Additive manufacturing. Emerging technology with great potential for Wallonia

La fabrication additive permet de concevoir des systèmes et des composants plus légers, robustes, complexes et précis. Elle utilise des modélisations 3D (conception assistée par ordinateur CAO) ou des scanners d'objets 3D pour créer toute forme géométrique avec un niveau de précision de l'épaisseur d'un cheveu.

Une technologie au coeur de la transformation industrielle

Pour atteindre un haut niveau de précision, la fabrication additive dépose et solidifie de fines couches de poudre, fil ou ruban d'un ou de plusieurs matériaux (thermoplastique, biochimique, métal, céramique, verre, ...) les unes après les autres jusqu'à la réalisation complète de l'objet souhaité.

7 procédés de fabrication

Dans son ensemble, cette technologie compte 7 procédés différents de fabrication :

• La photopolymérisation: dessiner couche par couche l'objet dans une résine liquide et le solidifier avec un rayon UV.

• La fusion sur lit de poudre: faire fondre, fusionner et solidifier de la poudre de matériau jusqu'à la réalisation complète de l'objet.

• Le jet de liant: utiliser une tête d'impression à jet d'encre pour lier la poudre (généralement pour la réalisation d'objets à base de céramique ou de métal.

• La projection de matière: projeter couche après couche différents métaux et cires qui se solidifient à l'exposition de la lumière ou de la chaleur.

• L'extrusion de matière: faire fondre un filament ou un matériau puis le superposer en continu jusqu'à la création de la forme souhaitée.

• La stratoconception ou laminage de feuilles: lier des feuilles de matériau par ultrasons ou par un soudage par friction-malaxage pour former l'objet souhaité.

• Le dépôt sous énergie concentrée: déposer et fait fondre le matériau sur la couche précédente jusqu'à la réalisation complète de l'objet (pour la fabrication d'objets à base de matériaux différents).

Avec un marché mondial de la fabrication additive estimé à plus de 33 milliards de dollars en 2025 et à plus de 51 milliards d'ici 2030 (selon SmarTech), le champ d'application de la fabrication additive est illimité : micro-pièces pour des avions, implants dentaires, prothèses médicales, produits de mode, etc.

Actuellement, les objets imprimés sont principalement utilisés dans les secteurs de l'aéronautique et de l'aérospatial, de la construction, de l'automobile, de la santé et du développement expérimental de nouveaux produits.

Des flux de production optimisés

Parmi sa multitude d'avantages, la fabrication additive optimise les flux de production en les rendant plus flexibles et efficients.

De plus, la conception et la fabrication peuvent être entièrement adaptées aux besoins techniques recherchés.

La fabrication additive permet de : 

• Transformer les chaines de production, d'approvisionnement et de distribution.

• Concevoir des composants sur mesure rapidement et à moindre coût sans être limité par un manque d'expertise, de technicité industrielle ou de matériel de pointe.

• Perfectionner et optimiser continuellement les composants, pièces, prototypes et produits finis.

• Réduire considérablement les délais de mise sur le marché et de livraison, comme par exemple l'impression de pièces imprimées pour les moteurs à réaction qui nécessitaient un délai minimum d'une année.

• Créer un seul objet encore plus résistant sans assemblage, brasage ou soudage alors que le même objet conçu avec les outils traditionnels aurait nécessité la fabrication et l'assemblage de plusieurs pièces.

• Réduire à raison de 80% le poids de certaines pièces.

L'industrie de la fabrication additive continue d'innover et de développer de nouvelles imprimantes aptes à fabriquer des objets à base de nouveaux matériaux. La technologie va encore plus loin, notamment au travers de la prise en compte d'une quatrième dimension dans la fabrication d'objets 3D.

En effet, l'impression 4D représente un processus par lequel une imprimante conçoit un objet pouvant lui même modifier sa structure et sa forme en fonction des éléments qui l'entourent comme la lumière, la chaleur ou l'eau.

