L'imprimante 3D qui pourrait enfin changer la fabrication

Desktop Metal pense que ses machines offriront aux concepteurs et aux fabricants un moyen pratique et abordable d'imprimer des pièces métalliques. Par

• David Rotmann page d'archives

25 avril 2017

Grant Cornett

Il reste moins de deux mois avant le lancement initial du produit de son entreprise, et le PDG Ric Fulop montre avec enthousiasme des rangées d'imprimantes 3D dépouillées, plusieurs fours à micro-ondes volumineux et divers petits objets métalliques sur une table à exposer. Derrière une porte close, une équipe de designers industriels s'assoit autour d'un bureau de travail partagé, chacun face à un grand écran. Le mur derrière eux est tapissé de différents looks possibles pour les produits ambitieux de la startup : des imprimantes 3D capables de fabriquer des pièces métalliques à moindre coût et suffisamment rapidement pour rendre la technologie pratique pour une utilisation généralisée dans la conception et la fabrication de produits.

La société, Desktop Metal, a levé près de 100 millions de dollars auprès de grandes sociétés de capital-risque et des unités de capital-risque de sociétés telles que General Electric, BMW et Alphabet. Les fondateurs comprennent quatre professeurs éminents du MIT, dont le chef du département de science des matériaux de l'école et Emanuel Sachs, qui a déposé l'un des brevets originaux sur l'impression 3D en 1989. Pourtant, malgré tout l'argent et l'expertise, il n'y a aucune garantie que le l'entreprise réussira à atteindre son objectif de réinventer la façon dont nous fabriquons des pièces métalliques et transformera ainsi une grande partie de la fabrication.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2017

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Alors que Fulop se déplace dans le grand espace de travail ouvert, son excitation et son enthousiasme semblent tempérés par l'anxiété. Les derniers imprimeurs commerciaux ne sont pas encore prêts. Les employés sont occupés à bricoler les machines et les objets de test fabriqués sont éparpillés. Des progrès sont en cours, mais il est également évident que le temps presse. Dans un coin près de la porte d'entrée et de la zone d'entrée, le sol est vide et scotché ; bientôt, l'espace doit être rempli d'une maquette du stand prévu par l'entreprise pour un salon professionnel à venir.

S'il réussit, Desktop Metal aidera à résoudre un défi de taille qui a échappé aux développeurs d'impression 3D pendant plus de trois décennies, limitant considérablement l'impact de la technologie. En effet, malgré une fanfare considérable et des enthousiastes évangéliques, l'impression 3D a, à bien des égards, été une déception.

Les amateurs et les fabricants autoproclamés peuvent utiliser des imprimantes 3D relativement peu coûteuses pour créer des formes merveilleusement complexes et ingénieuses à partir de plastiques. Et certains concepteurs et ingénieurs ont trouvé ces machines utiles pour modéliser des produits potentiels, mais l'impression de pièces en polymère n'a trouvé que peu d'utilisation sur le plancher de production, sauf pour quelques produits spécialisés, tels que des prothèses auditives personnalisées et des implants dentaires.

Bien qu'il soit possible de
Les métaux imprimés en 3D, cela est difficile et coûteux.

Bien qu'il soit possible d'imprimer des métaux en 3D, cela est difficile et coûteux. Les entreprises de fabrication de pointe telles que GE utilisent des machines très coûteuses avec des lasers spécialisés à haute puissance pour fabriquer quelques pièces de grande valeur (voir la fabrication additive dans notre liste des 10 technologies révolutionnaires de 2013). Mais l'impression de métaux est limitée aux entreprises qui ont des millions à dépenser pour l'équipement, des installations pour alimenter les lasers et des techniciens hautement qualifiés pour tout faire fonctionner. Et il n'existe toujours pas d'option facilement disponible pour ceux qui souhaitent imprimer diverses itérations d'une pièce métallique au cours du processus de conception et de développement du produit.

Un collecteur hydraulique est traité à l'intérieur d'un four à micro-ondes, qui utilise des températures allant jusqu'à 1 400 °C pour fritter la pièce en acier. Une telle pièce est trop complexe pour être réalisée avec des procédés classiques.

Les lacunes de l'impression 3D signifient que la vision qui a longtemps enthousiasmé ses partisans reste insaisissable. Ils aimeraient créer une conception numérique, imprimer des prototypes qu'ils pourraient tester et affiner, puis utiliser le fichier numérique de la version optimisée pour créer un produit commercial ou une pièce à partir du même matériau chaque fois qu'ils cliquent sur make sur un 3-D imprimante. Disposer d'un moyen abordable et rapide d'imprimer des pièces métalliques serait une étape importante pour concrétiser cette vision.

