L’adoption de l’impression 3D métal demeure une approche de choix pour assurer la compétitivité d’une compagnie. Alors qu’il y a encore quelques années, cette technologie n’était pas aisément accessible à toutes les entreprises, plusieurs facteurs favorisent désormais son intégration, soit une diminution des coûts des équipement, une amélioration de la performance des machines et une augmentation de la disponibilité des poudres métalliques.
Contrairement à l’usinage, qui consiste à enlever de la matière métallique pour donner à une pièce la géométrie souhaitée, la fabrication additive (FA) ou encore l’impression 3D permet de construire les produits par addition de couches successives de matière sous contrôle d’un ordinateur (1).
En ce qui a trait à l’impression 3D métal, il existe différents procédés de fabrication (FA par fusion sur lit de poudre, FA par dépôt de matière sous énergie concentrée, stratification de couches / soudage par ultrasons, projection de liant) et dépendamment de celui utilisé, il est alors possible de concevoir des pièces complètes avec zones évidées ou non, de procéder à des réparations ou d’effectuer le recouvrement métallique de produits. Étant donné la multitude d’approches envisageables et leurs capacités technologiques, plusieurs secteurs d’activités ont actuellement recours à la fabrication additive. Le transport (terrestre, aérospatial), l’énergie, le médical, la construction ou encore l’outillage industriel en font partie.
Pourquoi opter pour l’impression 3D métal?
Ne le nions pas, au cours des dernières décennies, l’usinage a fait ses preuves dans le secteur de la transformation métallique. Pourquoi? Notons tout d’abord que les procédés (découpage, perçage, taraudage, etc.) se démarquent par leur fiabilité; il est possible d’obtenir une répétabilité dans la production de pièces et cela malgré les exigences parfois élevées en termes de précision (2). Par ailleurs, ces technologies permettent d’atteindre des vitesses élevées dans un environnement de production (> 10 pièces)(2, 3); il en résulte alors bien entendu sur le coût des produits. Finalement, les propriétés des matériaux ne représentent guère une barrière en usinage puisqu’il est possible de travailler aussi bien des alliages d’aluminium, de l’acier inoxydable, du laiton que du titane (1, 2).
Cependant, l’usinage affiche tout de même certaines limitations technologiques qui peuvent être surpassées en ayant recours à l’impression 3D métal. En effet, contrairement aux procédés de fabrication additive, les procédés soustractifs comme l’usinage ne permettent pas de fabriquer des pièces de géométries complexes (1). À cela, toujours en comparaison à l’usinage, l’impression 3D offre maints avantages comme une diminution significative de la matière utilisée et implicitement un allégement du poids des pièces fabriquées, une réduction du nombre de composantes à fabriquer et donc des assemblages moindres pour monter la pièce, une amélioration de la performance (propriétés thermiques, durabilité) et de la qualité des produits (1, 4). À noter que les procédés de fabrication additive permettent également l’utilisation de plusieurs matériaux pour un même produit (1).
Des faiblesses, mais également des opportunités
Alors que la première demande de brevet sur la fabrication additive a été déposée en 1984 par le français Jean-Paul André, les premières imprimantes ne sont apparues qu’au début des années 2000 (5). Étant relativement récentes, ces technologies n’ont évidemment pas encore atteint aujourd’hui leur pleine maturité (4). À titre d’exemple, dans certains cas, le fini de surface des pièces peut ne pas répondre aux exigences. Il en résulte alors des étapes d’usinage ou de post-traitement (sablage, ponçage, polissage, placage) successives à l’impression qui peuvent représenter jusqu’à 50% du coût total de la pièce (1, 2, 6, 7). La vitesse de fabrication, qui est d’ailleurs inversement proportionnelle à la qualité esthétique de la pièce, demeure également trop lente pour répondre à un contexte de production (1). À titre indicatif, le procédé de fabrication additive par fusion sur lit de poudre permet d’atteindre un dépôt de matière de 0,5 à 2 in3/H et ce, avec un seul laser. Bien entendu, il est possible d’augmenter ce taux de déposition en utilisant un double ou quadruple laser, mais le coût en sera affecté (7).