Cette révolution de la fabrication additive du futur, à ce stade émergente, offre une multitude d'opportunités et de possibilités pour les industriels. L'avenir semble se diriger vers des objets qui s'auto-assemblent avec des matériaux programmables en fonction des situations.

Une technologie prometteuse pour l'Europe

The European Patent Office (EPO) indique que les inventions européennes en fabrication additive représentent la moitié du marché mondial. Dans ce marché, l'Allemagne prédomine avec une offre de presque 20% de l'offre européenne. Plus de 65% de l'offre européenne en fabrication additive est développée par les grandes entreprises de plus de 1000 employés, 11% par les universités et par les inventeurs et 10 % par les très petites entreprises.

En parallèle à cela, the AM Platform (European Technology Platform in Additive Manufacturing) estime que :

• Le niveau moyen de maturité des inventions européennes en fabrication additive est au stade du développement technologique.

• La fabrication additive du plastique est au niveau des démonstrateurs technologiques pré-commercialisés et des systèmes complets, testés et qualifiés prêts à être commercialisés.

• Les pièces et produits imprimés en 3D pour le secteur aéronautique sont au stade de la commercialisation et d'une grande création de valeur ajoutée.

Selon une enquête réalisée en 2021 par le CECIMO (European Association of the Machine Tool Industries and related Manufacturing Technologies), le marché européen en fabrication additive prévoit de renforcer, dans le courant des six prochains mois, sa fabrication additive de matériaux, de pièces et de produits finis au niveau des marchés européens et internationaux.

Les objets imprimés sont principalement réalisés avec du plastique et du métal au profit des secteurs de la santé (64%), de la fabrication des machines (50%) et de l'industrie pharmaceutique & chimique (29%).

Afin de renforcer la croissance du marché européen en fabrication additive, l'Europe crée toute une dynamique autour de cette technologie:

• AM-platform est un réseau européen qui regroupe plus de 700 acteurs dans plus de 25 pays. Il a pour objectif de développer des stratégies autour de la fabrication additive et de comprendre l'évolution de son marché.

• CECIMO est impliqué dans divers projets européens en lien avec la fabrication additive. Il dispose d'un comité dédié à cette technologie et d'un groupe de travail qui réfléchit autour de l'évolution de cette dernière. L'association organise chaque année the additive European conference (AMEC) et de the international conference for additive Manufacturing (ICAM)

• Des financements dans le cadre de Horizon Europe :

  • HORIZON-CL4-2021-TWIN-TRANSITION-01-03: Laser-based technologies for green manufacturing (RIA).

  • HORIZON-CL4-2021-TWIN-TRANSITION-01-05: Manufacturing technologies for bio-based materials (RIA).

  • HORIZON-CL4-2021-TWIN-TRANSITION-01-19: Improvement of the yield of the iron and steel making (IA).

  • HORIZON-CL4-2022-RESILIENCE-01-12: Functional multi-material components and structures (RIA).

  • HORIZON-CL4-2021-SPACE-01-22: Low cost high thrust propulsion for EU strategic space launchers - technologies maturation including ground tests.

Un écosystème belge stimulant

Selon une étude réalisée par PwC, SIRRIS et Agoria en 2019, la Belgique est pionnière dans la recherche dédiée à la fabrication additive et à son application au niveau industriel.

Les différents projets lancés permettent une montée en puissance des expertises et des connaissances requises à la transition de prototypes imprimés en 3D et à la fabrication d'objets plus complexes au niveau des processus industriels. D'ici 2024, les entreprises belges utilisant cette technologie prévoient une augmentation de 10% de leur chiffre d'affaires et la création de plus de 1500 emplois directement liés à la fabrication additive.

Ces entreprises identifient 5 avantages technologiques principaux à travers le renforcement de l'implémentation industrielle de la fabrication additive:

• La liberté de créer des objets personnalisés et uniques.

