Fabrication instantanée

Une ligne frontière de l'histoire de la fabrication traverse l'usine de Siemens Hearing Instruments à Piscataway, NJ. D'un côté, des techniciens qualifiés utilisent des techniques de moulage, des outils de précision et des années d'expérience pour fabriquer les coques en acrylique des aides auditives modélisées à partir d'empreintes en silicone de canaux auditifs réels.

De l'autre côté de l'usine, deux machines de la taille d'un four à pizza créent des coques similaires à partir de poussière de nylon. À l'intérieur des machines, des aiguilles de lumière laser, guidées par des fichiers de conception numériques, balayent de manière robotique d'avant en arrière, resserrant de fines couches de poussière comme du papier dans des strates de plastique résistantes. Quatre heures et plusieurs centaines de balayages laser plus tard, un lot de 80 coquilles d'aides auditives est terminé ( voir De la poussière aux aides auditives, en bas ). Le processus permet d'économiser des heures de travail humain et produit des appareils auditifs qui s'adaptent et sonnent mieux que les appareils traditionnels.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2003

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Cela fonctionne si bien que Siemens, le plus grand fabricant mondial d'appareils auditifs, passe complètement à la technologie dans plusieurs usines. Tout ce processus nous permet d'être plus précis et d'éliminer les erreurs humaines. Cela va changer l'activité, déclare William Lesiecki, directeur des solutions logicielles et e-business pour Siemens Hearing Instruments.

désossage

À certains égards, la fabrication directe est une conséquence naturelle de la pression incessante pour réduire le temps nécessaire pour faire passer un produit du concept à la réalité commerciale en passant par la conception et le développement. Lorsque la conception assistée par ordinateur et les outils à commande numérique ont commencé à s'infiltrer dans les usines dans les années 1970 et 1980, le décor était planté pour le prototypage rapide, qui utilise des technologies d'impression pour créer des objets tridimensionnels qui servent de prototypes, par exemple, à des jouets ou à des pièces de voiture. Avec des prototypes en main en quelques heures seulement, plutôt qu'en des semaines ou des mois de sculpture et de moulage à la main une fois pris, les concepteurs peuvent affiner plus rapidement les produits, et les ingénieurs peuvent rapidement détecter et corriger les problèmes.

Les premières machines de prototypage rapide utilisaient des lasers pour lier des couches successives d'un polymère liquide, un processus appelé stéréolithographie. Les versions ultérieures utilisaient une gamme plus large de matières premières, telles que des poudres qui fusionnaient lorsqu'elles étaient touchées par un faisceau laser. Un autre saut a eu lieu dans les années 1990, lorsque la méthode s'est étendue au-delà des lasers pour inclure des têtes d'impression qui crachaient des liquides de liaison sur les poudres, ajoutant de la vitesse et une plus grande variété de matériaux ( voir les acteurs de la fabrication directe, en bas ). Dans le même temps, on s'est efforcé de développer ces technologies au point qu'elles puissent fabriquer des produits finis, pas seulement des prototypes. À la fin des années 1980, la stéréolithographie venait juste de sortir, et c'était très inspirant à voir, dit Emanuel Sachs, ingénieur en mécanique au MIT qui a développé la méthode de la tête d'impression. Ce que j'ai décidé de faire, c'est de passer de la création de prototypes à la création directe de pièces fonctionnelles.

Cet objectif est désormais atteint. Récemment, au laboratoire Therics de Princeton, dans le New Jersey, deux employés en tenue de salle blanche ont regardé une imprimante de la taille d'une voiture fabriquer 300 morceaux d'os de mâchoire de substitution de deux centimètres de long. Un réseau linéaire de huit têtes d'impression a balayé des couches successives d'une poudre appelée hydroxyapatite (le principal minéral de l'os naturel), distribuant sélectivement de minuscules gouttelettes d'un liquide de liaison organique qui serait ensuite brûlé lors d'un traitement au four. Sous la séquence incessante de gouttelettes - 800 par seconde - la masse de poudre autrement informe a commencé à prendre forme. La Food and Drug Administration des États-Unis a approuvé le substitut osseux de Therics fin mai, et bien qu'il n'ait pas encore été utilisé dans un implant chez l'homme, il est déjà entre les mains de chirurgiens qui ont l'intention de le tester bientôt. En tant que moyen de fabriquer de l'os de remplacement, la fabrication directe présente certains avantages. Supposons qu'une victime d'un accident ait perdu un fragment d'os du bras. La pièce peut être reconstruite numériquement à l'aide d'images du même os sur l'autre bras. De plus, la technologie d'impression est capable de créer des pores de seulement 50 micromètres de large, ce qui permet au segment osseux, une fois implanté, d'héberger de vraies cellules qui fabriquent de l'os réel, renforçant et éventuellement supplantant l'implant.

