Présent sur le stand F86 d'Intermeditech, le LNE s'intéresse de près à la fabrication additive et aux besoins de métrologie qu'elle engendre. Anne-Françoise Obaton recense ici les points de contrôle à considérer.

La maîtrise de la fabrication additive est un processus complexe qui implique une mesure et une caractérisation précises de certains éléments afin que le processus soit reproductible. C’est précisément sur ce point que les industriels doivent relever de nouveaux défis, notamment dans le secteur des dispositifs médicaux où le potentiel de cette technologie fait face à un environnement réglementaire strict.

Anne-Françoise Obaton est ingénieur de recherche en métrologie pour la fabrication additive au LNE.

Il est notamment impératif pour les industriels du DM de positionner la qualité au cœur de leur processus de fabrication. Cela s’explique principalement par l’absence de norme associée à la fabrication additive et par la grande complexité du processus.

Dans ce contexte, il est important de veiller à différents points, à divers stades du processus de fabrication, en contrôlant la matière première (poudre, pâte, liquide, feuille), le matériau (plastique, métal, céramique, composites...), la pièce finie et la machine elle-même.

Contrôler la matière et le matériau

On constate qu’au niveau de la poudre utilisée, celle-ci se dégrade d'une part avec le temps mais d'autre part lors de la réutilisation de la matière non consommée. Cela a un impact direct sur les propriétés de la pièce façonnée. On comprend l'enjeu que ça représente pour un usage médical. Il est donc important de bien mesurer ces éléments et de comprendre comment les propriétés de la poudre utilisée évoluent et impactent la réalisation des pièces produites. Cela suppose des analyses en termes de composition chimique mais également de dimensionnement, de forme et de distribution des tailles de grains (voir illustration).

Il faut aussi noter que le vieillissement des matériaux est mal connu. Cela peut s’avérer particulièrement problématique pour les orthèses et les prothèses. Il est donc crucial d'assurer la traçabilité des produits.

On peut également constater que l’orientation et l’emplacement de fabrication sont corrélés au matériau. L’état de surface des pièces et leur ductilité (capacité à se déformer dans se rompre), notamment, dépendent de leur orientation par rapport au sens de fabrication dans la machine. Il convient donc d'effectuer des contrôles mécaniques sur des éprouvettes (essais de traction et de fatigue, analyse de ductilité...). Ces contrôles permettent d'ailleurs de déterminer le post-traitement thermique à effectuer sur les pièces.

Contrôler aussi la pièce finie et la machine

Après les poudres et les matériaux, les industriels doivent se pencher sur la détection de défauts et la caractérisation des pièces finies, afin de les qualifier en fonction de normes spécifiques. Les pièces doivent être caractérisées mécaniquement mais aussi géométriquement. Des méthodes de contrôle de surface mais également en volume sont nécessaires car la fabrication additive permet de réaliser des pièces extrêmement complexes (canaux internes, structures alvéolaires), souvent irréalisables par des techniques traditionnelles. La tomographie à rayons X est l’une de ces méthodes de volume mais le LNE (Laboratoire national de métrologie et d'essais) explore des approches alternatives moins onéreuses, de routine. C'est l'objet du projet européen "MetAMMI" que le laboratoire coordonne, et qui concerne les implants réalisés en fabrication additive. Ce type de contrôle doit permettre notamment de vérifier la conformité entre le modèle 3D d’origine et la pièce finie.

Enfin, des contrôles de la machine sont essentiels. Des contraintes importantes s’exercent sur les couches lors de la fabrication. Elles se trouvent alternativement dans différents états extrêmes : fusion/refroidissement/fusion,... Il convient donc de contrôler la fabrication de chaque couche en ligne, au sein de la machine, afin d’ajuster automatiquement son paramétrage pour compenser des déformations (retrait matière) sur une couche au niveau de la couche suivante. Il est possible de réaliser ce type de contrôle par prise de photographies à chaque couche, associée à une analyse d’image. D’autres méthodes peuvent être envisagées. C'est l'objet du projet FUI "I AM SURE", coordonné par le fabricant de machines BeAM dans lequel est impliqué le LNE, et qui étudie notamment une méthode de contrôle sans contact, basée sur l'émission de signaux acoustiques ou ultrasoniques.

Il faut pouvoir également contrôler les paramètres machine afin d’évaluer quantitativement ses performances (capacités et limites). Cela peut se faire par contrôle direct et individuel des différentes composantes de la machine, ou au travers de la fabrication d’un échantillon témoin à contrôler ensuite.

En tout cas, la mesure est donc un axe stratégique à prendre en compte. Les industriels pourront alors produire des hypothèses fiables concernant la reproductibilité de leur fabrication. Ces différents éléments mettent en avant que les industriels doivent relever de nombreux défis pour passer d’un processus de fabrication par usinage à un processus de création par ajout de matière.

En recensant les besoins en métrologie et essais que la fabrication additive engendre, le LNE s'est donné comme objectif de développer les références (étalons ou méthodes de mesure) et les bancs de tests nécessaires aux industriels.

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