Industrialiser l'impression 3D

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La pointe de la fabrication additive offre un monde de possibilités aux entreprises qui cherchent à transformer leurs processus de fabrication et à créer de nouveaux produits. Mais les entreprises qui veulent puiser dans ce monde ont traditionnellement dû investir d'énormes sommes d'argent dans les dernières machines d'impression 3D, puis trouver comment les intégrer à leurs opérations.

C'est une vente difficile étant donné que les imprimantes 3D peuvent avoir des difficultés avec le débit et la cohérence pour de nombreuses applications industrielles.

Désormais, VulcanForms, fondée par Martin C. Feldmann MEng '14 et le professeur MIT John Hart, propose la fabrication numérique en tant que service permettant aux entreprises de créer des produits industriels à grande échelle. L'entreprise assiste ses clients dans la sélection des matériaux et la conception des produits, puis élabore un flux de production évolutif dans sa fonderie de production.

Au cœur de chacun de ces flux de travail se trouve une imprimante 3D métal exclusive à fusion laser sur lit de poudre (LPBF) qui utilise une gamme de faisceaux laser finement chorégraphiés pour produire des pièces métalliques hautes performances avec des conceptions complexes. Les imprimantes sont intégrées aux équipements d'usinage, de robotique et de post-traitement de VulcanForms via un fil numérique qui surveille également les pièces au fur et à mesure de leur production.

"Même si la technologie LPBF est bien établie pour plusieurs applications, notamment les buses de carburant des moteurs à réaction et les implants orthopédiques, elle ne fait qu'effleurer la surface de l'opportunité", déclare Hart. « VulcanForms voit une formidable opportunité de marché pour réaliser la fabrication additive à l'échelle industrielle et l'intégrer à un système de production numérique.

VulcanForms produit actuellement des pièces pour des entreprises des secteurs médical, de la défense, des semi-conducteurs et de l'aérospatiale, transformant les conceptions en pièces finies en quelques jours. Les fondateurs affirment que la qualité de VulcanForms dépasse les normes de l'industrie avec des matériaux comme le titane ainsi que des alliages d'acier à base de nickel et avancés.

VulcanForms achève actuellement ses deux premières installations de fabrication numérique à Devens et Newburyport, Massachusetts. Lorsque cela sera fait, l'installation de Devens abritera plusieurs dizaines de systèmes de fabrication additive de l'entreprise en plus d'avoir des capacités de post-traitement. Les fondateurs affirment que ces systèmes feront de Devens l'usine de fabrication additive métallique la plus performante au monde. L'usine de Newburyport se concentre sur l'usinage de précision, l'automatisation industrielle et les opérations d'assemblage. En fusionnant ces technologies avec un fil numérique, VulcanForms construit une infrastructure de fabrication numérique basée aux États-Unis qui, selon les fondateurs, définira la manière dont les produits sont conçus, construits et livrés.

Rendre l'impression 3D pertinente pour l'industrie

Hart qualifie son entrée dans la fabrication additive de fortuite. En 2013, un collègue lui a demandé de donner un cours pour le programme de maîtrise en ingénierie en fabrication et conception avancées du MIT.

"Je ne me souviens pas de ce qui m'a amené à proposer que la classe se concentre sur la fabrication additive, car je ne faisais pas encore de recherche dans le domaine", déclare Hart. "Le cours était une expérience que j'ai utilisée pour explorer un nouvel intérêt et puiser dans la passion et la curiosité des étudiants."

L'un des étudiants de cette classe était Feldmann, alors dans son premier semestre au MIT. La classe basée sur des projets a demandé aux étudiants de mesurer la précision des pièces imprimées en 3D, d'améliorer leurs propriétés et de contribuer à des conférences reliant l'impression 3D aux principes fondamentaux de la fabrication.

"Le MIT vous lance tellement de choses - des trucs hautement techniques mais des trucs très applicables", dit Feldmann. "Au MIT, apprendre la fabrication additive ne consistait pas seulement à calculer des choses. C'était : 'Voici des imprimantes [de modélisation par dépôt de fusion], dites-moi quelles sont leurs capacités.' Et vous les utilisez et faites des choses. J'ai vraiment apprécié cela. Cela vous prépare à mener des efforts de recherche dans l'industrie et les startups parce que vous devez aborder les choses comme si vous savez ce que vous faites et avez la confiance que vous le comprendrez.

Après avoir obtenu son diplôme, Feldmann est devenu spécialiste de la recherche au laboratoire de Hart, où il a étudié les nanomatériaux et les électrodes de batterie. Mais Feldmann et Hart ont continué à réfléchir à des moyens de rendre la fabrication additive plus pertinente sur le plan industriel.

