit de poudre laser, une couche de poudre est répartie sur une plateforme de construction. Le faisceau laser est ensuite utilisé pour faire fondre sélectivement la poudre dans des zones spécifiques. Une fois la fusion terminée, donnant un objet solide, une nouvelle couche de poudre est à nouveau déposée sur le dessus pour répéter le processus. Cette répétition couche par couche se poursuit jusqu’à l’obtention du produit final.
Cliquez ici pour la liste des meilleures actions de fabrication additive et d’impression 3D.
La technologie de détection des défauts par la surveillance acoustique
L’équipe de l’EPFL a conçu le dispositif en collaboration avec le Paul Scherrer Institute (PSI) et les Laboratoires fédéraux suisses de science et technologie des matériaux (Empa).
Pour atteindre leur objectif, l’équipe a installé des microphones ultra‑sensibles à l’intérieur de la chambre d’impression. Ces microphones ont permis de détecter des changements distincts du signal acoustique lors des changements de régime et, finalement, d’identifier les défauts de fabrication.
Cette recherche a apporté de la valeur au domaine de la fabrication additive au laser, les chercheurs estimant que leurs résultats auront un impact significatif sur les applications industrielles de la fabrication additive au laser, notamment dans les secteurs aérospatial et de la fabrication de précision.
En réfléchissant aux implications plus larges, de nombreuses entreprises impliquées dans la fabrication additive au laser offrent une variété de produits et de solutions. Ces sociétés sont désormais prêtes à approfondir l’étude afin d’intégrer les avantages dans leurs processus. Dans les sections suivantes, nous examinerons certains de ces acteurs innovants et leaders de la fabrication additive au laser.
Principales entreprises commercialisant la fabrication additive basée sur le laser
#1. IPG Photonics Corporation
Deux des processus de fabrication additive laser utilisent les lasers IPG : LMD (Laser Metal Deposition) et SLM (Selective Laser Melting). Alors que le SLM est essentiel pour produire des pièces métalliques entièrement denses avec des propriétés mécaniques améliorées, le processus LMD utilise une buse pour alimenter coaxialement la poudre dans le point laser focalisé, facilitant la production de composants métalliques fonctionnels entièrement denses.
Dans l’amélioration de ces processus, les lasers à fibre IPG jouent un rôle crucial. Ils sont essentiels pour développer des systèmes et des procédés qui permettent une accumulation ou un dépôt de poudre plus rapides, notamment 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, incluant, sans s’y limiter :
- Polymères
- CoCr
- Aluminium
- Alliages de Ti
- Acier inoxydable
- Acier outil
(IPGP )
En démontrant le succès de ces avancées technologiques, IPG Photonics Corporation a annoncé de solides résultats financiers pour l’exercice clos le 31 décembre 2022. L’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires supérieur à 1,4 milliard de dollars US, avec un bénéfice net attribuable à IPG Photonics Corporation par action ordinaire (de base) de 2,17 dollars US.
#2. Laser Melting Innovations (LMI)
Un fournisseur innovant de solutions de fabrication additive laser, LMI, travaille avec la vision de rendre la technologie accessible aux entreprises de toutes tailles et de tous types.
Son produit phare, l’Alpha 140, utilise 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 outil et des alliages d’aluminium. Son diamètre de focalisation de 140 µm permet de produire des sorties précises avec des détails fins et des parois minces. Son système d’axes entraîné par broche assure un positionnement élevé et une précision de répétition.
Les dimensions de 1,75 m × 0,95 m du système permettent une utilisation efficace de l’espace dans les environnements ainsi que les laboratoires de recherche. Les composants produits par l’Alpha 140 sont comparables à ceux fabriqués 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 aux industries telles que l’automobile, le médical et l’aérospatial, afin de commercialiser l’Alpha 140 via le réseau de distribution mondial de Kurtz Ersa avec un service 24 heures.
#3. Prima Additive
Prima Additive, une division de Prima Industries spa, propose des solutions de Fusion sur lit de poudre laser (LPBF) ou de Fusion laser sélective qui exploitent l’énergie thermique du laser pour fusionner une partie d’un objet avec une couche de poudre métallique.
Les solutions laser de Prima Additive s’avèrent efficaces pour travailler sur des géométries complexes, des systèmes de production en petites séries et des prototypes. Elle propose au total cinq solutions.
Le Print Sharp 150 est efficace dans les applications de R&D pour le traitement d’une variété de matériaux, tels que l’acier, l’aluminium, le nickel, le titane et les alliages cobalt‑chrome.
En passant à un autre modèle, le Print Genius 150 se distingue par la polyvalence de sa technologie multi‑laser. En revanche, 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 répond parfaitement aux besoins. Elle est conçue pour des scénarios à haute productivité et est idéale pour la fabrication de composants de taille moyenne et grande.
Enfin, le Print Genius 400 offre une option hautement automatisée pour la production de grands composants jusqu’à 1 mètre de hauteur.
Sur le plan du chiffre d’affaires, 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 se terminant le 30 septembre 2022. Il s’agit d’une augmentation considérable par rapport au revenu de plus de 281 millions d’euros enregistré pour les neuf mois se terminant le 30 septembre 2021.
L’avenir de la fabrication additive au laser avec la surveillance acoustique et plus
Avec la poursuite des innovations, ce n’est qu’une question de temps avant que la fabrication additive au laser n’atteigne son véritable potentiel commercial. En attendant, la surveillance acoustique intervient comme un outil crucial. Cette technologie contribuera à rendre les techniques de fabrication plus cohérentes. En détectant les défauts tôt et en facilitant leur correction, elle est prête à améliorer considérablement la qualité des produits dans un avenir proche.
