avril 20, 2016

Impression 3D

Introduction

L’impression 3D ou tri-dimensionnelle est un procédé qui permet de produire un objet réel en trois dimensions par l’ajout successif de minces couches de matériaux, tel que le plastique, la cire, le métal, la céramique, le plâtre de paris ou autres. Suite à des travaux de recherche, les premier modèles commercialisés virent le jour en 1986 sous le nom d’appareil de stéréolithographie. D’abord conçu pour le prototypage, l’impression 3D prend de plus en plus de place comme outil de production dans nos industries et autres lieux de création. Ceci est en grande partie due à  l’échéance des principaux brevets sur l’impression 3D en 2014.  De plus, la baisse radicale des coûts de l’imprimante 3D, l’amélioration de la qualité du processus d’impression et l’augmentation de la facilité d’utilisation des équipements de fabrication et de prototypage font en sorte d’accroître l’accessibilité de cette technologie. L’évolution constante des matériaux pouvant être utilisé ont également déservie l’essor de cette technologie dans les utilisations courantes qu’on en fait aujourd’hui. C’est ainsi que malgré le fait que cette technologie aie été développée initialement pour les plastiques seulement, d’autres matériaux tell que ceux mentionnés précédemment sont couramment utilisés. L’évolution rapide qu’a vécu cette technologie au cours des dernières années nous permet de croire qu’elle a le potentiel de devenir une technologie de type ‘disruptive’ qui pourrait bouleverser certaines industries traditionnelles.

La présente veille stratégique sur cette technologie tentera de définir l’avenir de celle-ci dans le monde industriel et ainsi faciliter la prise de décision stratégique quant à son développement et à sa commercialisation.

Méthodologie

La méthodologie employée pour traiter la veille technologique de l’impression 3D est décrite ci-bas. Une approche systématique a été utilisée afin de contrôler la validité des données.

  1. Tout d’abord, plusieurs médias sociaux ont été parcouru tel que Facebook et Twitter pour identifier les principaux influenceurs du domaine. Grâce à un compte Netvibes Pro, des sources de données citées par les influenceurs ont été créés. Par la suite, les données des éléments ont été bonifiées à partir de recherches Google.
  2. Les sources dans Netvibes ont été analysées pour éliminer les sources avec peu d’intérêt et améliorer la qualité de certaines au besoin.
  3. Lorsque des informations pertinentes ont été trouvées, elles ont été incorporées dans les contenus du Wiki, à la page appropriée en effectuant un tri ou une catégorisation.
  4. Des pages ont été créées lorsque nécessaire. Par exemple, une page a été créé quand plusieurs exemples d’utilisations différentes ont été identifiées.
  5. Lorsque nous avons trouvé des contenus multimédias (graphiques, vidéo) intéressants, nous avons ajouté ces derniers à la page.
  6. Plusieurs itérations ont été faites afin de conserver des données pertinentes et rejeter celles qui le sont moins sur le Wiki.

Qu’est-ce qu’une imprimante 3D?

L’impression 3D ou impression tridimensionnelle sont les termes couramment utilisés pour parler des procédés de fabrication additive. Initialement, en raison de leurs défauts originels, ces procédés ont été développés pour le prototypage rapide, mais maintenant ils sont de plus en plus utilisés pour la fabrication de pièces fonctionnelles. La création d’un objet par impression tridimensionnelle nécessite la conception assistée par ordinateur (CAO) ainsi que l’utilisation d’un logiciel de pré-production (SLICER) qui segmentera l’objet préalablement conçu en un ensemble de fines couches. L’information résultante, sous forme de « g-code« , pourra ensuite être interprétée par les imprimantes 3D qui à leur tours, fabriqueront en couches minces successives les objets conçus.

Storm Trooper

Exemples d’utilisations

L’impression 3D est utilisée dans plusieurs domaines tel que le secteur de l’aérospatiale, l’exploration spatiale, l’alimentation, le secteur pétrochimique, le secteur automobile, la vente au détail, les jouets, l’innovations dans le domaine manufacturier, l’industrie de la construction, l’industrie humanitaire et le support post-sinistre, la protection de l’environnement et des espèces en voie d’extinction, la médecine et les appareils médicaux, les arts et la science, la mode, l’horlogerie…

Liste d’exemples d’utilisation

Tout récemment au CES 2016, l’entreprise Anovos démontra les capacités de son imprimante en imprimant un storm trooper format géant (photo sur la droite).

