L'impression 3D évolue d'un processus de niche vers une technologie de fabrication en grand volume. Evonik fournit des matériaux personnalisés pour toutes les principales technologies et fait avancer le développement des imprimantes de nouvelle génération.
Un changement de paradigme est en cours dans les installations de fabrication industrielles. Normalement, la matière plastique doit être fusionnée et coulée ou pressée dans des moules prédéfinis pour produire l'élément correspondant. Lorsque ces procédés de formage rencontrent leurs limites, des procédés additifs prennent le relais : Sur la base d'un plan tridimensionnel numérique, le matériau est appliqué par couches sur une surface de base. Après chaque application, la surface est abaissée d'une fraction de millimètre et une autre couche est ajoutée. Très rapidement, une structure tridimensionnelle correspondant exactement à la spécification numérique est produite, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des moules spéciaux ou à un post-traitement intensif.
Jusqu'à présent, les procédés additifs - généralement appelés impression 3D - ont été principalement utilisés pour les prototypes et les modèles. Les avantages sont évidents : si le résultat n'est pas optimal, l'ensemble des données est simplement modifié et l'impression est répétée. En outre, lorsque les produits ne sont nécessaires qu'en petites séries, la fabrication conventionnelle est généralement trop exigeante en main-d'œuvre et trop coûteuse ; on peut citer comme exemples les composants de véhicules avec des options, les boîtiers de machines spécialisées, et même les pinces de robots qui transportent et emballent des objets sensibles et en constante évolution.
La construction aéronautique et la technologie médicale comme moteurs technologiques
Depuis quelques années, ce nouveau type de façonnage s'est également imposé dans la production en série. La construction aéronautique et la technique médicale comptent parmi les principaux moteurs de cette évolution. Dans la construction aéronautique, les pièces doivent être légères, très compactes, très fonctionnelles et également résistantes à la chaleur. Dans la technique médicale, un autre facteur joue un rôle : il n'y a pas deux personnes identiques. C'est pourquoi les prothèses, les aides ou même les dispositifs chirurgicaux doivent être mesurés et adaptés individuellement. L'impression 3D est utilisée pour créer de petites aides au perçage et au sciage pour les opérations du genou ou les prothèses auditives, par exemple.
Pour les plastiques, la fabrication d'additifs est un marché très prometteur. Les plastiques sont durables, facilement fusibles et leurs propriétés sont presque infiniment variables, et conviennent donc parfaitement à cette technologie de pointe. Avec le polyamide 12 (PA12), Evonik est l'un des principaux fournisseurs mondiaux de poudres pour l'impression 3D ; avec le polyamide 613, le groupe propose même un matériau en poudre pour une utilisation dans la gamme supérieure des hautes températures. Evonik a livré les premières poudres de polymères pour la fabrication d'additifs dès 1996, établissant ainsi des normes pour les matières plastiques qui sont toujours valables aujourd'hui. Aujourd'hui, l'entreprise de chimie de spécialité lance une véritable campagne sur les matériaux pour les technologies d'additifs. Avec une variété de matériaux innovants à hautes performances de la marque INFINAM® du groupe, allant des matériaux renforcés aux matériaux ignifuges et élastiques, Evonik fait franchir à l'industrie de l'impression 3D une étape décisive vers la production en série.
L'impression 3D pour les masses
L'impression 3D est encore principalement utilisée pour créer des garnitures ou des petites pièces invisibles pour les acheteurs de voitures. Cela n'est pas surprenant, car chaque nouvelle application doit d'abord faire ses preuves dans des domaines moins critiques. L'impression 3D doit avant tout concurrencer la technique bien établie du moulage par injection, qui a été améliorée au fil des ans. Les avantages de l'impression 3D sont qu'elle permet une liberté de conception et ouvre aux chercheurs et aux ingénieurs des possibilités totalement nouvelles pour développer des composants légers et créer des fonctions totalement nouvelles. "Nous sommes en train de redessiner complètement les pièces pour l'impression 3D afin qu'elles aient les propriétés que nous voulons", explique Monsheimer.
Ce processus est simplifié par l'un des nouveaux partenaires d'Evonik, la start-up israélienne Castor. Le logiciel de l'entreprise effectue une analyse technique et économique complète afin de déterminer quand la fabrication d'additifs est économique par rapport aux méthodes de production conventionnelles.
Un composant réinventé pour l'impression 3D a souvent peu de choses en commun avec la pièce d'origine. Alors qu'une pièce moulée par injection doit être lourde et massive pour pouvoir résister à de fortes contraintes, une pièce équivalente imprimée en 3D peut avoir une conception apparemment filigrane composée d'arcs, de jambes de force et de structures en nid d'abeille. Elle peut résister aux contraintes aussi bien que la pièce moulée par injection, mais ne pèse qu'une fraction de son poids.