Cela donnerait aux concepteurs plus de liberté, leur permettant de créer et de tester des pièces et des dispositifs aux formes complexes qui ne peuvent être fabriqués facilement avec aucune autre méthode de production, par exemple un treillis en aluminium complexe ou un objet métallique avec des cavités internes. Cela pourrait éventuellement permettre aux ingénieurs et aux scientifiques des matériaux de créer des pièces avec de nouvelles fonctions et propriétés en déposant diverses combinaisons de matériaux, par exemple en imprimant un métal magnétique à côté d'un autre non magnétique. Au-delà de cela, cela redéfinirait l'économie de la production de masse, car le coût d'impression serait le même quel que soit le nombre d'articles produits. Cela changerait la façon dont les fabricants envisagent la taille des usines, la nécessité d'un inventaire de secours (pourquoi conserver de nombreuses pièces en stock si vous pouvez en imprimer une simplement et rapidement ?) et le processus d'adaptation de la fabrication à des produits spécialisés.

C'est pourquoi il y a eu une course pour transformer l'impression 3D en une nouvelle façon de produire des pièces. Les fournisseurs de longue date d'imprimantes 3D, dont Stratasys et 3D Systems, introduisent des machines de plus en plus avancées et suffisamment rapides pour être utilisées par les fabricants. L'année dernière, HP a lancé une gamme d'imprimantes 3D qui, selon la société, permettront aux fabricants de prototyper et de fabriquer des produits en nylon, un thermoplastique largement utilisé. Et l'automne dernier, GE a dépensé plus d'un milliard de dollars pour deux sociétés européennes spécialisées dans l'impression 3D de pièces métalliques.

Cette hélice en acier vient d'être imprimée. Entre les pales de l'hélice et le support métallique se trouve une fine ligne de céramique, qui se transformera en sable lors du processus de frittage, permettant de séparer facilement la pièce finie du support.

L'hélice après traitement fournit un exemple de pièce haute performance pouvant être réalisée par impression 3D. Les ingénieurs peuvent utiliser la méthode pour prototyper et optimiser différentes conceptions.

Mais la véritable concurrence pour Desktop Metal ne vient probablement pas du nombre croissant d'entreprises d'impression 3D. D'une part, les imprimantes 3D de HP, Stratasys (un investisseur dans Desktop Metal) et 3D Systems utilisent principalement différents types de plastiques, et non la gamme de métaux que la société de Fulop souhaite utiliser dans ses imprimantes. Et les machines haut de gamme de GE recoupent peu les ambitions de marché de Desktop Metal. Au lieu de cela, les véritables concurrents de Desktop Metal sont plus susceptibles d'être des technologies de traitement des métaux établies. Celles-ci incluent des techniques d'usinage automatisées, telles que la méthode utilisée pour fabriquer le boîtier arrière en aluminium ultra-mince des iPhones, et une pratique en croissance rapide appelée moulage par injection de métal, un moyen courant de produire en masse des produits métalliques.

Acteurs clés de l'impression 3D

• Entreprise : Stratasys

  La technologie: L'une des premières sociétés d'impression 3D, Stratasys a été fondée par Scott Crumb, l'inventeur de la modélisation par dépôt de fil fondu, le moyen le plus courant d'imprimer des pièces en plastique.
  Des produits: Vend des machines pouvant imprimer une variété de matériaux photopolymères et thermoplastiques.

• Entreprise : Carbone

  La technologie: Cette startup de la Silicon Valley a développé un nouveau procédé photochimique pour fabriquer des pièces à partir de divers plastiques, dont le polyuréthane et l'époxy.
  Des produits: Introduit un système modulaire pour les fabricants ce printemps.

• Entreprise : HP

  La technologie: Sa gamme de machines exploite la longue histoire de l'entreprise avec l'impression à jet d'encre grâce à ce qu'elle appelle la technologie de fusion multi-jets. Cela utilise plusieurs buses pour une impression à grande vitesse et haute résolution.
  Des produits: A présenté ses premières imprimantes 3-D l'année dernière. Les premières machines imprimaient du nylon, mais l'entreprise cherche à s'étendre à d'autres matériaux.

