La révolution de l’impression 3-D

La révolution de l’impression 3-D

L’impression 3-D industrielle est à un point de basculement, sur le point de se généraliser de manière importante. La plupart des cadres et de nombreux ingénieurs ne le réalisent pas, mais cette technologie a largement dépassé le stade du prototypage, de l’outillage rapide, des bibelots et des jouets. La « fabrication additive » consiste à créer des produits durables et sûrs destinés à être vendus à de vrais clients en quantités modérées à importantes.

Les prémices de cette révolution apparaissent dans une enquête menée par PwC en 2014 auprès de plus de 100 entreprises manufacturières. Au moment de l’enquête, 11 % d’entre elles étaient déjà passées à la production en volume de pièces ou de produits imprimés en 3D. Selon les analystes de Gartner, une technologie est « mainstream » lorsqu’elle atteint un niveau d’adoption de 20%.

Parmi les nombreuses entreprises qui utilisent l’impression 3-D pour augmenter leur production, on trouve GE (moteurs à réaction, appareils médicaux et pièces d’électroménager), Lockheed Martin et Boeing (aérospatiale et défense), Aurora Flight Sciences (véhicules aériens sans pilote), Invisalign (appareils dentaires), Google (électronique grand public) et la société néerlandaise LUXeXcel (lentilles pour diodes électroluminescentes, ou LED). Observant ces développements, McKinsey a récemment indiqué que l’impression 3-D est « prête à sortir de son statut de niche et à devenir une alternative viable aux processus de fabrication conventionnels dans un nombre croissant d’applications. » En 2014, les ventes d’imprimantes 3-D de qualité industrielle aux États-Unis représentaient déjà un tiers du volume des ventes d’automatisation industrielle et de robotique. Selon certaines projections, ce chiffre atteindrait 42 % d’ici 2020.

D’autres entreprises suivront, car la gamme de matériaux imprimables continue de s’élargir. Outre les plastiques de base et les résines photosensibles, ceux-ci comprennent déjà les céramiques, le ciment, le verre, de nombreux métaux et alliages métalliques, ainsi que de nouveaux composites thermoplastiques infusés de nanotubes et de fibres de carbone. L’économie supérieure finira par convaincre les retardataires. Bien que les coûts directs de la production de biens avec ces nouvelles méthodes et ces nouveaux matériaux soient souvent plus élevés, la plus grande flexibilité offerte par la fabrication additive signifie que les coûts totaux peuvent être considérablement réduits.

Avec ce changement révolutionnaire déjà en cours, les gestionnaires devraient maintenant s’engager dans des questions stratégiques à trois niveaux :

Premièrement, les vendeurs de produits tangibles devraient se demander comment leurs offres pourraient être améliorées, que ce soit par eux-mêmes ou par des concurrents. La fabrication d’un objet couche par couche, selon un « plan » numérique téléchargé sur une imprimante, permet non seulement une personnalisation illimitée mais aussi des conceptions d’une plus grande complexité.

Deuxièmement, les entreprises industrielles doivent revoir leurs opérations. Alors que la fabrication additive crée une myriade de nouvelles options pour savoir comment, quand et où les produits et les pièces sont fabriqués, quel réseau d’actifs de la chaîne d’approvisionnement et quel mélange d’anciens et de nouveaux processus seront optimaux.

Troisièmement, les dirigeants doivent envisager les implications stratégiques alors que des écosystèmes commerciaux entiers commencent à se former autour des nouvelles réalités de l’impression 3D. On a beaucoup parlé du potentiel d’atomisation de larges pans du secteur manufacturier en un nombre incalculable de petits « fabricants ». Mais cette vision tend à masquer une évolution plus sûre et plus importante : Pour permettre l’intégration des activités des concepteurs, des fabricants et des transporteurs de biens, il faudra créer des plateformes numériques. Dans un premier temps, ces plates-formes permettront les activités de conception à l’impression, le partage de la conception et le téléchargement rapide. Bientôt, elles orchestreront les opérations d’impression, le contrôle de la qualité, l’optimisation en temps réel des réseaux d’imprimantes et les échanges de capacités, entre autres fonctions nécessaires. Les fournisseurs de plates-formes les plus performants connaîtront une grande prospérité en établissant des normes et en fournissant les paramètres dans lesquels un écosystème complexe peut coordonner les réponses aux demandes du marché. Mais toutes les entreprises seront touchées par l’essor de ces plateformes. Les entreprises en place et les nouveaux venus se bousculeront pour s’approprier des parts de l’énorme valeur que cette nouvelle technologie créera.