Alors que des efforts sont investis en termes de recherche et développement à travers le monde pour améliorer la performance des équipements et notamment la productivité, il n’est pas faux d’avancer qu’il existe une corrélation entre les propriétés physico-chimiques des poudres métalliques, la qualité esthétique des pièces, leur performance et implicitement les procédés suivant l’impression (usinage et post-traitement).
Dans cette perspective, l’impression 3D pourrait être une approche de choix pour les entreprises québécoises œuvrant dans le secteur de la transformation métallique au cours des prochaines années. En effet, les possibilités de substitution des matériaux utilisés (acier, aluminium, cobalt-chrome, nickel, titane, inconel (1)) traditionnellement en impression 3D métal sont nombreuses. Tout d’abord, il est à noter que le Québec compte deux fabricants mondiaux de poudres métalliques pour la fabrication additive (AP&C, Tekna) (1). À cela s’ajoutent des entreprises de la province qui œuvrent dans le développement et la fabrication de poudres.
À titre d’exemple, Rio Tinto Fer et Titane (RTFT) développe des poudres d’acier faiblement allié atomisées par eau pour le procédé par projection de liant et la fabrication additive par fusion sur lit de poudre (4). Suite à une initiative menée en collaboration avec le Réseau de la transformation métallique du Québec (RTMQ), cette même compagnie a travaillé sur l’élaboration d’un plan d’affaires pour implanter une filière scandium en Montérégie. Suite à cette initiative, RTFT a mis au point un nouveau procédé pour extraire de l’oxyde de scandium à partir des sous-produits générés lors de la production de dioxyde de titane (8). Rappelons que les alliages aluminium-scandium-magnésium sont utilisés pour l’impression 3D.
Autre exemple, le cas de 5N Plus qui fabrique pour sa part des poudres de cuivre, d’acier inoxydable et d’inconel (4). Dans le même ordre d’idée, la récente acquisition du Centre de métallurgie du Québec (CMQ), en l’occurrence son atomiseur, ainsi que et le Plan québécois pour la valorisation des minéraux critiques et stratégiques 2020-2025 apparaissent également comme des opportunités pour le développement et la production de nouvelles poudres métalliques.
Alors que l’impression 3D demeure aujourd’hui une technologie relativement onéreuse, est-ce utile de mentionner que la combinaison des améliorations technologiques dans les équipements et l’utilisation de nouvelles poudres métalliques auront un impact direct sur les coûts de production des pièces?
Le RTMQ lance un appel à candidatures pour inciter les entreprises à imprimer leur première pièce!
Afin de stimuler l’impression 3D dans le secteur de la transformation métallique, le RTMQ lance en collaboration avec le Pôle de recherche et d’innovation en matériaux avancés (PRIMA Québec) et le Centre de métallurgie du Québec (CMQ), l’appel à candidatures « C’est la première impression qui compte ».
Ainsi, les entreprises du secteur de la transformation métallique seront invitées à concevoir sur des imprimantes mises à disposition une pièce métallique caractérisée par la géométrie et les matériaux de leur choix.
Ce projet, supporté financièrement, permettra non seulement aux manufacturiers de découvrir le potentiel de l’impression 3D métal et de bénéficier de l’expertise des professionnels, mais également aux chercheurs d’étendre leurs connaissances sur les matériaux et les procédés. Cette démarche permettra de renforcer l’écosystème de la fabrication additive au Québec tout en sensibilisant les entrepreneurs, point important puisque le Canada affiche un retard considérable à l’échelle internationale en ce qui a trait à l’implantation de la fabrication additive (marché mondial Canada 2%; États-Unis 35%; Chine 9%) (1). Pour conclure, notons qu’à l’échelle mondiale une croissance exponentielle des revenus générés par la fabrication additive est attendue d’ici 2030 (9).
Vous souhaitez obtenir plus d’informations sur le projet « C’est ma première impression qui compte » ou manifester votre intérêt, n’hésitez pas à nous contacter.
Par : Le RTMQ
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