Conseil d’experts : comment combiner fabrication additive et soustractive dans la chaîne de production ?

Ces dernières années, la fabrication additive et soustractive a gagné en popularité, ayant un impact significatif dans le monde entier. Grâce à de nombreuses avancées technologiques, il existe une grande variété d’industries bénéficiant déjà de ce que l’on appelle la « fabrication hybride » pour la création des pièces finales. Bien qu’il existe des différences entre les deux méthodes de production, elles peuvent être utilisées de manière complémentaire pour en tirer le meilleur parti. Cependant, il est important de savoir en détail en quoi consistent ces technologies afin de pouvoir les implanter dans une entreprise. Pour régler ce problème, nous nous sommes entretenus avec trois experts de l’industrie manufacturière. Ils nous ont donné leur avis et leurs conseils pour implémenter de manière optimale la fabrication additive et soustractive dans la chaîne de production.

Tout d’abord, nous avons interrogé Peter Genovese, ingénieur d’applications d’impression 3D pour SolidCAM Additive. Il travaille avec les technologies additives depuis près d’une décennie et s’appuie sur son expérience professionnelle pour déterminer comment ces procédés s’intègrent le mieux dans divers environnements de fabrication. Elena López  est responsable du département de fabrication additive chez Fraunhofer IWS. De plus, elle est professeure auxiliaire de fabrication additive et représentante de Women in 3D Printing en tant que directrice régionale pour l’Europe. Enfin, Brian Kristaponis, est le directeur général de la division hybride au sein de Phillips, un fournisseur leader de solutions de fabrication et de nouvelles technologies pour une grande variété de marchés.

Les caractéristiques de la fabrication additive et soustractive

Avant de parler de la façon de mettre en œuvre la production hybride, il est important de comprendre les différences significatives entre les deux méthodes. D’une part, la fabrication additive consiste à superposer de la matière, couche par couche, jusqu’à créer la pièce souhaitée. Dans la famille des technologies d’impression 3D, nous trouvons : l’extrusion de matériaux, le jet de matière, le liage de poudre la photopolymérisation en cuve, la fusion sur lit de poudre, le dépôt de matière sous énergie concentrée et le laminage… D’autre part, la fabrication soustractive est basée sur la création de produits en enlevant de la matière d’un bloc ou d’une pièce. Au sein de ces processus soustractifs, nous trouvons : l’usinage CNC (fraisage, tournage, perçage, alésage, meulage), le découpe laser, l’électroérosion et le jet d’eau.

Les deux procédés de fabrication ont leurs points forts et leurs propres limites, il sera donc nécessaire de les connaître pour comprendre ce qu’il faut utiliser dans chaque cas. Voyons maintenant les bénéfices qu’une entreprise peut obtenir en combinant ces deux technologies. Peter Genovese, expert de SolidCAM, explique : « L’un des principaux avantages de la fabrication hybride est la possibilité d’utiliser l’impression 3D pour imprimer d’abord une géométrie organique très complexe qui serait autrement impossible à produire en utilisant uniquement l’usinage soustractif. L’usinage soustractif est ensuite utilisé pour atteindre les niveaux élevés de précision dimensionnelle et de tolérance serrée requis sur les caractéristiques critiques des pièces ». Comme nous le voyons, la fabrication hybride combine la fabrication additive et soustractive, en prenant le meilleur des deux processus et en les incorporant dans une seule machine. Ainsi, cette méthode de production accélère et facilite la création de pièces finales pour les industries les plus exigeantes.

En ce qui concerne le processus dans son ensemble, Brian Kristaponis ajoute : « Un processus hybride peut réduire la quantité de matière première nécessaire, ce qui peut à son tour réduire le temps de cycle pour créer une forme presque nette. Il peut permettre des géométries internes, réduire le besoin de tailles spécifiques de matériau de départ et réduire les coûts d’outillage globaux en éliminant les processus d’usinage grossiers. » À ce stade, il est important de noter l’importance de choisir le bon processus, à la fois additif et soustractif, pour tirer le meilleur parti de chaque application spécifique.

A. Procédé de fabrication soustractive / B. Procédé de fabrication additive.

Si nous nous concentrons spécifiquement sur l’impression 3D, nous voyons que chaque technologie a des caractéristiques clés qui auront une incidence lorsqu’elle sera utilisée en complément de la fabrication soustractive. C’est ce que souligne également Elena López, qui explique : « Toutes les technologies de fabrication additive ne sont pas adaptées pour améliorer l’extensibilité des pièces ou effectuer des réparations de manière pratique ». Les aspects à prendre en compte dans ce choix sont : la résolution ou la tolérance du procédé additif, les matériaux compatibles avec la technologie et la nécessité d’un post-traitement spécifique des pièces. Nous verrons ce dernier point plus en détail ci-dessous.

Fabrication hybride : autres aspects à considérer

En dehors du processus de fabrication proprement dit, l’importance d’autres aspects de la chaîne de production doit également être prise en compte. Lorsqu’on parle de fabrication hybride, la phase de conception et le post-traitement jouent un rôle fondamental. Connaître en détail les fonctions des deux processus permettra aux entreprises de tirer le meilleur parti de la production additive et soustractive pour la création de pièces finales optimales.