Ces réductions de poids font de la fabrication additive une technique très intéressante pour la construction aéronautique. Chaque gramme compte dans ce secteur, et il existe une demande croissante pour des machines plus économes en carburant et moins dommageables pour le climat. Ici aussi, les innovations de la fabrication d'additifs sont d'abord discrètes. L'US Air Force, par exemple, utilise l'impression 3D pour produire des pièces de rechange pour ses avions à réaction anciens.
Vitrine de l'impression 3D
Selon Monsheimer, l'augmentation des volumes de production nécessitera, plus que toute autre chose, une fabrication additive pour devenir plus rapide. "Le processus deviendra particulièrement intéressant pour l'industrie automobile lorsque nous commencerons à produire des dizaines de milliers ou des centaines de milliers d'unités", dit-elle. Le nouveau partenariat entre Evonik et la startup américaine Evolve pourrait être la clé de l'exploitation de ce potentiel. La technique de la startup, connue sous le nom de STEP, fonctionne essentiellement comme une imprimante laser et atteint ainsi des vitesses beaucoup plus élevées.
Evonik apporte ses décennies d'expérience en matière de matériaux au partenariat - une situation gagnant-gagnant, déclare Sylvia Monsheimer, responsable du segment de marché des nouvelles technologies d'impression 3D : "Nous pouvons développer de nouveaux matériaux si nous disposons d'une machine sur laquelle nous pouvons faire des essais. Les autres peuvent développer une nouvelle machine s'ils disposent d'un bon matériau. C'est pourquoi le centre de technologie d'application d'Evonik à Marl offre une vitrine à la scène internationale des imprimantes 3D. En plus des machines de HP et de 3D Systems, le salon présente des machines des leaders du marché allemand EOS et Voxeljet, de la société suisse Sintratec et du fabricant chinois TPM.
Cette compréhension approfondie aide à développer de nouveaux matériaux pour les différents procédés d'impression, explique Monsheimer. "Selon les besoins, il nous faut entre six mois et deux à trois ans pour un nouveau matériau - parfois même plus". Le polyamide 12 (PA12), qui est utilisé dans d'innombrables applications, en est souvent la base, et les développeurs de matériaux d'Evonik utilisent des additifs pour lui donner de nouvelles propriétés. "Les retardateurs de flammes, par exemple, le rendent adapté aux applications de l'industrie électrique ou aux composants de l'industrie aérospatiale. Et si le matériau doit être particulièrement stable, nous y incorporons des particules de verre, par exemple".
Matériau offensif pour l'impression 3D
Des combinaisons de matériaux entièrement nouvelles sont également créées à Marl. L'année dernière encore, Evonik a présenté la poudre haute performance PA 613, qui combine les avantages des polyamides à chaîne longue et courte : Elle est particulièrement stable à la température, résistante mais flexible, et absorbe peu d'eau. En 2018, l'élastomère INFINAM® TPA (amide thermoplastique), introduit dans les années 1980, a servi de base à une poudre qui peut être utilisée pour imprimer des objets de consistance presque caoutchouteuse.
"Aucune autre entreprise au monde ne peut compter sur autant de méthodes différentes de production de poudre qu'Evonik", déclare Monsheimer. Et beaucoup de choses qui ne sont pas encore possibles seront rendues possibles grâce à une nouvelle technologie de production que l'entreprise a achetée en 2019 : la start-up américaine Structured Polymers a mis au point un procédé qui peut pulvériser beaucoup plus de matériaux qu'Evonik n'était capable de le faire auparavant. Une nouvelle poudre de copolyester INFINAM® TPC, le premier matériau produit avec cette technologie innovante, en est le meilleur exemple.
Mais les experts se sont également penchés sur d'autres matériaux de départ. Il y a environ deux ans, Evonik a ouvert un nouveau centre de recherche à Singapour, où des spécialistes de la formulation travaillent au développement de la prochaine génération de photopolymères pour la stéréolithographie. "Il y a encore beaucoup de terrain inconnu dans le domaine des polymères", explique Monsheimer. Depuis que j'ai commencé ici, j'ai toujours voulu m'éloigner du principe "une entreprise - un procédé". Je suis très heureux que ce soit exactement ce qui se passe maintenant.
Quelle que soit la vitesse à laquelle la production d'additifs s'implantera dans l'industrie, les experts en polymères d'Evonik sont déterminés à conquérir systématiquement chaque nouvelle application. Cela signifie observer la dynamique du marché, stimuler l'innovation et apporter notre propre expertise de manière ciblée et à un stade précoce. Avant tout, Evonik considère la coopération avec les fabricants d'installations et les utilisateurs de 3D comme une porte ouverte sur l'un des marchés d'avenir les plus passionnants pour les plastiques techniques et les polymères de haute performance.
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