Vers des emballages durables grâce à l’impression 3D ?

Depuis plusieurs années maintenant, les enjeux environnementaux ont poussé un nombre considérable d’entreprises à repenser leur système de production, notamment en ce qui concerne la fabrication d’emballages. Afin de proposer des emballages plus durables, de nombreuses sociétés ont opté pour l’impression 3D, et ce, pour une bonne raison. La technologie permet d’utiliser des matériaux respectueux de l’environnement et d’obtenir des produits de haute qualité. Et si la fabrication additive est considérée comme une méthode de production plus durable, ce n’est pas un hasard. Par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles, l’impression 3D génère 70 à 90 % de déchets en moins et offre surtout la possibilité de recycler les matériaux utilisés. Ces derniers temps, plusieurs innovations ont notamment été développées dans le secteur des matériaux, afin de favoriser le réemploi de ces derniers et donc de fabriquer des emballages durables. 

À l’échelle mondiale, les emballages constituent l’une des plus importantes sources de déchets. Qu’il s’agisse d’appareils ménagers, de cosmétiques, de conteneurs alimentaires ou de fournitures d’expédition, des tonnes de déchets sont générées par les emballages. Aux États-Unis, l’Agence de protection de l’environnement (EPA) estime que les déchets provenant des emballages représentent près de 30 % du total des déchets du pays chaque année. Tout comme aux États-Unis, de l’autre côté de l’Atlantique, des pays comme l’Allemagne, la Belgique, l’Espagne, l’Italie, la France ou les Pays-Bas cherchent des solutions pour faire face à cette sur-production de déchets. Et c’est pour cette raison que de nombreuses entreprises ont commencé à utiliser les technologies 3D pour repenser la production d’emballages. 

Le plastique représente près de 30 % de l’ensemble des déchets produits aux États-Unis chaque année. L’impression 3D propose des alternatives au plastique à usage unique. (Crédits photo : Magda Ehlers/Pexels)

Comment définir un emballage durable ?

Le terme « durable » a largement été adopté par les entreprises pour signaler aux consommateurs que le produit portant ce label n’est pas « nuisible à l’environnement ». Plus rarement, les sociétés incluent également la « responsabilité sociale » dans cette notion de durabilité – signifiant notamment des salaires équitables et des conditions de travail humaines. Au-delà des termes marketing et des préférences des consommateurs, il existe également des organisations tierces qui vérifient et certifient ces emballages imprimés en 3D. Le groupe Toly, qui produit des emballages haut de gamme imprimés en 3D pour des marques de cosmétique de luxe, fait par exemple appel aux services de plusieurs autorités dans le domaine de la durabilité, à l’image de l’ISO 14001 (certification du système de gestion de l’environnement), et du CDP (Carbon Disclosure Project) qui compare les émissions de CO2 et les équivalents CO2 de diverses entités. Afin d’en savoir plus sur la production d’emballages durables, nous allons examiner de plus près les méthodes de fabrication, les machines ainsi que les matériaux utilisés. 

Une étude de consommation de Nielsen a révélé que 73 % des consommateurs sont prêts à payer plus cher pour des produits durables. (Crédits photo : Krizjohn Rosales / Pexels)

Dans une enquête menée auprès de 550 consommateurs, 53 % des participants ont déclaré que les produits portant des étiquettes indiquant un emballage « écologique » les aidaient à définir un produit comme durable – devant les étiquettes « sans pesticides » ou « biologique ». En outre, selon une étude de Nielsen, 73 % des consommateurs sont prêts à payer davantage pour des produits durables (et 66 % des consommateurs en général). À travers ces chiffres, on comprend pourquoi les entreprises n’hésitent pas à investir dans les emballages durables. « Nos clients nous demandent régulièrement de revoir la conception des emballages pour qu’ils soient plus écologiques. C’est là que l’impression 3D entre en jeu. Elle nous permet de tester des prototypes avec des parties plus fines ou creuses ou des matériaux plus légers et de nous assurer que l’emballage reflète toujours la qualité supérieure du produit qu’il contient« , explique James A. Kingswell, responsable de l’innovation chez Toly Group.

Les avantages des emballages imprimés en 3D

Une étude de la Michigan Technological University a révélé qu’il fallait 41 à 64 % d’énergie en moins pour imprimer un article en 3D que pour le fabriquer à l’étranger et l’expédier aux États-Unis. De plus, même une légère réduction de la quantité de matériaux utilisée peut entraîner des économies importantes pour les entreprises. Vous l’aurez compris, grâce à la fabrication additive, les entreprises peuvent réduire la quantité de plastique dans les emballages sans nuire à la qualité du produit. C’est probablement pour cette raison que des entreprises comme L’Oréal, UPS et FedEx investissent dans des solutions d’impression 3D en interne. Comme dans de nombreux secteurs, ce sont principalement les économies de coûts et la réduction du temps de production qui les ont motivés. 

Outre les avantages environnementaux des emballages imprimés en 3D, la liberté de conception offre aux entreprises la possibilité de prototyper des modèles avant de s’engager dans des matériaux coûteux. Cette technologie permet également aux marques de proposer des emballages personnalisés à leurs clients. C’est pourquoi, Marchesini, une entreprise italienne fabriquant une large gamme d’emballages pour diverses industries, est l’un des plus gros clients européens du géant Stratasys.