Historique

Le concept de l’imprimante 3D fut inventé par M. Charles Hull en 1983.  Il appela ce processus de production la stéréolithographie et émis son premier brevet le 11 mars 1986.  Son nom est aujourd’hui associé à plus de 60 brevets sur le même sujet.  Encore en 1986, il commercialisa la 1re imprimante 3D.  Le graphique suivant dépeint une ligne du temps de l’historique de ce procédé de fabrication, y incluant les impacts sur le domaine de l’aérospatial et même quelques projections pour les avenirs à court et moyen termes.

Veilles stratégiques

Veille technologique

Lorsqu’il est question d’impression tridimensionnelle, il peut s’agir de plusieurs technologies différentes.  Ceci étant dit, elles consistent toutes de superpositions de fines couches minces afin de créer un objet conçu par CAO. Les principales technologies d’impression 3D sont les suivantes:

ALM : Additive Layer Manufacturing

Additive Manufacturing (AM) est défini par la norme ASTM comme le «processus d’assemblage de matériaux pour fabriquer des objets à partir des données du modèle 3D, le plus souvent couche après couche, par opposition aux méthodes de fabrication soustractives. Le dépôt de filaments en fusion (fused deposition modeling) est la méthode la plus utilisée.

CLIP : Continuous Liquid Interface Production

La résine liquide est solidifiée à l’aide d’un laser ultraviolet, en provoquant une photopolymérisation dans un environnement dont la teneur en oxygène est contrôlée. La stéréolithographie (SLA) est une technologie CLIP.

DMD : Direct Metal Deposition

Ces procédés concernent la projection de poudre métallique fondue fait généralement par un faisceau laser.

EBM : Electron Beam Melting

Procédé similaire à la fusion laser (Selective Laser Melting), ce procédé utilise un faisceau d’électron, donnant des pièces de dimensions similaires mais avec quelques changements sur les propriétés de celles-ci.

FDM : Fused Deposition Modeling

Cette technique consiste à faire fondre un filament de matière synthétique (généralement du plastique type ABS ou PLA) à travers une buse (un extrudeur) chauffée à une température variant entre 160 et 400 °C (dans le cadre de la fusion de polymères).

FTI : Film Transfer Imaging

Un film transparent recouvert d’une couche de résine photopolymère est placé devant le vidéo projecteur intégré à la machine, l’image de la coupe 2D projetée dessus va faire durcir la résine. Le plateau de production est remonté d’une épaisseur tandis que le film transparent fait un aller-retour dans la cartouche afin de recevoir une nouvelle couche de résine liquide, l’image de la coupe 2D suivante est projetée dessus et ainsi de suite. La pièce est ainsi reconstituée couche par couche.

MJM : Modelage à jets multiples

Cette technique consiste à déposer une couche de résine (du plastique type acrylate ou polypropylène) liquide de la même manière qu’une imprimante à jet d’encre avec une épaisseur de 2/100 à 4/100 de mm. Voir le White paper de HP sur cette technologie.

SLA : StéréolithographieApparatus

Cette technique utilise en général une résine spéciale sensible au traitement par rayon laser. À la fin de chaque couche solidifié, le laser continue à chauffer la résine qui durcit jusqu’à former l’objet complet.

SLM : Selective Laser Melting

Cette technique est la plus utilisée pour la fabrication de pièces métalliques. Elle offre un bon compromis entre précision et dimension. Son nom français est Fusion Laser.

SLS : Selective Laser Sintering

Cette technique est similaire à la stéréolithographie, mais une poudre est utilisée au lieu d’un photopolymère liquide. Un laser puissant solidifie localement la surface de poudre et l’agglomère aux couches précédentes par frittage. Une nouvelle couche de poudre est ensuite étalée et le processus recommence.

Popularité des différent matériaux utilisés

Les matériaux les plus utilisés aujourd’hui pour l’impression 3D sont les polymères (plastiques) qui à eux seuls représentent environ 98% de tous les matériaux utilisés.  Ces derniers sont séparés en 3 catégories, soit les photopolymères (polymères ayant la capacité de modifier leurs propriétés grâce à la lumière UV), les thermoplastiques solides (polymères ayant la capacité de modifier leurs propriétés grâce à la chaleur) et les thermoplastiques sous formes de poudres, ces derniers sont semblables aux précédents mais sous forme de poudre.  Le graphique suivant nous montre les proportions des différents matériaux utilisés.

http://www.3ders.org/articles/20131028-3d-printing-materials-market-will-be-worth-more-than-600m-by-2025.html

Les projections d’utilisation des différents matériaux sont représentés dans le graphique suivant.

C’est ainsi qu’on constate que les proportions devraient rester assez stable. Cependant, le volume devraient croître annuellement de façon assez constante pour atteindre un marché total de près de 600M$US en 2017.  Il est à noter qu’une des limitations qu’ont certains matériaux est due aux barrières à l’entrée que mettent certains manufacturiers d’imprimantes 3D quant à l’utilisation d’autres matériaux que les leurs.

