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Décryptage - L’œil de l’expert

Comment la fabrication additive peut-elle accompagner nos grandes transitions ?


​Quels sont les enjeux, le positionnement, les recherches et développements du CEA autour de la fabrication additive, ou impression 3 D ? Explications par Frédéric Schuster, Directeur du programme transversal de compétences « Matériaux et procédés »  au CEA. Cet article est extrait du dernier numéro de Clefs consacré à « l’impression 3D au cœur des grandes transitions ».

Publié le 26 avril 2021

​La fabrication additive : une technologie clef ?

La fabrication additive ou impression 3D devient progressivement l’une des technologies clefs du manufacturing avancé et se situe au cœur des grandes transitions : énergétique, numérique, médecine du futur. Elle impacte tous les secteurs industriels et, par conséquent, la plupart des programmes du CEA, en matière d’énergies décarbonées, d’instrumentation pour la physique, de technologies pour la santé, de technologies numériques ou de technologies de l’information et d’internet des objets.

Périmètre de la fabrication additive au CEA.

Périmètre de la fabrication additive au CEA. © CEA


La fabrication additive, c’est également un moyen de relocaliser l’industrie à haute valeur ajoutée dans les territoires et de rendre plus résilientes un certain nombre de « supply chains » dans une ère post-Covid. C’est enfin une meilleure maîtrise de la finitude des ressources dans le développement de nos technologies pour une activité économique durable, responsable et socialement acceptable. 


La fabrication additive, c’est un moyen de relocaliser l’industrie à haute valeur ajoutée dans les territoires. », Frédéric Schuster

Quelle est l'approche du CEA pour la maîtrise de la fabrication additive ?

La maîtrise de la fabrication additive, son développement et sa mise en valeur au profit des activités et en lien avec les besoins des partenaires du CEA impliquent de déployer au sein de l’organisme une approche holistique et multidisciplinaire sur l’ensemble de la chaîne de valeur : maîtrise de la conception des composants, maîtrise des matières premières et maîtrise des procédés, contrôle des pièces finales, maîtrise de l’ensemble de la chaîne numérique, depuis l’idée jusqu’à la constitution de bases de données pour capitaliser puis utiliser la connaissance. Pour mettre en avant son positionnement unique, le CEA s’est engagé depuis deux ans dans une démarche programmatique favorisant la coordination transversale des activités, le partage des objectifs et enjeux au profit d’une vision stratégique globale. Cette montée en compétences se fait au travers de cinq grandes thématiques de recherche très structurantes pour l’organisme.


Les cinq grandes thématiques de recherche du CEA en fabrication additive.
Les cinq grandes thématiques de recherche du CEA en fabrication additive. © CEA


Une montée en compétences à travers 5 grandes thématiques de recherche

1 - La maîtrise du cycle des matières premières 

Le CEA s’est notamment doté d’une capacité technologique de souveraineté pour la synthèse et la fonctionnalisation de poudres de métaux et d’alliages métalliques. Cela lui permet également d’innover en créant de nouveaux matériaux tels que les nano-composites ou les alliages à haute entropie. Les programmes du CEA conduisent également à développer des solutions mettant en œuvre des polymères, parfois biosourcés mais également des céramiques pour des applications en milieux extrêmes. Enfin, la maîtrise des matières premières constitue le premier pas vers l’impression 4D, avec des matériaux qui évoluent sous l’action d’un stimulus.

2 - La maîtrise des procédés à caractère industriel du « micro au macro »

Le choix du « bon » procédé pour une application donnée implique une connaissance approfondie des technologies, une veille active et réactive dans un domaine où les innovations sont permanentes, soit dans le sens de la miniaturisation, de la complexité et de la résolution, soit, a contrario, vers la réalisation de composants de grandes dimensions. La maîtrise de ces procédés industriels implique le développement d’outils adaptés de monitoring, si possible en temps réel, avec également une possibilité immédiate de rétroaction sur le procédé. Les traitements de parachèvement sont souvent stratégiques pour conférer aux matériaux et composants leurs propriétés finales d’usage. On parle parfois de procédés « hybrides ».

3 - La conception de matériaux et de systèmes fortement contraints 

Les défis techniques que relève le CEA sont des moteurs pour le développement de nouvelles méthodes de conception, que ce soit dans le domaine du vivant, du nucléaire, des nouvelles énergies bas carbone, du spatial ou de la défense, qui nécessitent la conception de composants spécifiques à haute valeur ajoutée.

4 - L’intégration de fonctions intelligentes dans les objets 

La capacité à imprimer des capteurs directement sur les composants 3D ou à profiter d’une optimisation topologique adaptée à l’intégration de fonctions intelligentes permet en particulier un meilleur suivi des composants en fonctionnement et au cours de leur cycle de vie, contribuant ainsi, par exemple, aux opérations de maintenance prédictive dans une approche d’éco-innovation.

5 - Les données pour la conception, la simulation, l’optimisation et la traçabilité 

Le CEA a fait le choix dès le départ de constituer une base de données pour capitaliser les développements réalisés sur la fabrication additive. Cette base de données interne est progressivement mise à la disposition des concepteurs, des outils de simulation numérique ou d’intelligence artificielle qui permettent d’optimiser les procédés complexes.

Qui contribue au sein du CEA à la montée en compétences et au partage des connaissances ?

Une centaine de chercheurs permanents sont d’ores et déjà financés au sein des quatre directions opérationnelles du CEA sur des activités couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur de la fabrication additive. À ces effectifs s’ajoutent près de cinquante thèses depuis 2015 et près de 30 post-doctorats et CDD.

Une centaine de chercheurs permanents sont d’ores et déjà financés au sein des quatre directions opérationnelles du CEA. », Frédéric Schuster
De nombreuses formations ont également été mises en place, avec l’Institut national des sciences et techniques nucléaires (INSTN), soit dans le cadre de la formation continue (à Grenoble), soit dans le cadre d’enseignements de master (à Saclay, le Master Matériaux pour l’Énergie et les Transports). Une chaire d’enseignement et de recherche internationale, baptisée IMPACT, a également été créée en 2018 : elle associe l’INSTN et des partenaires industriels (fondateurs et associés), dont les objectifs sont de promouvoir et de développer des activités d’enseignement et de recherche autour de la thématique des nouvelles générations de procédés de synthèse et d’intégration de matériaux avancés pour l’industrie.

Enfin, plusieurs plateformes dédiées à la fabrication additive, en lien avec les équipementiers, et fonctionnant en réseau, ont progressivement été mises en place, principalement à Grenoble et à Saclay. Certaines sont également des outils de mutualisation de compétences et de moyens ouverts sur l’extérieur, d’autres sont des outils de stimulation de l’innovation collective de type Fablab. Ainsi c’est progressivement tout un écosystème vertueux qui se met en place autour de cette technologie.


Cet article est extrait du dernier numéro de Clefs consacré à « l’impression 3D au cœur des grandes transitions ».

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