Dans son centre dédié à l’impression 3D, Marchesini a mis en service plusieurs imprimantes FDM et PolyJet de Stratasys, dont cinq systèmes F270, quatre Fortus 450mc, une Fortus 900mc à grande échelle ainsi que deux imprimantes 3D multi-matériaux PolyJet. « La production de pièces complexes et personnalisées avec les méthodes de fabrication traditionnelles s’est avérée extrêmement coûteuse et longue, ce qui n’est plus adapté aux exigences croissantes de l’industrie de l’emballage d’aujourd’hui « , explique Mirko Fortunati, coordinateur des ateliers mécaniques chez Marchesini Group.  Il poursuit : “Les solutions de Stratasys nous ont permis de surmonter ces problèmes et d’adopter un modèle de production personnalisé. Cette capacité de production à la demande permet à nos ingénieurs de profiter de la plus grande liberté de conception offerte par l’impression 3D, ce qui a permis à Marchesini Group d’obtenir des résultats de meilleure qualité.”

Quadpack, fabricant mondial de solutions d’emballage de produits de beauté, utilise l’imprimante 3D série J de Stratasys pour ses capacités multi-matériaux et en couleur. (Crédits photo : Stratasys)

En outre, comme nous avons pu le constater lors de la pandémie, pouvoir fabriquer en interne est un avantage considérable. En ayant recours aux technologies 3D, les entreprises peuvent déplacer rapidement les sites de production car elles s’appuient sur des fichiers numériques et des imprimantes 3D, et non sur des usines immobiles massives. La fabrication additive permet également de concevoir presque exactement la quantité d’emballage commandée, ce qui réduit de facto le gaspillage et le nombre de déchets produits. Enfin, de par sa capacité à personnaliser des pièces, l’impression 3D s’adapte aux tendances du moment. Il est possible de concevoir des emballages en série limitée, comme ce fut le cas pour les jeux Olympiques ou la série phénomène Squid Game, tout en évitant un risque de surproduction. 

L’Oréal utilise le procédé Multi Jet Fusion de HP pour réduire le volume de matériau utilisé dans les emballages imprimés en 3D. (Crédits photo : HP)

Moulage par injection et impression 3D

Le moulage par injection est une méthode de fabrication traditionnelle fréquemment associée à l’impression 3D. Cette combinaison permet aux entreprises de concevoir de grands volumes de pièces grâce au moulage par injection, alors que l’impression 3D peut quant à elle produire des lots de petite ou moyenne taille. Cependant, comme son nom l’indique, le moulage par injection nécessite un moule et sa création peut se révéler coûteuse, sans compter le temps que sa fabrication nécessite. C’est pourquoi, au lieu de produire un moule métallique traditionnel, on peut imprimer en 3D un moule à l’aide de plusieurs procédés, comme le FDM, le frittage sélectif par laser ou la stéréolithographie. Une alternative plus que viable pour limiter les coûts et réduire de manière significative le temps de production. D’un point de vue pratique, l’impression 3D permet de créer des moules plus complexes, ce qui offre donc la possibilité de créer des pièces détaillées et optimisées. 

La fabrication additive peut être également être utilisée pour concevoir des outils spécifiques. Par exemple, en s’appuyant sur la technologie de liage de poudre métallique d’ExOne, l’entreprise suédoise Celwise AB fabrique de l’outillage métallique destiné à créer des récipients et des emballages alimentaires renouvelables et biodégradables. Celwise indique que ce procédé offre des produits plus respectueux de l’environnement tout en réduisant les coûts de fabrication de 50 %. « Notre technologie brevetée offre un produit recyclable, renouvelable et biodégradable qui peut être fabriqué plus rapidement et à un coût plus abordable que les technologies traditionnelles. Les approches de fabrication avancées, qui reposent sur l’outillage imprimé en 3D par ExOne, constituent une partie importante de notre processus« , explique David Pierce, fondateur et copropriétaire de Celwise.

Cette méthode de production d’emballages de Celwise utilise un matériau en fibre moulée comme alternative au plastique à usage unique, mais cette matière ne peut être fabriquée qu’avec certaines technologies d’impression 3D. Si pour le moment peu d’entreprises ont recours à cette technique, elle devrait se développer dans les années à venir. Celwise a déjà vendu cette solution d’emballage écologique à plusieurs entreprises spécialisées dans les secteurs de l’alimentation, de la cosmétique et de l’électronique. Cet exemple montre que, bien que l’emballage durable imprimé en 3D soit en plein essor, la technologie est également utilisée de manière indirecte afin de fabriquer des emballages plus durables.