• Entreprise : Systèmes 3D

  La technologie: La première entreprise d'impression 3D, 3D Systems, a été fondée par Chuck Hull, l'inventeur de la stéréolithographie, qui utilise la lumière pour former des pièces à partir de photopolymères. Elle propose désormais différents types d'imprimantes 3D, dont certaines qui impriment des pièces métalliques.
  Des produits: Introduit la dernière version de la stéréolithographie l'année dernière.

En d'autres termes, plutôt que de se contenter d'essayer de surpasser les autres imprimantes 3D, Desktop Metal aura la lourde tâche de détourner les fabricants des méthodes de production qui sont au cœur de leurs activités. Mais l'existence même de ce grand marché établi est ce qui rend la perspective si intrigante. La fabrication de pièces métalliques, dit Fulop, est une industrie d'un billion de dollars. Et même si l'impression 3D n'en gagne qu'une petite partie, ajoute-t-il, cela pourrait encore représenter une opportunité de plusieurs milliards de dollars.

Trop chaud pour imprimer

Regardez autour de vous. Les métaux sont partout. Mais alors que l'impression 3D a été largement utilisée dans la fabrication de plastiques, l'utilisation de la technologie dans la fabrication de pièces métalliques a été étroitement limitée, explique Chris Schuh, responsable de la science et de l'ingénierie des matériaux au MIT et cofondateur de Desktop Metal. La transformation des métaux est plus un art. C'est un espace très exigeant.

La fabrication d'objets métalliques à l'aide de l'impression 3D est difficile pour plusieurs raisons. La plus évidente est la température élevée requise pour le traitement des métaux. La façon la plus courante d'imprimer des plastiques consiste à chauffer des polymères et à faire gicler le matériau par la buse de l'imprimante ; le plastique durcit alors rapidement dans la forme souhaitée. Le processus est suffisamment simple pour être utilisé dans des imprimantes 3D qui se vendent environ 1 000 $. Mais construire une imprimante 3D qui extrude directement les métaux n'est pas pratique, étant donné que l'aluminium fond à 660 °C, l'acier à haute teneur en carbone à 1 370 °C et le titane à 1 668 °C. Les pièces métalliques doivent également subir plusieurs processus à haute température pour garantir la résistance et les autres propriétés mécaniques attendues.

Pour fabriquer une imprimante 3D suffisamment rapide pour être utilisée dans la fabrication d'objets métalliques, Desktop Metal s'est tourné vers une technologie qui remonte à la fin des années 1980. C'est alors qu'une équipe d'ingénieurs du MIT dirigée par le cofondateur de l'entreprise, Sachs, a déposé un brevet pour techniques d'impression en trois dimensions . Il décrit un processus consistant à déposer une fine couche de poudre métallique, puis à utiliser l'impression à jet d'encre pour déposer un liquide qui lie sélectivement la poudre. Le processus, qui se répète sur des centaines ou des milliers de couches pour définir une pièce métallique, peut en fabriquer d'une complexité géométrique presque illimitée. Dans l'application la plus courante de la technologie, le liant agit comme une colle. Cependant, il peut également être utilisé pour déposer localement différents matériaux à différents endroits.

Les chercheurs du MIT savaient que leur méthode d'impression pouvait être utilisée pour fabriquer des pièces en métal et en céramique, explique Sachs. Mais ils savaient aussi que c'était trop lent pour être pratique et que les poudres métalliques nécessaires au processus étaient bien trop chères à l'époque. Sachs s'est tourné vers d'autres intérêts de recherche, y compris un effort pour améliorer la fabrication de l'énergie photovoltaïque (voir Prier pour un miracle énergétique, ). Au cours des décennies suivantes, l'impression 3D a pris son envol et a captivé l'imagination de nombreux concepteurs de produits. Plus célèbre encore, une imprimante 3D bon marché et facile à utiliser de MakerBot a été introduite en 2009, attirant de nombreux inventeurs et bricoleurs autoproclamés. Mais ces imprimantes abordables se sont heurtées à la réalité qu'elles étaient limitées à l'utilisation de quelques plastiques bon marché. De plus, bien que les machines puissent imprimer des formes complexes, le produit final n'est souvent pas aussi bon qu'une pièce en plastique fabriquée avec une technologie conventionnelle.

Gros plan sur l'écrou à oreilles.

Desktop Metal a imprimé le boulon et l'écrou à oreilles séparément pour démontrer qu'il peut fabriquer des pièces avec des tolérances serrées.

