Bosch Advanced Ceramics et l’avenir de la fabrication additive céramique

Alors que le secteur de la fabrication additive industrielle continue de croître et d’évoluer, l’une des plus grandes révélations de ces dernières années a été la fabrication additive céramique. La céramique technique offre des propriétés inégalées, allant d’une résistance extrême à la chaleur à une protection très élevée contre la corrosion. Associé à la flexibilité de conception et à la précision des technologies additives, ce matériau est en train de révolutionner des secteurs aussi variés que le médical, l’aérospatial, les semi-conducteurs et bien d’autres encore. Nous avons échangé avec Malte Hartmann, ingénieur en développement chez Bosch Advanced Ceramics (BAC), une filiale du groupe Bosch. BAC est un fabricant sous contrat spécialisé dans la fabrication additive industrielle céramique, avec une mission claire : faire de cette technologie une référence pour la production en série évolutive et les applications hautes performances. Mais sur quels projets BAC travaille-t-il ? Quels sont les défis auxquels ses clients sont confrontés et comment la FA peut-elle y répondre ? Ne manquez pas l’interview complète !

3DN : Pouvez-vous vous présenter ainsi que votre lien avec la fabrication additive ?

Malte Hartmann

Je m’appelle Malte Hartmann. Je travaille dans le domaine de l’impression 3D céramique depuis environ 10 ans. J’ai une formation en chimie et en technologie des matériaux. J’ai découvert la fabrication additive au sein du groupe de recherche du professeur Jürgen Stampfl de l’Université technique de Vienne, qui est ensuite devenu mon directeur de thèse. Ma thèse portait sur l’optimisation chimique et technologique de la fabrication additive par lithographie pour les céramiques dentaires. Après une brève période postdoctorale à l’université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg, j’ai délibérément choisi de me tourner vers l’industrie afin de poursuivre mon objectif : faire passer la FA céramique à la production à grande échelle.

3DN : Quelle est la mission de Bosch Advanced Ceramics et quel est votre rôle au sein de l’entreprise ?

Beaucoup considèrent l’impression 3D comme un outil adapté à la création de prototypes, mais notre vision est d’étendre la fabrication additive céramique à la production en série à grande échelle. Dans ce contexte, nous agissons en tant que fabricant sous contrat, spécialisé exclusivement dans la FA. Implantés dans une usine Bosch du sud de la Bavière, forte d’une longue expérience dans la production céramique par moulage par injection, nous nous appuyons sur ces connaissances approfondies pour faire passer la fabrication additive du stade de la recherche à celui de la production industrielle.

Mon rôle concerne principalement l’évolutivité de la fabrication additive. Tous ceux qui ont travaillé avec cette technologie savent qu’il ne s’agit pas simplement d’un système « plug and play ». Avant et après l’impression proprement dite, plusieurs étapes doivent être prises en compte, par exemple la préparation du travail d’impression, le nettoyage des excès de matière et, bien sûr, le traitement thermique. La rationalisation de la chaîne de valeur, l’automatisation du processus et la recherche de solutions évolutives font partie de mes principales tâches.

3DN : Quelles technologies de fabrication additive et quels matériaux céramiques utilisez-vous chez Bosch Advanced Ceramics ?

Depuis le début, nous travaillons exclusivement avec des procédés basés sur la photopolymérisation en cuve. Nous sommes constamment à l’affût des nouvelles alternatives sur le marché, mais jusqu’à présent, ce procédé est celui qui répond le mieux à nos exigences en termes de rugosité de surface, de densité, de résolution des caractéristiques et de résistance mécanique.

La production historique de céramique dans l’usine Bosch de Blaichach étant basée sur des céramiques oxydées denses, nous avons pu rapidement mettre au point plusieurs matériaux de ce groupe, tels que l’alumine, la zircone, l’alumine renforcée à la zircone et la zircone renforcée à l’alumine, en nous appuyant sur cette expertise. Si l’opportunité commerciale se présente, nous sommes ouverts à l’idée d’élargir ce portefeuille.

3DN : Les clients recherchent-ils principalement la production en série ou le prototypage ? Comment évolue la demande ?