Les produits d’emballage durables de Celwise fabriqués avec la technologie de projection de liant d’ExOne. (Crédits photo : ExOne)

La science des matériaux et les outils de simulation

Lorsqu’on parle d’emballage durable, les matériaux sont un facteur très important. Jusqu’à peu, l’impression 3D reposait principalement sur des matériaux non biodégradables comme les plastiques fabriqués à partir de combustibles fossiles, et donc dangereux pour l’environnement. Mais aujourd’hui, les innovations dans le secteur des matériaux se succèdent, et à l’image des plastiques biodégradables fabriqués à partir de maïs ou de sucre de canne, des alternatives au plastique apparaissent. Ces matériaux compostables ou biodégradables contribuent à réduire la quantité de déchets qui finissent dans les décharges et le niveau de pollution plastique dans nos océans. Il est intéressant de noter que les emballages compostables sont plus efficaces car, contrairement aux emballages biodégradables qui se désintègrent en composants naturels s’ils sont correctement éliminés, les emballages compostables peuvent devenir des éléments nutritifs pour le sol. Par conséquent, les matériaux compostables contribuent également à l’amélioration de l’environnement, ce qui n’est pas toujours le cas des matériaux biodégradables.

À terme, tout plastique finira par être décomposé par les microbes présents dans l’environnement, créant ainsi du CO2 et de la biomasse, mais certains plastiques prennent des milliers d’années. C’est pour cette raison que de nombreuses innovations dans le secteur des matériaux, comme celles évoquées ci-dessus, ont vu le jour ces derniers temps. Et parmi les nouveautés du secteur, on retrouve le PA12 Bluesint de Materialise. Ce matériau, utilisé pour le frittage laser, est une poudre 100 % recyclée aux propriétés mécaniques similaires au PA 12 traditionnel.

Grâce à la science des matériaux, les fournisseurs de services d’emballage peuvent utiliser des simulations 3D pour tester différents modèles et déterminer quels sont les matériaux optimaux. C’est précisément l’offre proposée par Dassault Systèmes, une société connue pour sa technologie 3DEXPERIENCE® qui intègre la conception, la simulation et la fabrication. Outre les machines d’impression 3D qui permettent la fabrication rapide et efficace d’emballages respectueux de l’environnement, le renouvellement rapide des conceptions d’emballages pour les produits existants est également facilité par les logiciels. Grâce à la modélisation 3D, les fabricants peuvent optimiser les emballages avant même que les produits n’atteignent l’atelier de production. « Si les nouvelles conceptions d’emballage peuvent être simulées avant la fabrication d’échantillons, les itérations de conception des bouteilles et des préformes se font plus rapidement et à moindre coût, ce qui accélère l’ensemble de la chaîne de conception et permet une mise sur le marché plus rapide« , Sumit Mukherjee, directeur de la technologie chez Plastic Technologies Inc, l’un des clients de Dassault Systèmes.

Les inconvénients de l’impression 3D

Lorsque le volume de production est important, les technologies de fabrication traditionnelles sont bien plus économiques que les solutions d’impression 3D. « Nous avons mené des études approfondies qui montrent que, pour la production en volume, le moulage par injection reste largement supérieur à l’impression 3D du point de vue de la durabilité. Cela s’explique principalement par le fait que le moulage par injection peut produire des milliers de pièces par heure, alors que l’impression 3D nécessite plusieurs heures de travail« , explique Olaf Zahra, directeur de la technologie et du développement durable du groupe Toly. « De plus, il existe beaucoup plus d’options durables en termes de matériaux pour le moulage par injection que pour l’impression 3D. Cela dit, l’impression 3D est efficace, sur le plan économique et environnemental, lorsque des volumes plus faibles sont nécessaires. Pour l’instant, le seuil se situe quelque part entre 10 000 et 15 000 composants. L’équilibre penchera en faveur de la fabrication additive lorsque les impressions s’accéléreront et que des matériaux biosourcés et biodégradables seront disponibles.« 

Le recyclage représente un défi pour les consommateurs. (Crédit photo : Marcell Viragh / Unspalsh)

Alors que les matériaux biodégradables sont présentés comme les produits d’un avenir durable, ils posent certains problèmes. Ce nouvel assortiment de bioplastiques est difficile à distinguer du plastique traditionnel, et régulièrement, ces nouveaux plastiques finissent par être mélangés au recyclage par les consommateurs, que ce soit dans la collecte de plastique ou dans le conteneur de déchets organiques.

La voie de la durabilité

Sur le marché, pour répondre aux préférences d’achat des consommateurs mais aussi aux problématiques environnementales, les entreprises souhaitent continuer à développer des produits plus durables. Du côté des consommateurs, selon une enquête menée par Deloitte UK en 2021, 22 % d’entre eux ne sont pas intéressés par l’achat de produits durables et 16 % déclarent que ces produits durables sont trop chers. Et comme l’impression 3D continue de progresser et de faire baisser le coût de production, à l’avenir, une autre partie de la bataille commerciale sera d’informer les consommateurs. Cela pourrait nécessiter de travailler avec des organisations de certification durable afin de fournir un étiquetage précis des produits (c’est-à-dire écologique, biodégradable, etc.) et d’expliquer succinctement pourquoi l’effort en vaut la peine. Dans le but d’éliminer le plastique à usage unique, la science des matériaux aura donc dans les années à venir un rôle déterminant. Tout comme les technologies 3D, de plus en plus adoptées par les entreprises.

Crédits photo de couverture : Mali Maeder / Pexels