Pendant ce temps, les chercheurs de fabricants industriels comme GE étaient occupés à faire progresser les technologies à base de laser inventées à la fin des années 1980 pour l'impression des métaux. Ces machines utilisent des lasers - ou, dans certains cas, des faisceaux d'électrons de haute puissance - pour dessiner des formes dans une couche de poudre métallique en faisant fondre le matériau. Ils répètent le processus pour créer un objet tridimensionnel à partir des poudres fondues. La technique est impressionnante dans ses capacités, mais elle est lente et coûteuse. Cela ne vaut que pour les pièces de très grande valeur qui sont trop complexes pour être fabriquées à l'aide d'autres méthodes. Notamment, le nouveau moteur à réaction de GE utilise une série de buses de carburant sophistiquées imprimées en 3D ; ils sont plus légers et beaucoup plus durables car des canaux de refroidissement complexes y ont été intégrés.

Les fondateurs de Desktop Metal ont décidé que pour rendre l'impression 3D sur métal plus largement accessible, ils auraient besoin de vendre deux types de machines différents : un modèle de bureau relativement peu coûteux adapté aux concepteurs et aux ingénieurs fabriquant des prototypes, et un modèle suffisamment rapide et grand pour les fabricants. Heureusement, plusieurs innovations ont finalement rendu l'invention originale de Sachs pratique pour la production de masse, y compris le développement de l'impression à jet d'encre à très grande vitesse pour déposer le liant. En imprimant successivement environ 1 500 couches de 50 micromètres d'épaisseur chacune et déposées en quelques secondes, l'imprimante à l'échelle de la production peut fabriquer une pièce de 500 pouces cubes en une heure. C'est environ 100 fois plus vite qu'une imprimante 3D laser ne peut fabriquer de pièces métalliques.

Pour sa machine de prototypage, Desktop Metal a adopté une méthode d'impression 3D à base de plastique. Mais au lieu d'un polymère ramolli, il utilise des poudres métalliques mélangées à un liant polymère fluide. La formulation est extrudée, en utilisant le liant imprimé pour agglomérer la poudre métallique dans les formes prévues.

Cependant, que la pièce soit imprimée avec la machine de prototypage ou le modèle de production, l'objet résultant - en partie liant plastique et en partie métal - n'a pas la résistance d'un objet métallique. Il passe donc dans un four à micro-ondes spécialement conçu pour le frittage, un processus utilisant la chaleur pour rendre le matériau plus dense, produisant une pièce avec les propriétés souhaitées. Dans une série d'étapes soigneusement calibrées au cours du processus de frittage, le polymère est brûlé, puis le métal est fusionné à une température bien inférieure à son point de fusion.

Le pitch de vente

Selon les promesses de ses passionnés, l'impression 3D réduira le besoin de fabricants industriels et autonomisera les producteurs artisanaux locaux (voir La différence entre les fabricants et les fabricants, ). La réalité est probablement bien différente mais néanmoins profonde. De nombreux secteurs de la production industrielle utilisent de plus en plus l'automatisation et des logiciels avancés, et l'impression 3D renforce cette évolution en cours vers la fabrication numérique. À certains égards, cela ressemble à un processus d'usinage automatisé qui fonctionne à partir d'un fichier numérique pour créer une pièce métallique. Ce qui est différent avec l'impression 3D, c'est qu'elle offre des moyens de fabriquer des objets beaucoup plus complexes et supprime bon nombre des contraintes que le processus de production impose aux concepteurs et aux ingénieurs.

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Lire la suite Malgré l'attrait des applications et des médias sociaux, les technologies numériques d'aujourd'hui ne contribuent guère à générer le type de prospérité dont jouissaient les générations précédentes, affirme un éminent économiste. Mais cela ne signifie pas que nous devons renoncer à l'innovation.

Cela pourrait également inspirer les fabricants à modifier leurs stratégies de logistique et de production. Pour des quantités relativement petites de marchandises, l'impression 3D pourrait être moins chère, car elle élimine les coûts associés à l'outillage, au moulage et aux moules nécessaires pour produire la plupart des objets en métal et en plastique. Le temps et l'argent nécessaires pour mettre en place tout cela est l'une des raisons pour lesquelles la production de masse est souvent nécessaire si un fabricant veut gagner de l'argent. Sans cette incitation à s'engager dans une production à grande échelle, les usines pourraient modifier les calendriers de production et être plus réactives à la demande, se rapprochant encore plus de la fabrication juste à temps. John Hart, professeur de génie mécanique au MIT et cofondateur de Desktop Metal, appelle cela la production de masse personnalisée. Plutôt que d'avoir de grandes installations qui fabriquent un grand nombre de pièces identiques qui doivent être expédiées à travers le monde et entreposées, les fabricants peuvent maintenir des usines dispersées qui fabriquent un ensemble diversifié de produits, augmentant la production selon les besoins. Les implications dans une décennie ou deux dépassent probablement notre imagination, dit Hart. Je ne pense pas vraiment que nous sachions ce que nous ferons de ces technologies.