Ces questions s’ajoutent à une quantité substantielle de réflexion stratégique, et il en reste encore une autre : A quelle vitesse tout cela va-t-il se produire ? Pour une entreprise donnée, voici à quelle vitesse cela peut se produire : L’industrie américaine des prothèses auditives s’est convertie à la fabrication additive à 100 % en moins de 500 jours, selon un PDG du secteur, et aucune entreprise qui s’en est tenue aux méthodes de fabrication traditionnelles n’a survécu. Les dirigeants devront déterminer s’il est sage d’attendre que cette technologie en évolution rapide arrive à maturité avant de réaliser certains investissements ou si le risque d’attendre est trop grand. Leurs réponses seront différentes, mais pour tous, il semble sûr de dire que le temps de la réflexion stratégique est maintenant.

Les avantages de l’additif

Il peut être difficile d’imaginer que cette technologie va supplanter les méthodes standard actuelles de fabrication de choses en grandes quantités. Les presses traditionnelles de moulage par injection, par exemple, peuvent cracher des milliers de gadgets par heure. En revanche, les personnes qui ont observé des imprimantes 3-D en action sur le marché des amateurs trouvent souvent que l’accumulation d’objets couche par couche est d’une lenteur comique. Mais les récents progrès de cette technologie changent radicalement la donne dans les milieux industriels.

Certains oublient peut-être pourquoi la fabrication standard se fait à une vitesse aussi impressionnante. Ces widgets se déversent rapidement parce que de lourds investissements ont été faits au départ pour établir l’ensemble complexe de machines-outils et d’équipements nécessaires à leur production. La première unité est extrêmement coûteuse à fabriquer, mais à mesure que des unités identiques se succèdent, leur coût marginal s’effondre.

La fabrication additive n’offre rien qui ressemble à cette économie d’échelle. Cependant, elle évite l’inconvénient de la fabrication standard – un manque de flexibilité. Comme chaque unité est construite indépendamment, elle peut facilement être modifiée pour répondre à des besoins uniques ou, plus largement, pour s’adapter à des améliorations ou à l’évolution de la mode. En outre, la mise en place du système de production est beaucoup plus simple, car elle comporte beaucoup moins d’étapes. C’est pourquoi l’impression 3D s’est révélée si précieuse pour la production de pièces uniques, comme les prototypes et les pièces de rechange rares. Mais la fabrication additive est de plus en plus intéressante, même à grande échelle. Les acheteurs peuvent choisir parmi des combinaisons infinies de formes, de tailles et de couleurs, et cette personnalisation ajoute peu au coût d’un fabricant, même lorsque les commandes atteignent des niveaux de production de masse.

Une grande partie de l’avantage de la fabrication additive est que les pièces qui étaient auparavant moulées séparément puis assemblées peuvent maintenant être produites en une seule pièce en une seule fois. Les lunettes de soleil en sont un exemple simple : Le processus 3D permet de faire varier la porosité et le mélange des plastiques dans différentes zones de la monture. Les oreillettes sortent souples et flexibles, tandis que les rebords qui maintiennent les verres sont durs. Aucun assemblage n’est nécessaire.

L’impression de pièces et de produits permet également de les concevoir avec des architectures plus complexes, comme des alvéoles dans des panneaux d’acier ou des géométries auparavant trop fines pour être fraisées. Des pièces mécaniques complexes – un ensemble d’engrenages encastrés, par exemple – peuvent être fabriquées sans assemblage. Les méthodes additives peuvent être utilisées pour combiner des pièces et générer des détails intérieurs bien plus nombreux. C’est pourquoi GE Aviation a décidé d’imprimer les buses de carburant de certains moteurs à réaction. L’entreprise prévoit de produire plus de 45 000 exemplaires du même modèle par an, ce qui laisse supposer que les méthodes de fabrication traditionnelles seraient plus adaptées. Mais la technologie d’impression permet de fabriquer en une seule pièce un injecteur qui était auparavant composé de 20 pièces moulées séparément. GE affirme que cela réduira le coût de fabrication de 75%.

La fabrication additive peut également utiliser plusieurs jets d’imprimante pour déposer différents matériaux simultanément. Ainsi, Optomec et d’autres entreprises développent des matériaux conducteurs et des méthodes d’impression de microbatteries et de circuits électroniques directement dans ou sur les surfaces des appareils électroniques grand public. Parmi les autres applications, citons les équipements médicaux, les moyens de transport, les composants aérospatiaux, les appareils de mesure, les infrastructures de télécommunication et bien d’autres choses « intelligentes ».

