L’impression 3D se développe au-delà de ses racines de nouveauté

DEVENS, Mass. – Les machines mesurent 20 pieds de haut, pèsent 60 000 livres et représentent la frontière technologique de l’impression 3D.

Chaque machine déploie 150 faisceaux laser, projetés à partir d’un portique et se déplaçant rapidement d’avant en arrière, fabriquant des pièces de haute technologie pour des entreprises clientes dans des domaines tels que l’aérospatiale, les semi-conducteurs, la défense et les implants médicaux.

Les pièces en titane et autres matériaux sont créées couche par couche, chacune à peu près aussi fine qu’un cheveu humain, jusqu’à 20 000 couches, selon la conception de la pièce. Les machines sont hermétiquement fermées. À l’intérieur, l’atmosphère est principalement composée d’argon, le moins réactif des gaz, ce qui réduit le risque d’impuretés qui causent des défauts dans une pièce.

La fonderie d’impression 3D de Devens, dans le Massachusetts, à environ 40 miles au nord-ouest de Boston, appartient à VulcanForms, une start-up issue du Massachusetts Institute of Technology. Il a levé 355 millions de dollars en capital-risque. Et ses effectifs ont été multipliés par six au cours de la dernière année pour atteindre 360, avec des recrues de grands fabricants comme General Electric et Pratt & Whitney et des entreprises technologiques comme Google et Autodesk.

« Nous avons prouvé que la technologie fonctionne », a déclaré John Hart, co-fondateur de VulcanForms et professeur de génie mécanique au MIT. « Ce que nous devons montrer maintenant, ce sont des finances solides en tant qu’entreprise et que nous pouvons gérer la croissance. »

Pour l’impression 3D, dont les origines remontent aux années 1980, les tendances technologiques, économiques et d’investissement pourraient enfin se mettre en place pour l’essor commercial de l’industrie, selon des experts de la fabrication, des dirigeants d’entreprise et des investisseurs.

Ils disent que l’impression 3D, également appelée fabrication additive, n’est plus une technologie de nouveauté pour quelques produits de consommation et industriels, ou pour faire des concepts de conception de prototypes.

« C’est maintenant une technologie qui commence à fournir une qualité de produit de qualité industrielle et une impression en volume », a déclaré Jörg Bromberger, expert en fabrication chez McKinsey & Company. Il est l’auteur principal d’un récent rapport de la société de conseil intitulé « The Mainstreaming of Additive Manufacturing ».

L’impression 3D consiste à créer quelque chose à partir de zéro, une couche à la fois. Des faisceaux laser guidés par ordinateur font fondre des poudres de métal, de plastique ou de matériau composite pour créer les couches. Dans la fabrication « soustractive » traditionnelle, un bloc de métal, par exemple, est coulé, puis une pièce est découpée en forme avec des machines-outils.

Ces dernières années, certaines entreprises ont utilisé la technologie additive pour fabriquer des pièces spécialisées. General Electric s’appuie sur l’impression 3D pour fabriquer des injecteurs de carburant pour les moteurs à réaction, Stryker fabrique des implants vertébraux et Adidas imprime des semelles en treillis pour des chaussures de course haut de gamme. Les implants dentaires et les dispositifs de redressement des dents sont imprimés en 3D. Pendant la pandémie de Covid-19, les imprimantes 3D ont produit des fournitures d’urgence d’écrans faciaux et de pièces de ventilateur.

Aujourd’hui, selon les experts, le potentiel est bien plus large qu’une poignée relative de produits de niche. Le marché de l’impression 3D devrait tripler pour atteindre près de 45 milliards de dollars dans le monde d’ici 2026, selon un rapport de Hubs, un marché de services de fabrication.

L’administration Biden se tourne vers l’impression 3D pour aider à mener une résurgence de la fabrication américaine. La technologie additive sera l’un des « fondements de la fabrication moderne au 21e siècle », avec la robotique et l’intelligence artificielle, a déclaré Elisabeth Reynolds, assistante spéciale du président pour la fabrication et le développement économique.

En mai, le président Biden s’est rendu à Cincinnati pour annoncer Additive Manufacturing Forward, une initiative coordonnée par la Maison Blanche en collaboration avec de grands fabricants. Les cinq premiers membres corporatifs – GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon et Lockheed Martin – augmentent leur utilisation de la fabrication additive et se sont engagés à aider leurs petits et moyens fournisseurs américains à adopter la technologie.

Les engagements volontaires visent à accélérer les investissements et à constituer une base nationale plus large de compétences en fabrication additive. Parce que l’impression 3D est un processus de fabrication numérique de haute technologie, disent les responsables de l’administration, cela joue sur la force de l’Amérique en matière de logiciels. La fabrication additive, ajoutent-ils, rendra la fabrication américaine moins dépendante du moulage et du travail des métaux effectués à l’étranger, en particulier en Chine.

La fabrication additive promet également un bonus environnemental. C’est beaucoup moins de gaspillage que le moulage, le forgeage et la découpe de la fabrication traditionnelle. Pour certaines pièces métalliques, l’impression 3D peut réduire les coûts de matériaux de 90 % et la consommation d’énergie de 50 %.

Selon les experts, l’impression 3D industrielle a le potentiel de réduire considérablement les dépenses totales de fabrication de pièces spécialisées, si la technologie peut être rendue suffisamment rapide et efficace pour une production à plus grand volume.

VulcanForms a été fondée en 2015 par le Dr Hart et l’un de ses étudiants diplômés, Martin Feldmann. Ils ont poursuivi une nouvelle approche pour l’impression 3D qui utilise un réseau de beaucoup plus de faisceaux laser que les systèmes existants. Il faudrait des innovations dans l’optique laser, les capteurs et les logiciels pour chorégraphier la danse complexe des faisceaux laser.

