Pour répondre aux nouvelles exigences du marché, l’industrie doit intégrer de nouveaux procédés de fabrication. Du laser à la fabrication additive, le professeur Hannes Freisse du groupe Advanced manufacturing de l’HEPIA invente l’usinage de demain. Interview.
Plus léger, plus précis, plus efficient: telles sont les consignes qui guident les chercheurs et chercheuses du groupe Advanced manufacturing à la Haute école du paysage, d'ingénierie et d'architecture de Genève (HEPIA). Leurs objectifs: améliorer les procédés industriels existants, développer de nouvelles méthodes, retravailler la mise en forme de matériaux.
Parmi les méthodes innovantes se trouvent la fabrication additive et l’utilisation du laser. Rencontre avec un spécialiste du domaine, le professeur HES assistant Hannes Freisse.
Sur quels types de technologies travaillez-vous?
Hannes Freisse: Nos activités se concentrent principalement sur la recherche appliquée et le développement. Nous nous appuyons notamment sur l’échelle de maturité technologique, appelée «Technology Readiness Level» (TRL).
Ce classement, développé par la NASA, est largement utilisé en Europe pour évaluer les étapes de développement d’une innovation industrielle. De 1 à 3, le niveau se concentre sur la recherche fondamentale, les premiers principes scientifiques et théoriques. À l’opposé, de 7 à 9, l’échelle référence les technologies éprouvées en conditions réelles d’exploitation.
À l’HEPIA, nos projets peuvent débuter à différents niveaux de maturité. Nous reprenons parfois des résultats scientifiques aux premiers niveaux de TRL, dont le développement avant l’application industrielle est encore important. Toutefois, la majorité de nos activités se situe à des niveaux TRL plus élevés.
Tests dans nos laboratoires — le laboratoire de fabrication additive et technologie laser et le laboratoire de métrologie —, adaptations des procédés, des matériaux, essais en conditions réelles, modes de production: nous développons et optimisons des procédés jusqu’à la réalisation et la validation de prototypes fonctionnels. L’objectif final reste de permettre un transfert technologique direct vers l’industrie suisse.
Pourquoi l’industrie a-t-elle besoin de nouveaux processus?
Hannes Freisse: Les enjeux énergétiques actuels, couplés à la raréfaction des ressources créent de nouveaux besoins. Les procédés de fabrication innovants permettent d’utiliser les ressources plus efficacement, de limiter les pertes de matière et de rendre la production plus durable.
D’autre part, l’innovation technologique est indispensable pour préserver et renforcer la compétitivité internationale de l’industrie suisse. Celle-ci se distingue par sa haute précision, sa qualité, et sa capacité d’innovation. Développer de nouveaux procédés de fabrication se révèle donc également essentiel pour maintenir durablement les emplois industriels en Suisse.
Vous êtes spécialiste de la fabrication additive, en quoi consiste ce procédé?
Hannes Freisse: De manière générale, la fabrication industrielle fonctionne selon trois méthodes :
La fabrication additive consiste quant à elle à accumuler les couches pour créer un objet, à la manière d’un pistolet à colle. Le dessin numérique est soumis à l’imprimante 3D qui dépose de la matière jusqu’au produit fini.
Précise et efficace, la méthode réduit les déchets, et permet d’alléger les pièces, puisqu’elle offre la possibilité de laisser des espaces vides. Cette avancée se révèle particulièrement intéressante dans les domaines de l’aéronautique, ou des technologies médicales (medtech), où chaque gramme compte.
Qu’en est-il de la technologie laser?
Hannes Freisse: La technologie laser s’est imposée de manière spectaculaire dans la production industrielle ces vingt dernières années. La méthode consiste à concentrer une source d’énergie pour chauffer et fondre de la matière, voire pour en supprimer. Aujourd’hui, les équipements sont devenus financièrement plus abordables, plus performants et plus robustes.
Parallèlement, un nombre croissant de technicien·ne·s et ingénieur·e·s se sont formés à leur utilisation, facilitant l’intégration de la technologie dans les procédés industriels.
Le laser est ainsi passé d’un outil spécialisé à une technologie de fabrication largement établie. Il est aujourd’hui utilisé notamment pour la découpe, le soudage, le traitement de surface et la fabrication additive.
Quels sont vos projets actuels?
Hannes Freisse: Dans notre groupe Advanced manufacturing, nous travaillons sur plusieurs technologies de fabrication additive. Deux exemples illustrent notre démarche, depuis l’exploitation de procédés existants jusqu’au développement de nouvelles technologies:
Le procédé «Material extrusion (MEX)», également connu sous les appellations plus anciennes «fused filament fabrication (FFF) ou «fused deposition modeling» (FDM), consiste à utiliser des filaments chargés en poudre métallique, transformés au moyen d’imprimantes 3D.
Cette technique se révèle particulièrement intéressante en recherche appliquée, puisqu’après les étapes de déliantage (élimination de l’agent liant, une polymère ou une «colle») et de frittage (chauffage de la pièce pour obtenir un objet final solide), il est possible d’obtenir des pièces métalliques. Le procédé MEX offre ainsi des perspectives intéressantes pour produire des composants métalliques avec des investissements relativement limités.
Le procédé «directed energy deposition» (DED) par laser constitue un axe majeur de mes recherches. Une poudre métallique est acheminée vers la zone d’interaction avec le faisceau laser, où elle est fondue puis déposée sur une pièce.
À l’HEPIA, nous cherchons aujourd’hui à transposer cette technologie éprouvée à une autre échelle. Alors que les procédés DED classiques sont principalement employés pour des pièces de grandes dimensions, nous développons une nouvelle approche destinée à fabriquer des structures métalliques très petites, en gardant une grande précision: la technologie «micro-DED». Nos travaux portent notamment sur de nouvelles buses d’injection et de nouveaux systèmes d’alimentation en poudre, capables de doser et d’acheminer de très faibles quantités de matière de manière contrôlée.
À travers ce projet scientifique phare, notre ambition est de repousser les limites technologiques actuelles et de développer une solution de fabrication additive à l’échelle microscopique présentant un caractère distinctif à l’échelle mondiale.
Photo vignette: Le professeur HES assistant Hannes Freisse © HEPIA