R&D en impression 3D

Une bonne partie de la recherche et développement dans ce domaine se situe au niveau de l’impression 3D de métaux.  En fait, tel que l’article plus bas le démontre, ce type d’impression fut possiblement le seul rentable au cours du Q3 de 2015, la vente d’imprimantes tridimensionnelles de métal au cours de la même période ayant cru de 450% par rapport à l’année précédente.  Il y a aussi es efforts dans la recherche de nouveaux matériaux d’impression.

D’autres travaux de recherches permettent de tester les limites du possible pour cette technologie. Ce qui est intéressant pour ce type de recherche est qu’il n’est pas seulement en fonction des technologies d’impression mais également au niveau des matériaux produits. Par exemple, des chercheurs de la Californie ont développés récemment une imprimante 3D qui produit des objets en céramique pouvant résister à des températures allant jusqu’à 1700°C. Ces résultats proviennent de recherches extensives au niveau de la matière première ainsi que de la technologie pour la transformée, les deux ne pouvant exister l’un sans l’autre.

Les travaux de recherche mentionnés précédemment sont détaillés ci-bas:

 

Veille concurrentielle

Le marché de l’impression 3D est actuellement en évolution. Bien que des imprimantes dites professionnelles et les kits furent très populaire par le passé, depuis 2012, les imprimantes 3D grand public (Consumer) représentent la majorité des ventes. Ceci supporte l’hypothèse que le marché est entrain de passer du stade « Early adopters » vers celui de « Early majority » (en référence au modèle DOI de Rogers). En 2015, Le nombre total d’imprimantes vendues (voir figure ci-bas) a dépassé les 500 000 unités, principalement dû aux imprimantes grand public.  Selon cette même source, le nombre total d’imprimantes 3D devrait dépasser le million d’unité vendue d’ici 2017.  Ceci voudrait donc dire qu’il pourrait se vendre autant de ces équipements durant les 2 prochaines années qu’il s’en est vendu au cours des 30 dernières.

Ceci étant dit, la croissance vue en en 2014 semble avoir quelques peu ralenti en 2015.  Des 173 962 unités livrés au cours des 3 premiers quarts de 2015, 95% étaient pour celles destinées aux consommateurs particuliers. C’est ainsi que dans le cas des imprimantes 3D industrielle, les ventes ont baissé de 1% en 2015 par rapport à celles de l’année précédente.  Pour ce qui est des imprimantes personnelles, la croissance phénoménale de 61% au cours des Q1 et Q2 semble avoir été contrebalancé par de mauvais résultats dans les deux quarts suivants de 2015.  C’est ainsi que les deux plus gros manufacturiers de ce type d’équipement ont vécu des difficultés l’an dernier. Stratasys a dû essuyé des pertes de plus de 938M$ au cours du Q3 seulement et ainsi licencié un grand nombre d’employés tandis que le cours de l’action de 3D Systems a baissé de 7% suite au départ de leur CEO, M. Avi Reichental. Ceci dit, ces deux compagnies anticipent une croissance pour les années à venir.

De plus, de grands joueurs dans le marché des impressions 2D, tel que Canon, Ricoh et HP ont tous récemment annoncé leur arrivée dans ce marché en croissance, tous promettant des investissements dans l’innovation afin de rendre encore plus accessible cet équipement au grand public.  Certaines compagnies que l’ont croyaient disparues font également leur apparition dans ce marché, notamment Polaroid.  C’est ainsi qu’il est raisonnable d’assumer une croissance continue du marché en question.

Plus de détails sont disponibles dans l’article suivant:

 

Le marché des imprimantes 3D

Le plus gros joueur dans le marché des imprimantes 3D personnelles est la compagnie XYZ Printing, de Taiwan, qui à elle seule possède près de 17% du marché mondial.  Le tableau suivant montre les principaux acteurs de ce marché ainsi que leurs parts de marché.

3D Printers manufacturers

Cependant, en général le marché peut être caractérisé par la dominance de petites marques régionales, ce qui favorise le développement de nouveaux joueurs dans l’industrie.  Le meilleur exemple de ceci est la compagnie M3D, fondée en 2014 par 2 gradués de l’Université du Maryland qui ont utilisé la plateforme Kickstarter pour financer leur projet de développer une imprimante 3D personnelle avec pour prix cible de 299$.  C’est ainsi que cette compagnie a pu s’approprié en seulement 2 ans, 9% des parts de marché mondial. Ceci étant dit, l’arrivée prochaine de géants du marché des imprimantes traditionnelles, simplement par leur notoriété, pourrait changer cette donnée prochainement.