En 2017, ils avaient fait suffisamment de progrès pour penser qu’ils pourraient construire une machine, mais auraient besoin d’argent pour le faire. Le duo, rejoint par Anupam Ghildyal, un vétéran de la start-up en série qui faisait désormais partie de l’équipe de VulcanForms, s’est rendu dans la Silicon Valley. Ils ont obtenu un tour de table de 2 millions de dollars auprès d’Eclipse Ventures.

La technologie VulcanForms, a rappelé Greg Reichow, un partenaire d’Eclipse, essayait de combler les trois lacunes de l’impression 3D : trop lente, trop chère et trop pleine de défauts.

La start-up a eu du mal à construire une première machine qui a prouvé que son concept était réalisable. Mais cela a finalement réussi. Et les versions ultérieures sont devenues plus grandes, plus puissantes et plus précises.

Ses imprimantes, a déclaré VulcanForms, génèrent désormais 100 fois l’énergie laser de la plupart des imprimantes 3D et peuvent produire des pièces beaucoup plus rapidement. Cette technologie d’impression est le principal actif intellectuel de l’entreprise, protégé par des dizaines de brevets.

Mais VulcanForms a décidé de ne pas vendre ses machines. Sa stratégie est d’être un fournisseur pour les clients qui ont besoin de pièces sur mesure.

Cette approche permet à VulcanForms de contrôler l’ensemble du processus de fabrication. Mais c’est aussi une concession à la réalité que l’écosystème de la fabrication additive fait défaut. L’entreprise construit elle-même chaque étape du processus de fabrication, en fabriquant ses propres imprimantes, en concevant des pièces, en effectuant l’usinage final et les tests.

« Nous devons absolument le faire nous-mêmes – construire la pile complète de la fabrication numérique – si nous voulons réussir », a déclaré M. Feldmann, qui est le directeur général. « L’usine est le produit. »

L’installation de Devens possède six des imprimantes géantes. D’ici l’année prochaine, il devrait y en avoir 20, a indiqué la société. VulcanForms a repéré quatre emplacements pour une deuxième usine. En cinq ans, l’entreprise espère avoir plusieurs usines d’impression 3D opérationnelles.

La stratégie de bricolage amplifie également le risque et le coût pour la start-up. Mais l’entreprise a convaincu une liste de recrues de haut niveau que le risque en valait la peine.

Brent Brunell a rejoint VulcanForms l’année dernière en provenance de General Electric, où il était un expert en fabrication additive. Le concept d’utilisation de larges réseaux de lasers dans l’impression 3D n’est pas nouveau, a déclaré M. Brunell, mais personne ne l’avait vraiment réussi auparavant. Après avoir rejoint VulcanForms et examiné sa technologie, il a déclaré : « il était évident que ces gars-là étaient sur la prochaine architecture, et ils avaient un processus qui fonctionnait. »

À côté de chaque machine dans l’installation de VulcanForms, un opérateur surveille ses performances avec un flux de données de capteur et une image de caméra des faisceaux laser au travail, transmise à un écran d’ordinateur. Le son de l’usine est un bourdonnement bas et électronique, un peu comme un centre de données.

L’usine elle-même peut être un puissant outil de recrutement. « Je les amène ici et leur montre les machines », a déclaré Kip Wyman, ancien directeur principal de la fabrication chez Pratt & Whitney, qui est responsable des opérations chez VulcanForms. « La réaction habituelle est, ‘Heck, je veux faire partie de ça.' »

Pour certaines pièces industrielles, l’impression 3D seule ne suffit pas. Un traitement thermique final et un usinage des métaux sont nécessaires. Reconnaissant cela, VulcanForms a acquis Arwood Machine cette année.

Arwood est un atelier d’usinage moderne qui travaille principalement pour le Pentagone, fabriquant des pièces pour des avions de chasse, des drones sous-marins et des missiles. Sous VulcanForms, le plan au cours des prochaines années est pour Arwood de tripler ses investissements et sa main-d’œuvre, actuellement de 90 personnes.

VulcanForms, une société privée, ne divulgue pas ses revenus. Mais il a indiqué que les ventes augmentaient rapidement, tandis que les commandes étaient multipliées par dix trimestre par trimestre.

La croissance soutenue de VulcanForms dépendra de l’augmentation des ventes à des clients comme Cerebras, qui fabrique des systèmes de semi-conducteurs spécialisés pour les applications d’intelligence artificielle. Cerebras a demandé l’année dernière à VulcanForms de l’aider à fabriquer une pièce complexe pour le refroidissement à l’eau de ses puissants processeurs informatiques.

La société de semi-conducteurs a envoyé à VulcanForms un dessin de conception informatique du concept, un réseau complexe de minuscules tubes en titane. Dans les 48 heures, VulcanForms était revenu avec une pièce, a rappelé Andrew Feldman, directeur général de Cerebras. Les ingénieurs des deux sociétés ont travaillé sur d’autres améliorations et le système de refroidissement est maintenant utilisé.

Accélérer le rythme de l’expérimentation et de l’innovation est l’une des promesses de la fabrication additive. Mais l’impression 3D moderne, a déclaré M. Feldman, permet également aux ingénieurs de créer de nouvelles conceptions complexes qui améliorent les performances. « Nous n’aurions pas pu fabriquer cette pièce de refroidissement par eau autrement », a déclaré M. Feldman.

« La fabrication additive nous permet de repenser la façon dont nous construisons les choses », a-t-il déclaré. « C’est là où nous en sommes maintenant, et c’est un grand changement. »