La phase de conception dépend généralement du processus de fabrication qui sera utilisé pour créer la pièce. Elena et Peter expliquent que la fabrication additive et soustractive séparément ont plus de limites en termes de conception. « Toutes les conceptions ne peuvent pas être traitées sur une machine CNC. Des structures internes particulièrement complexes peuvent ne pas être l’approche la plus raisonnable », commence López. À cela, Genovese poursuit : « En général, avec l’usinage CNC, à mesure que la complexité de la conception augmente, la difficulté d’usinage de cette pièce augmente également. En revanche, avec la technologie additive, il existe de nombreux cas où une augmentation de la complexité de la pièce ne se traduit pas par une fabrication plus complexe » .

Kristaponis conclut en évoquant le processus de conception dans une fabrication hybride : « La complexité des caractéristiques internes se prête très bien à un processus hybride. Avec un hybride, le dépôt et l’usinage peuvent être répétés tout au long du processus. Cela nous permet de produire des pièces avec des caractéristiques internes usinées de haute qualité qui ne seraient pas possibles avec une fabrication strictement additive ou un procédé CNC ». Ainsi, grâce à la combinaison des deux technologies, les concepteurs ont une plus grande liberté pour concevoir des pièces en fonction de leurs performances, au lieu d’être limités par une seule méthode de fabrication.

La conception est une phase importante de la fabrication hybride. (crédits photo : nTopology)

La phase de post-traitement est aussi une étape à ne surtout pas négliger. Ces procédés sont fondamentaux dans la plupart des processus de fabrication, car ils permettent d’obtenir un meilleur état de surface des pièces tout en renforçant, dans certains cas, leurs propriétés mécaniques pour des applications plus exigeantes. En ce sens, les 3 experts s’accordent à dire qu’il s’agit d’un aspect crucial. Lors de la conception du modèle, il faut tenir compte du type de post-traitement à mettre en œuvre, car la morphologie de la pièce peut varier. En effet, López explique : « La rugosité de surface attendue, selon les procédés hybrides utilisés, peut différer de celle d’un simple procédé d’impression 3D. Si des technologies soustractives sont utilisées, la quantité de matière à enlever doit être prise en compte dans les voies de conception et de traitement ».

Genovese est d’accord sur ce point, mais mentionne également les tolérances des pièces. « Vous pouvez souvent imprimer des formes qui ne peuvent pas être usinées. Si vous avez besoin d’usiner la pièce plus tard pour atteindre des tolérances critiques, assurez-vous de pouvoir accéder à ces endroits après l’impression de la pièce avec ces techniques soustractives plus traditionnelles, » explique Peter. Enfin, Brian aborde la question du post-traitement en concluant : « L’idéal est de produire une forme presque nette avec des quantités égales de matériau dans toutes les directions. Cela rend le processus d’usinage plus prévisible et permet de réduire le temps d’usinage, car les opérations d’usinage de semi-finition peuvent être réduites ou supprimées.. » Ce dernier point est intéressant car, sinon, on se heurterait à certains problèmes. Si la pièce est sous-construite, il n’est pas toujours possible de la redéposer, ce qui altèrerait la pièce..

Dans la fabrication hybride, le post-traitement est utilisé pour obtenir la finition de surface souhaitée. Avec les technologies métalliques, cela se fait en utilisant des techniques comme l’usinage CNC.

Les derniers conseils de nos experts

Peter Genovese : Tendez la main à quelqu’un qui a déjà parcouru ce chemin et aidez-vous à vous guider dans votre propre cheminement. Le monde de la fabrication additive et de l’usinage CNC est incroyablement vaste. Le simple fait de savoir quelles options existent, sans parler de la façon dont vous pouvez exploiter ces options ensemble, est une tâche très difficile. Trouver des consultants ou des entreprises dans des secteurs similaires au vôtre qui ont réussi avec la fabrication hybride sont d’excellentes ressources pour vous aider à filtrer toutes les options.

Elena López : Vous devez analyser attentivement le cas d’utilisation auquel vous aspirez et évaluer ce qui est le plus important pour eux. L’ajout de technologies d’usinage CNC nécessite l’embauche ou la formation d’un expert dans ces autres technologies. La solution de fabrication hybride n’est peut-être pas la plus rentable, mais elle peut ajouter de la flexibilité pour les applications futures.

Brian Kristaponis : Avec des machines hybrides utilisant des machines CNC comme système de contrôle de mouvement, vous avez besoin d’une solution logicielle de FAO qui prend en charge les deux technologies de la même manière. Au fur et à mesure que de plus en plus de machines sont introduites sur le marché, les éditeurs de logiciels consacreront plus de ressources pour faciliter et accélérer la programmation de ces machines et réaliser une intégration transparente entre additif et soustractif.

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*Crédits photo de couverture : Cenit