Dossier

44 : Industrie du futur : l’UTC aux côtés des entreprises

La transformation numérique de l’industrie constitue un défi sociétal majeur. Pour l’UTC, qui accompagne un nombre croissant d’entreprises dans cette mutation, il s’agit d’un champ d’investigation de plus en plus stratégique. Zoom sur ses principaux axes de travail et les spécificités de son approche de l’industrie du futur.

44 : Industrie du futur : l’UTC aux côtés des entreprises

Fabrication additive : tout un savoir à réinventer

C’est une rupture technologique et un nouveau champ de recherche pour l’UTC. Initialement destinée au prototypage et désormais utilisée pour la production de pièces finales en polymères, la fabrication additive intéresse à présent les industriels pour la réalisation de produits finis en alliages métalliques. À condition de lever plusieurs verrous.

Réaliser une pièce directement à partir d’un modèle numérique 3D, par ajouts successifs de couches de matière. C’est le principe de la fabrication additive, qui, à terme, pourrait révolutionner la production de pièces en alliages métalliques. Pour l’instant, la faible productivité des machines exclut certes la très grande série. De même, en raison du prix élevé des machines et de la matière première aujourd’hui privilégiée, les poudres métalliques, ce procédé n’a pas forcément d’intérêt pour les pièces simples. En revanche, il apparaît très prometteur pour fabriquer des produits en petite série, particulièrement s’ils sont complexes, ou pour réaliser des pièces de rechange à la demande, ce qui évite d’avoir à les stocker.

En effet, avec cette technique, le coût de production d’une pièce est beaucoup moins lié à sa complexité et aux quantités produites qu’en usinage ou en fonderie. En outre, une machine de fabrication additive permet de réaliser des formes plus diverses qu’une machine d’enlèvement de matière et des pièces plus complexes que la fonderie. Reste que cette technologie de rupture remet totalement en cause les savoir-faire acquis avec les procédés classiques. Principal verrou  : la maîtrise des caractéristiques du produit (géométries, tolérances, tenue à la fatigue, à la corrosion…). Elle dépend notamment de la qualité des poudres métalliques, elle-même complexe à maîtriser et souvent variable d’une livraison à l’autre, mais aussi des aspects thermiques du process de fabrication : chaque couche de poudre déposée est chauffée avec un laser quasiment jusqu’à fondre puis elle refroidit, ce qui génère des contraintes mécaniques pouvant par exemple déformer les parties fines des pièces.

Des défauts difficiles à anticiper

« Le problème, c’est qu’on ignore encore très largement les liens entre les caractéristiques de la matière première, les paramètres du procédé et la qualité du produit final, souligne Jérôme Favergeon, directeur du laboratoire Roberval. Il n’est donc pas possible d’anticiper les défauts susceptibles de survenir sur une pièce : on ne les voit que lorsqu’elle est fabriquée. C’est une lacune critique quand il s’agit de produire de la très petite série, car s’il faut réaliser des études préliminaires de plusieurs mois en procédant par essais et erreurs à chaque nouveau produit à lancer, la fabrication additive n’est plus vraiment compétitive. » Aujourd’hui, l’UTC est en pourparlers avec des industriels pour engager des recherches sur ce verrou, face auquel sa multidisciplinarité constitue un atout.

Roberval est spécialisé en mécanique et matériaux et le laboratoire TIMR (Transformations intégrées de la matière renouvelable) dispose d’une solide expertise du comportement des poudres et de leurs applications industrielles. « Pour l’instant, nous n’avons pas mené de recherches spécifiques sur la fabrication additive, explique Khashayar Saleh, spécialiste du sujet à TIMR.

Mais, par analogie avec d’autres applications et de par nos connaissances en génie des procédés, nous avons identifié les difficultés susceptibles de se poser : notamment des problèmes de coulabilité des poudres, de collage non désiré des particules entre elles lorsque le faisceau laser balaie la couche de poudre, ce qui peut empêcher d’avoir des bordures nettes sur une pièce, ou encore de dispersion irrégulière des particules lors du dépôt des couches de poudre. Et nous avons de premières pistes d’action. » Enfin, de son côté, le laboratoire Heudiasyc maîtrise les techniques de data analytics (lire page 10), qui peuvent aider à mieux prévoir la qualité des pièces.

Un projet sur l’optimisation topologique

Le champ d’investigation de l’UTC ne se limite toutefois pas à cette problématique. La fabrication additive ouvre aussi de nouveaux horizons à l’optimisation topologique (l’optimisation de la géométrie des pièces et de la répartition de la matière par rapport aux propriétés mécaniques attendues). « Parce qu’elle autorise des formes plus complexes, elle peut par exemple permettre d’utiliser moins de matière et d’alléger une pièce sans dégrader les caractéristiques de tenue de structure, note Alain Rassineux, chercheur au laboratoire Roberval. Mais encore faut-il adapter nos outils d’optimisation topologique aux possibilités et aux limites de ce nouveau procédé. » Roberval a débuté des travaux sur ce sujet dans le cadre d’un projet de recherche sur la fabrication additive financé par l’agence nationale de recherche chinoise, qui associe également la Northwestern Polytechnical University de Xi’an (en Chine) et l’Université libre de Bruxelles.