La demande en matière de fabrication additive céramique augmente régulièrement, grâce à notre stratégie axée sur la production en série pour nos clients. Bien que chaque projet commence naturellement par une phase de prototypage, notre objectif est toujours de faire passer ces prototypes à une production en série qualifiée, qu’il s’agisse de petits ou de grands volumes. Nous avons délibérément réorienté notre approche, passant de l’utilisation de la FA comme outil interne de prototypage pour le moulage par injection de céramique à la réponse directe aux besoins de nos clients en matière de production en série par FA. Cette approche tire parti de la flexibilité inhérente à la fabrication additive en tant que méthode de production sans outillage, ce qui nous permet d’adapter et de faire évoluer la production de manière transparente une fois que tous les paramètres d’un composant spécifique ont été établis.

3DN : Quels sont les principaux défis auxquels vos clients sont confrontés lorsqu’ils font appel à vous ?

Les défis de nos clients sont très variés. La majorité d’entre eux nous contactent généralement pour deux défis techniques principaux. Premièrement, ils sont confrontés à des limites en termes de performances des matériaux pour leurs applications. Cela se traduit souvent par un besoin de propriétés telles qu’une résistance à des températures plus élevées, une meilleure résistance à l’usure ou une inertie chimique supérieure. Deuxièmement, ils ont besoin de géométries complexes ou de fonctionnalités intégrées qui sont tout simplement impossibles à réaliser avec les méthodes de fabrication conventionnelles. Il peut s’agir de structures internes très complexes, de conceptions légères ou de la consolidation de plusieurs composants en une seule pièce.

3DN : Comment Bosch Advanced Ceramics contribue à résoudre ces problèmes ?

Notre approche commence par une consultation technique approfondie afin de comprendre précisément les difficultés et les exigences du client. Plus nous sommes impliqués tôt dans le processus de conception et de réflexion, plus la coopération est efficace et meilleurs sont les résultats.

Cette phase initiale est cruciale, car elle nous permet d’affiner en collaboration les conceptions pour la FA, en optimisant à la fois les performances et la fabricabilité. Nous exploitons ensuite notre technologie de photopolymérisation en cuve avancée, qui excelle dans la production de pièces présentant un niveau exceptionnel de détail, de précision et de finition de surface à partir d’une gamme de matériaux céramiques haute performance.

BAC a aidé un client à remplacer des assemblages complexes à plusieurs composants, tels qu’une plaque de support électronique dotée de canaux complexes, par une seule pièce en céramique imprimée en 3D, ce qui a permis d’améliorer les performances et de simplifier considérablement la conception

Pour les clients qui ne connaissent pas bien tout le potentiel de la FA céramique, nous engageons un processus collaboratif afin d’identifier et d’évaluer les applications potentielles, les aidant souvent à découvrir des voies entièrement nouvelles.

Nous les aidons à comprendre les capacités de la FA céramique grâce à des projets collaboratifs de validation de concept, qui démontrent directement les performances et la fiabilité de cette technologie. S’ils ont des préoccupations en matière de coûts, nous les guidons pour qu’ils prennent en compte le coût total de possession. Si le coût initial des pièces peut sembler plus élevé, les avantages à long terme, tels que la durée de vie prolongée, le poids réduit ou l’assemblage simplifié, se traduisent souvent par des économies globales importantes et des performances supérieures que les pièces conventionnelles ne peuvent tout simplement pas offrir. Notre engagement est de fournir une solution complète qui non seulement répond à leurs besoins techniques immédiats, mais leur offre également une voie durable et axée sur la valeur ajoutée pour l’avenir.

3DN : Pouvez-vous nous citer un cas d’utilisation complexe où la FA céramique a permis une solution révolutionnaire ?

L’industrie textile utilise traditionnellement de nombreuses pièces fabriquées à partir de céramiques techniques. Un cas d’utilisation qui montre le potentiel transformateur de la FA céramique est la production d’aiguilles céramiques de précision pour la fabrication textile avancée.

Le défi consistait à obtenir des composants hautement résistants à l’usure, précis et géométriquement complexes pour les processus de placement de fibres sur mesure, qui impliquent la manipulation précise de fibres abrasives telles que le verre ou le carbone. Les méthodes de fabrication conventionnelles avaient du mal à atteindre simultanément la précision dimensionnelle, la qualité de surface et les propriétés matérielles requises, en particulier pour les volumes élevés.

Notre solution a utilisé la FA céramique pour produire des aiguilles céramiques complexes à partir d’alumine (pureté de 99,8 %). L’une des avancées les plus significatives ici est la capacité à produire efficacement ces pièces complexes en série. Un seul plateau d’impression permet la fabrication simultanée de 444 aiguilles identiques et complexes. Chaque aiguille mesure environ 22,3 mm de long, avec un œil précis qui s’élargit de 1 mm à 1,5 mm, et nécessite une tolérance de ±0,025 mm.