L'approbation par la FDA du substitut osseux directement fabriqué par Therics est une étape importante pour la technologie de fabrication. En effet, Ranji Vaidyanathan, un scientifique des matériaux à Advanced Ceramics Research à Tucson, AZ - qui développe ses propres substituts osseux imprimés - s'attend à ce que l'os directement fabriqué soit courant dans trois à cinq ans. Je dirais que cela changera la façon dont nous considérons l'os de remplacement, dit-il.

Robots personnalisés

Les implants osseux présagent des applications futures beaucoup plus larges qui suivront les améliorations de la vitesse, de la précision et de la variété des matières premières. On Demand Manufacturing, qui fabrique déjà des pièces en plastique et métalliques, espère proposer des matériaux capables de fonctionner dans les conditions les plus exigeantes, y compris la chaleur semblable à celle d'un four d'un moteur de fusée. L'entreprise a développé des poudres de superalliages qui peuvent être façonnées via des machines de fabrication directe, puis cuites en pièces de turbine complexes et ultrarésistantes. La société prend maintenant les mesures nécessaires pour qualifier les composants destinés à être utilisés dans les fusées.

La technologie de fabrication directe devient également mobile. Dans un mouvement qui pourrait un jour avoir des conséquences pour votre garage automobile local, l'armée américaine développe des unités mobiles de la taille d'un camion qui peuvent fabriquer des pièces de rechange basées sur des fichiers numériques ou des analyses sur place pour des véhicules et des armes directement sur le champ de bataille.

Et certains poussent la technologie dans le domaine de la robotique et de l'électronique, avec des pièces mobiles. Dans un premier temps, John Canny, Vivek Subramanian, et leurs collègues de l'Université de Californie à Berkeley, expérimentent l'impression à jet d'encre comme méthode pour façonner des semi-conducteurs organiques et des matériaux électroactifs en composants intelligents qui changent de forme en réponse à une tension . Une vision à long terme est un robot personnalisé tout en polymère pesant moins d'un kilogramme qui pourrait être imprimé pour des travaux spécifiques, comme la réparation de câblage dans un endroit restreint d'un avion. Mais les objectifs initiaux des chercheurs de Berkeley sont plus modestes ; Subramanian dit qu'ils prévoient de construire leur premier widget de démonstration - peut-être un petit joint mobile - d'ici deux ans.

La technologie pourrait éventuellement être commercialisée également. John Wooten, directeur général de la fabrication à la demande, envisage quelque chose comme une chaîne de Kinko tridimensionnels équipés d'équipements de fabrication directe qui pourraient reproduire à peu près n'importe quel objet pouvant être numérisé ou défini dans un fichier numérique. Il est possible d'imaginer un gars avec sa Mustang 65 et une poignée de fenêtre cassée y aller pour faire fabriquer une nouvelle poignée, dit Wooten. Dans la même veine, Carnegie Mellon's Bourne prévoit de nouvelles options de personnalisation personnelle : téléphones portables, lecteurs de CD et toutes sortes de produits de consommation avec des formes et des couleurs spécifiées par les clients.

Bien que ces applications de vente au détail soient encore hypothétiques, des entreprises se multiplient pour servir les fabricants sur une base contractuelle. Des entreprises comme Accelerated Technologies à Austin, Texas, et Met-L-Flo à Genève, IL, acceptent les fichiers de conception numérique et fabriquent des prototypes rapides, un concept qui pourrait évoluer en produits d'impression personnalisés pour les clients de détail. Si un tel service se matérialise, un restaurateur de voitures de quartier cherchant à dupliquer un petit morceau de grillage, ou un propriétaire reproduisant de vieilles garnitures, le trouverait semblable à un Home Depot numérique, avec un stock virtuel infini de produits personnalisés.

Acteurs de la fabrication directe
Société	La technologie	Applications
Systèmes 3D (Valence, Californie)	Machines de frittage laser sélectif qui utilisent des lasers pour lier des poudres de plastique ou de métal ; systèmes de stéréolithographie qui durcissent les résines liquides avec de la chaleur générée par laser	Implants médicaux et prothèses, composants de jets militaires, prothèses auditives, pièces de voitures de course de Formule 1
Stratasys (Eden Prairie, Minnesota)	Plastique chauffé expulsé par des buses mobiles	Pièces de pompe et petits engrenages
Thériques (Princeton, New Jersey)	Technologie d'impression tridimensionnelle, dans laquelle des matrices de têtes d'impression pulvérisent des gouttelettes de liants organiques sur des poudres	Substituts osseux avec la porosité nécessaire aux cellules à prendre après l'implantation
Fabrication à la demande (Camarillo, Californie)	L'utilisation de la machine de frittage de 3D Systems pour créer des pièces à haute résistance	Conduits d'avion et autres pièces en plastique et en métal sur mesure pour les applications aérospatiales
Appareils auditifs Siemens (Piscataway, New Jersey)	L'utilisation de la machine de frittage de 3D Systems pour fabriquer des coques d'aides auditives sur mesure	Coquilles pour appareils auditifs
AVEC (Burlington, MA)	Imprimante tridimensionnelle ultrarapide qui utilise des poudres exclusives	Modèles géographiques en couleur pour la planification militaire

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