• La réduction des délais.

• La customisation de masse.

• La rentabilité pour les petits volumes.

• La production à la demande.

L'étude précise que la Belgique est bien implantée dans tous les éléments indispensables de la chaine de valeur industrielle de la fabrication additive. Dès lors, Sirris estime que les industries belges peuvent contribuer de l'ordre de 3 à 3,5% au marché mondial de la fabrication additive.

Un écosystème prometteur en Wallonie

Sur base des données de la plateforme Digital Wallonia, la Wallonie compte une quarantaine d'acteurs spécialisés dans le développement de la fabrication additive. 70% de ces acteurs représentent des entreprises commerciales qui proposent des offres dans la chaine de valeur de cette technologie.

Parmi ces entreprises, nous retrouvons :

• 3D-Side. Spécialisée dans le secteur de la santé, l'entreprise planifie des interventions complexes et fournit au chirurgien des instruments sur-mesure ou des implants personnalisés. L'entreprise participe activement à des conférences et foires à l'international.

• . Entreprise active dans le secteur de l'industrie, spécialisée en conception 3D, prototypage par impression 3D et fabrication hybride. Elle est une des pionnières dans les technologies additives.

• GDTech engineering. Spécialisée dans le cycle de design de la fabrication additive depuis le choix des matériaux jusqu'à l'impression des objets, cette entreprise est fortement visible à l'international de par ses participations dans des foires et congrès (particulièrement dans l'aéronautique et l'espace).

• CERHUM. Ciblant le secteur de la santé, l'entreprise développe des implants dentaires et osseux en céramique fabriqués avec des technologies additives. Son offre contribue aux avancées de la reconstruction faciale.

• Aerosint. Entreprise spécialisée dans les imprimantes 3D pouvant combiner plusieurs matériaux dans un même objet. En plus de son offre d'impression d'objets en métal, l'entreprise développe, dans le cadre du programme Win2Wal et en collaboration avec l'UCL, une activité R&D dans la combinaison de plusieurs matériaux fabriqués avec des technologies additives.

20% des entreprises actives dans cette technologie émergente en Wallonie, sont des startups.

Cela montre tout le potentiel d'innovation et de développement sur notre territoire.

De plus, le secteur de la recherche, les Centres de Recherche Agréés (CRA) comme Sirris ou Centre de recherche en aéronautique, les unités de recherche et les universités, s'intéresse aussi à cette technologie de pointe et représente 10% de cet écosystème.

Les acteurs wallons spécialisés en fabrication additive sont implantés dans toutes les provinces de la Wallonie :

• Plus de 30% dans la province de Liège.

• Plus de 20% dans les provinces de Namur et du Hainaut.

• Presque 20% dans la province du Brabant wallon.

• Et, presque 5% dans la province du Luxembourg.

Selon les informations de la BCE, les entreprises spécialisées en fabrication additive sont généralement des sociétés anonymes et des SPRL.

Plus de 15 entreprises spécialisées dans cette technologie ont été officiellement créées depuis 2015.

Des expertises au profit de secteurs clés

Dans le cadre des activités de veille de Digital Wallonia, une enquête réalisée sur 35 entreprises spécialisées dans la fabrication additive montre une répartition de l'offre wallonne de la manière suivante :

• 80% est orientée B2B et 20% B2C.

• Plus de 60% est composée de services (développement de modélisation, de conseils et d'accompagnement). Les 40% restants déclarent proposer des produits ou prototypes physiques en lien avec l'impression 3D.

• Plus de 80% des entreprises emploient moins de 10 ETP, et presque 10% entre 10 et 50 ETP.

• 50% est destinée à tout secteur confondu.

• Plus de 40% des entreprises spécialisées en fabrication additive génèrent en moyenne un chiffre d'affaires compris entre 100 K euros et 500 K euros, et plus de 25% ont un CA entre 500 K euros et 1 million d'euros.