L’utilisation de l’alumine a apporté des avantages en termes de matériaux décisifs. Sa résistance à l’usure exceptionnellement élevée garantit une durée de vie nettement prolongée des outils lors du traitement de fibres abrasives, ce qui réduit les temps d’arrêt et la maintenance. De plus, la faible densité de la céramique contribue à réduire le poids des composants, ce qui permet des mouvements plus rapides et plus dynamiques au sein des machines textiles sans compromettre la stabilité. Associées à leur grande rigidité, les aiguilles en céramique empêchent toute déviation pendant le fonctionnement, garantissant ainsi une précision inégalée dans le placement des fibres.

Cet exemple met en évidence non seulement notre capacité à produire en série des composants céramiques très complexes, mais aussi la manière dont la FA céramique permet de résoudre directement les problèmes de performances critiques dans les applications industrielles exigeantes.

3DN : D’après votre expérience, quels sont les secteurs qui tirent le plus profit de la FA céramique ? Quelles sont les applications et les matériaux qui se démarquent ?

Au cours de mon passage chez Bosch Advanced Ceramics, j’ai eu des centaines d’entretiens techniques avec des clients issus de divers secteurs. À mon avis, tout secteur qui a besoin de céramiques techniques peut potentiellement tirer profit de la FA céramique. Cela peut s’expliquer par plusieurs raisons. La FA permet de réaliser des conceptions complexes comme aucune autre méthode de production et augmente ainsi l’efficacité d’un certain produit. En ce qui concerne les assemblages, la fabrication additive permet de produire des pièces uniques qui, traditionnellement, devaient être fabriquées individuellement. Cela réduit les coûts d’assemblage. Les industries dont le portefeuille de produits est « très diversifié et peu répandu », comme le secteur médical, peuvent en tirer un grand bénéfice, car la FA ne nécessite pas de coûts d’outillage.

Les secteurs clés qui ont le plus à gagner de la FA céramique sont notamment les semi-conducteurs, les dispositifs médicaux, l’aérospatiale, le traitement chimique, les énergies renouvelables et les machines industrielles haute performance. Dans le domaine des semi-conducteurs, la FA céramique permet d’obtenir des composants de haute pureté, résistants aux produits chimiques et à l’électricité, tels que des mandrins pour plaquettes, des têtes de douche à gaz ou des collecteurs fluidiques complexes.

Dans le domaine des dispositifs médicaux, la FA permet de fabriquer des pièces biocompatibles, stérilisables et ergonomiquement optimisées. La FA céramique excelle également dans la fabrication de pièces miniaturisées pour les équipements de diagnostic ou les outils spécialisés.

Les applications aérospatiales bénéficient de composants légers et résistants à la chaleur, tandis que des secteurs tels que le traitement chimique et l’énergie tirent parti de la FA pour fabriquer des pièces résistantes à la corrosion et à l’usure dans des environnements extrêmes. Enfin, les machines industrielles et la métrologie ont accès à des composants personnalisés, de haute précision et durables.

Dans tous ces secteurs, les principaux avantages de la FA céramique sont une plus grande liberté de conception, des performances améliorées dans des conditions exigeantes et une meilleure rentabilité grâce à la consolidation des pièces et à une durée de vie plus longue.

3DN : Comment voyez-vous l’avenir de la fabrication additive céramique ?

De nombreux experts pensent que la FA trouvera sa place parmi les technologies de production établies, mais nous pensons que le lien intrinsèque entre la FA et le flux de travail numérique, ainsi que le besoin de cycles de développement plus rapides dans l’industrie, conduiront à une position beaucoup plus importante de la FA. La combinaison de propriétés matérielles exceptionnelles, d’une liberté de conception inégalée et d’une agilité numérique en fait une technologie fondamentale pour les applications haute performance futures, et nous sommes impatients d’explorer ces possibilités.

3DN : Un dernier mot pour nos lecteurs ?

Je suis heureux que tout le monde partage son enthousiasme pour cette technologie passionnante et les possibilités qu’elle offre. La scène des makers a toujours eu une forte influence sur le développement de la technologie de fabrication additive en raison de sa grande créativité. Merci pour vos efforts et votre attention ! Pour en savoir plus sur BAC, cliquez ICI.

Que pensez-vous de l’activité de Bosch Advanced Ceramics et de sa vision du marché ? N’hésitez pas à partager votre avis dans les commentaires de l’article. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook  ou LinkedIn !

*Crédits de toutes les photos : Bosch Advanced Ceramics