Pour l'instant, le défi pour Desktop Metal est de mettre son équipement entre les mains de concepteurs et d'ingénieurs responsables de la prochaine génération de produits de leur entreprise. Cet hiver, Fulop se préparait à présenter le produit initial de l'entreprise, la machine de prototypage, lors d'un salon professionnel à Pittsburgh début mai. (L'imprimante 3D de production devrait être disponible l'année prochaine.) Sa tâche serait de convaincre les participants que dépenser 120 000 $ pour l'imprimante de prototypage et le four de frittage de Desktop Metal est essentiel pour l'avenir de leurs entreprises.

L'un des principaux avantages de l'impression 3D est sa capacité à créer des structures complexes, y compris des treillis internes dans une pièce métallique. De telles structures pourraient être utilisées pour fabriquer des pièces plus légères et plus résistantes.

C'est un travail de vente qui convient parfaitement à Fulop. Il a créé plus d'une demi-douzaine d'entreprises, à commencer par celle qui importait du matériel informatique et des logiciels qu'il avait fondée à l'âge de 16 ans et qui vivait toujours dans son Venezuela natal. Il est probablement mieux connu pour avoir fondé A123 Systems, une société de batteries qui était l'une des startups les plus performantes à la fin des années 2000, culminant avec une introduction en bourse de 371 millions de dollars en 2009. La société était basée sur une nouvelle technologie lithium-ion développée par Yet -Ming Chiang, professeur au MIT qui est également cofondateur de Desktop Metal. Comme leur startup actuelle d'impression 3D, A123 espérait appliquer son expertise en science des matériaux pour révolutionner un énorme marché.

Cela pourrait également inspirer les fabricants à modifier leurs stratégies de logistique et de production.

Bien qu'A123 ait connu une croissance rapide et une introduction en bourse très réussie, la société a déclaré faillite en 2012 (Fulop est parti en 2010). Demandez à Fulop la leçon de A123 et il dit simplement : les batteries sont un marché à faible marge. En effet, A123 avait du mal à rivaliser dans un secteur des batteries de plus en plus encombré, et il n'offrait pas une amélioration de performances suffisamment radicale par rapport aux batteries lithium-ion établies pour conquérir immédiatement un marché naissant de véhicules hybrides (voir A123's Technology Just Wasn't Good Enough ).

Les défis auxquels devra faire face Desktop Metal seront très différents. Un énorme marché pour les pièces métalliques existe déjà. Et la startup pense que sa technologie aura, du moins à court terme, peu de concurrents directs. Chiang souligne le très riche portefeuille de brevets de la startup. Ce ne sont pas seulement les matériaux; ce sont les techniques, c'est le four [de frittage], dit-il. Plus la technologie est difficile, plus la barrière à l'entrée que vous construisez est élevée si vous réussissez.

Dans son bureau, Chiang possède une boîte en bois contenant une demi-douzaine d'épées, prêtées par le Museum of Fine Arts de Boston, fabriquées dans les années 1970 selon des techniques traditionnelles japonaises. Chiang utilise les épées dans l'enseignement. La leçon : comment les artisans ont utilisé les secrets de la métallurgie pour transformer le minerai de fer en produit final : une épée en acier ultra-tranchante et légèrement incurvée. Montrant les épées, Chiang souligne certains de leurs détails, expliquant les astuces utilisées par leurs fabricants, telles que la méthode de trempe utilisée pour créer un bord extrêmement dur et un corps plus doux. De retour à son bureau, son attention à nouveau sur Desktop Metal, il est tout aussi enthousiaste lorsqu'il décrit les objets en métal récemment imprimés par l'entreprise et exposés dans ses installations. Ce qui est excitant, c'est l'idée que vous pouvez vraiment fabriquer ces pièces, dit Chiang. Quelques heures, et voici une partie que vous ne pouviez même pas faire auparavant.

Elle ne remplacera pas des techniques de production centenaires telles que le forgeage et le moulage des métaux, mais l'impression 3D pourrait créer de nouvelles possibilités dans la fabrication et, peut-être, réinventer l'art de la métallurgie.

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