• 65% intègrent cette technologie dans le cadre de leurs activités et de leur offre numérique en Wallonie.

• 35% développent diverses solutions dans la chaine de valeur de la fabrication additive.

Sur base des chiffres clés publiés sur la plateforme Digital Wallonia, les acteurs spécialisés dans la fabrication additive sont actifs dans les écosystèmes wallons de l'industrie 4.0, du gaming, de la MedTech et des smart cities et s'adressent aux secteur de l'industrie, de la santé, de l'aéronautique et aérospatial et de la construction

L'écosystème wallon compte plus de 5 entreprises spécialisées en fabrication additive qui sont actuellement hébergées dans des incubateurs et des accélérateurs afin d'accroître leur niveau d'expertise.

4 prestataires labellisés dans les chèques entreprises numérique, croissance et innovation ont été identifié dans cet écosystème.

Les acteurs spécialisés dans cette technologie avancée sont ouverts vers l'international. Dès lors, l'offre wallonne en fabrication additive est représentée dans des missions internationales organisées par l'[profiles type="single" slug="awex" display="link"]Agence wallonne à l'Exportation et aux Investissements étrangers (AWEX)[/profiles], des conférences orientées vers l'industrie (Hannover Messe), le secteur de la santé et les smart cities.

Une technologie stratégique dans le cadre de la nouvelle stratégie de spécialisation S3

Le Gouvernement wallon a publié en juillet 2021 les cinq feuilles de route des domaines d'innovation stratégique (DIS) dans le cadre de sa nouvelle stratégie de spécialisation S3 qui définissent les ambitions stratégiques que la Wallonie devra atteindre en 2030 en termes d'excellence en recherche, développement et innovation.

Le numérique est identifié comme un levier transversal permettant de renforcer cette dynamique d'innovation. Parmi les diverses technologies numériques, les technologies additives ont été identifiées dans quatre des cinq DIS avec les contributions suivantes:

• Matériaux circulaires : capacité à donner de nouvelles formes et fonctionnalités aux composants métalliques dans le cadre d'activités de remanufacturing, réparation additive des matériaux du futur, des composants;

• Innovations pour une santé renforcée : utilisation de l'impression 3D pour renforcer les implants et prothèses;

• Innovations pour des modes de conception et de production agiles et sûrs : meilleure utilisation des matériaux fonctionnels intelligents, bio-inspirés, des composites, des métaux et des alliages grâce aux techniques additives pour soutenir le remanufacturing.

• Systèmes énergétiques et habitat durables : l'impression 3D au profit de bâtiments 4.0, du smart building et du building interactif.

La technologie de la fabrication additive est encore émergente en Wallonie. Cependant, notre région compte bien mettre à profit et renforcer les expertises de ses acteurs dans cette technologie au fort potentiel pour ses domaines d'innovation stratégiques. Les entreprises numériques sont donc appelées à innover et à perfectionner leurs solutions en impression 3D de sorte à atteindre des niveaux TRL (niveaux de maturité technologique)  proches de la commercialisation.

Il est aussi important de renforcer les collaborations entre les acteurs économiques et les acteurs de recherche autour de projets RDI en fabrication additive, que ce soit au niveau régional, national et international.

Méthodologie de l'étude

• Analyse réalisée sur l’ensemble des données de la plateforme Digital Wallonia relatives aux acteurs spécialisés dans la fabrication additive, ou impression 3D. Ces données garantissent une représentativité significative à l’échelle wallonne.

• Les analyses ont été réalisées sur base d'un état des lieux établi en août 2021. Par définition, elles ne sont pas statiques. Les résultats des analyses évoluent donc en fonction du développement des activités des entreprises, de l’évolution des tendances, des mises à jour réalisées par l’Agence du Numérique et ses partenaires.

• Une partie des résultats fait référence à une enquête inscrite dans le cadre des activités de veille et de cartographie des acteurs numériques wallons dans le cadre de Digital Wallonia.