Pour ce qui est des imprimantes 3D industrielles, le marché est beaucoup moins éclectique.  Pour ce marché offrant une gamme de produit variant entre 20 000$ et 1,5M$, 49% des parts de marché appartiennent à Stratasys. En fait, comme le démontre le tableau plus bas, plus de 70% du marché mondial appartient à 2 joueurs, soit Stratasys et 3D systems.

Industrial 3D printer manufacturers

Étant donné que le marché des imprimantes 3D industrielles a un très large spectre de prix, il est souvent analysé en revenus et non en unités vendues.  Comme l’impression 3D d’unités métalliques est en plein essor et que ces équipements ont un prix moyen d’environ 500k$US, les compagnies se spécialisant dans ce domaine, comme la compagnie allemande EOS, semblent avoir une plus grande part de marché lorsqu’on compare les revenus, comme le démontre le tableau suivant.

Industrial 3D printing manufacturer by revenue

Bien que les ventes d’imprimantes destinées aux applications industrielles ont baissées en 2015, celles spécifiquement pour les imprimantes 3D de pièces métalliques ont crues par plus de 45% par rapport à l’année précédente. Ces équipements ont surtout été destinées pour les milieux de l’aérospacial, l’automobile et le médical.

Plus de détails sur les tendances du marché sont disponibles en suivant les liens suivants:

Les modèles d’affaires

Ce lien vers des articles et textes qui présentent des modèles d’affaires.

Veille politique-légale

Un des principaux problèmes est la gestion de la propriété intellectuelle puisque l’impression tridimensionnelle fonctionne sur un modèle « open source ». Comme il est assez facile de numériser un objet en 3D, de télécharger un fichier CAD d’un objet ou d’obtenir un objet dans une banque de données, tel que Thingiverse, presque n’importe qui peut reproduire l’objet. De ce fait, il est très facile pour des contrefacteurs professionnels ou amateurs de reproduire des produits textiles ou des pièces détachées dans les secteurs médical, électroménager ou automobile. Les entreprises industrielles sont menacées par l’impression 3d puisque leurs processus de fabrication peuvent rapidement devenir vulnérables, ce qui causerait un désastre  économique. Il devient donc important de developper des moyens de traçabilité techniques tel que:

  • la gestion des droits numériques (DRM) qui permet d’encoder des droit dans les objets 3d;
  • le système de codage et de brouillage informatique;
  • le système de puces passives et actives RFID;
  • les biomarqueurs.

Selon Michael Weinberg, il est essentiel d’ajuster la loi sur les droits de reproduction le plus rapidement possible car sinon les multiples avantages de cette merveilleuse technologie seront réduites à une médiocre activité de piratage. La majorité des objets physiques ne sont pas protégés par des brevets, ce qui réduit la probabilité qu’une reproduction 3D soit illégale. Le brevet est un processus légal complexe et très dispendieux. De plus, il importe d’avoir les ressources financières nécessaires afin d’engager des poursuites judiciaires pour défendre ce brevet en cas de contrefaçon. Les droits des reproduction « Copyright » sont moins dispendieux mais ils sont attribués à l’esthétique du produit et non à sa fonctionnalité. Plusieurs tentatives de protéger la fonctionnalité d’un produit à l’aide d’un « Copyright » ont échoué par le passé.

Veille environnementale

L’impression 3D peut contribuer au développement durable, comme le montre des exemples qui favorise le développement durable.

Recyclage de plastique

Veille géographique

Bien que la majorité des ventes d’imprimantes 3D personnelles aient eu lieu aux États-Unis, certains anticipent que la Chine sera la prochaine grande destination pour ce produit.  En effet, pour 2016, la croissance de la demande anticipée pour ce pays est supposée augmentée à 100%.  Il s’est vendu près de 75k imprimantes 3D en Chine l’an dernier, ce qui veut dire qu’il pourrait se vendre près de 150k unités en 2016.  Ceci serait près des 175k unités vendues mondialement en 2015.  Pour cette raison, la Chine sera la cible des grands manufacturiers de ce type de produit l’an prochain.

En ce qui a trait aux imprimantes 3D à usage industriel, les principales régions déservies par ce type d’équipement sont l’Europe de l’ouest avec près de 55% des commandes et les États-Unis avec la balance, soit 45%. En fait, selon le graphique plus bas, les ventes totales mondiales d’imprimantes 3D sont sensées atteindre plus de 8.6 Milliards $ et de cette somme, l’Europe pourrait générer près de 41% des revenus, soit environ 3.5 Milliards $.  La plus grande partie de ces revenus provenant des imprimantes industrielles.

Références