Finalement, ils ont décidé de construire un nouveau type d'imprimante métal LPBF qui permettrait à un grand nombre de lasers de fonctionner en même temps, améliorant le débit tout en maintenant la qualité de la pièce finie. Le couple a reçu des conseils précoces par le biais du Venture Mentoring Service du MIT.

"Notre objectif était de réorganiser le processus LPBF et de le faire d'une manière qui permette une qualité beaucoup plus élevée et plus constante, ce que nous considérions comme le principal obstacle à l'industrialisation de la fabrication additive." dit Hart.

Avec cette mission en tête, Feldmann et Hart ont décidé de sauter le pas et de lancer VulcanForms, Feldmann subvenant essentiellement à ses besoins pendant près de deux ans alors qu'il travaillait sur le premier prototype d'imprimante. Aujourd'hui, les imprimantes de la société utilisent des centaines de pistes de soudure dans chaque couche à travers lesquelles les lasers se déplacent dans une danse synchronisée. Les lasers fournissent collectivement jusqu'à 100 kilowatts de puissance pour fabriquer des pièces à une résolution et à une échelle supérieures à celles que les fondateurs disent que d'autres imprimantes peuvent atteindre.

La fonderie de production de VulcanForms comprend également des équipements d'usinage et de post-traitement CNC, et les fondateurs affirment que la pile logicielle de l'entreprise est un facteur clé de différenciation.

« Dès le départ, nous avons considéré l'impression 3D comme la pierre angulaire de la fabrication numérique, où le logiciel et le matériel fonctionnent main dans la main pour coder et exécuter les instructions de production », déclare Hart. "Nous avons construit le logiciel qui permet à chaque pièce de recevoir la même température localement dans chaque voxel de chaque couche. Cela nous permet également de passer rapidement au produit final tout en maintenant cette cohérence dans la production."

En fin de compte, les fondateurs se concentrent sur ce que ces capacités débloquent pour les clients.

"Ce qui m'excite vraiment, c'est la façon dont nous sommes capables de prendre une pièce client et de la transformer en réalité dans un environnement de production - pas dans un cintre ou un ornement de bureau", déclare Feldmann. "Tout le monde dans l'additif est juste super excité par ce qu'une imprimante 3D peut faire et non par la façon dont cela fonctionne dans un flux de valeur de production. C'est pourquoi nous avons tout un flux de valeur de production en interne. C'est pourquoi notre devise n'est pas 'VulcanForms : 100 kilowatts de puissance laser dans une imprimante.' C'est 'VulcanForms : accélérer l'innovation.'"

Aider l'impression 3D à atteindre son potentiel

L'année dernière, un fabricant de superordinateurs a envoyé des conceptions VulcanForms pour un composant de refroidissement dans ses processeurs. La pièce en titane, qui contenait des dizaines de tunnels microscopiques, était si complexe qu'elle ne pouvait être réalisée qu'en utilisant la fabrication additive. Comme l'a rapporté le New York Times, VulcanForms est revenu avec une partie deux jours plus tard.

VulcanForms a également produit des implants médicaux, des outillages industriels et des moules de pneus, ainsi que des composants pour les sous-traitants de l'aviation et de la défense.

Feldmann voit les innovations rendues possibles par la fabrication additive comme moteur du progrès technologique dans un certain nombre d'industries.

"Je ne pense pas qu'il y aura des implants orthopédiques qui ne seront pas imprimés LPBF à l'avenir", déclare Feldmann.

Ce progrès technologique, à son tour, produira encore plus de cas d'utilisation.

"La seule chose dont je suis sûr à 100 %, c'est que les applications les plus intéressantes pour la fabrication additive n'ont pas encore été trouvées", déclare Feldmann.

La société considère également la transformation de la fabrication rendue possible par les technologies de production numérique comme une opportunité pour les États-Unis d'améliorer à la fois la prospérité économique et son écosystème d'innovation.

« VulcanForms estime que l'une des plus grandes opportunités aux États-Unis consiste à reconstruire son écosystème industriel autour de systèmes de production numériques », déclare Hart. "Les technologies de production numériques, y compris la fabrication additive et l'usinage de précision automatisé, permettent des chaînes d'approvisionnement plus innovantes, économes en ressources et résilientes. L'innovation dans la fabrication est l'épine dorsale de l'économie américaine."

VulcanForms, une startup du MIT, est "à la pointe d'une poussée visant à transformer l'impression 3D d'une technologie de niche - mieux connue pour le prototypage de nouveaux produits et l'expérimentation de classe artistique - en une force industrielle", écrit David Scharfenberg pour The Boston Globe. Scharfenberg note que VulcanForms "pourrait aider à inaugurer quelque chose de nouveau - un industrialisme de haute technologie visant directement les problèmes les plus urgents du pays".

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