L’énorme attrait de la limitation des travaux d’assemblage pousse les équipements de fabrication additive à devenir toujours plus grands. À l’extrême actuel, le ministère américain de la Défense, Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel et Oak Ridge National Laboratory s’associent pour développer une capacité d’impression de la plupart des endo- et exosquelettes des chasseurs à réaction, y compris le corps, les ailes, les panneaux structurels internes, le câblage et les antennes intégrés, et bientôt la structure porteuse centrale. La fabrication additive dite « grande surface » permet de fabriquer des objets de cette taille en utilisant un énorme portique doté de commandes informatisées pour mettre les imprimantes en position. Lorsque ce processus aura été certifié, le seul assemblage requis sera l’installation de modules électroniques prêts à l’emploi pour les systèmes de navigation, de communication, d’armement et de contre-mesures électroniques dans les baies créées pendant le processus d’impression. En Irak et en Afghanistan, l’armée américaine a utilisé des drones d’Aurora Flight Sciences, qui imprime le corps entier de ces véhicules aériens sans pilote – dont certains ont une envergure de 132 pieds – en une seule construction.

Stratégie tridimensionnelle

Cette brève discussion des avantages de la fabrication additive suggère à quel point les entreprises adopteront facilement la technologie – et les économies supplémentaires sur les coûts d’inventaire, d’expédition et d’installation rendront l’argument encore plus fort. L’implication claire est que les gestionnaires d’entreprises de toutes sortes devraient s’efforcer d’anticiper la façon dont leurs entreprises s’adapteront aux trois niveaux stratégiques mentionnés ci-dessus.

Offres, repensées.

La stratégie de produit est la réponse à cette question la plus fondamentale dans les affaires, Que vendrons-nous ? Les entreprises devront imaginer comment leurs clients pourraient être mieux servis à l’ère de la fabrication additive. Quelles conceptions et caractéristiques seront désormais possibles, alors qu’elles ne l’étaient pas auparavant ? Quels aspects pourront être améliorés parce que les restrictions ou les délais de livraison auront été éliminés ?

Par exemple, dans les secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile, l’impression 3-D sera le plus souvent utilisée dans la recherche de gains de performance. Auparavant, le rendement énergétique des avions de chasse et des véhicules pouvait être amélioré en réduisant leur poids, mais cela les rendait souvent moins solides structurellement. La nouvelle technologie permet aux fabricants d’évider une pièce pour la rendre plus légère et plus économe en carburant, et d’incorporer des structures internes qui offrent une plus grande résistance à la traction, une plus grande durabilité et une plus grande résistance aux chocs. Et de nouveaux matériaux plus résistants à la chaleur et aux produits chimiques peuvent être utilisés à différents endroits d’un produit, selon les besoins.

Dans d’autres industries, l’utilisation de la fabrication additive pour des produits plus personnalisés et à évolution rapide aura des ramifications sur la façon dont les offres sont commercialisées. Qu’advient-il du concept de générations de produits – sans parler du battage médiatique autour d’un lancement – lorsque les produits peuvent être mis à niveau de manière continue au cours d’impressions successives plutôt que par bonds quantiques requis par les coûts d’outillage et les temps de préparation plus élevés de la fabrication conventionnelle ? Imaginez un avenir proche dans lequel l’intelligence artificielle basée sur le cloud augmente la capacité de la fabrication additive à modifier ou à ajouter des produits instantanément sans réoutillage. Il deviendrait possible de modifier en temps réel la stratégie des produits, comme les décisions relatives à la gamme de produits et à la conception. Avec une adaptation aussi rapide, quels nouveaux avantages devraient être au cœur des promesses des marques ? Et comment les départements marketing pourraient-ils empêcher la dérive de la marque sans perdre de ventes ?

Les opérations, réoptimisées.

La stratégie des opérations englobe toutes les questions relatives à la manière dont une entreprise va acheter, fabriquer, déplacer et vendre des marchandises. Les réponses seront très différentes avec la fabrication additive. Une plus grande efficacité opérationnelle est toujours un objectif, mais elle peut être atteinte de plusieurs façons. Aujourd’hui, la plupart des entreprises qui envisagent d’utiliser cette technologie procèdent à une analyse financière fragmentaire d’opportunités ciblées d’échange d’équipements et de conceptions en 3D lorsque cela peut réduire les coûts directs. Les gains seront bien plus importants lorsqu’elles élargiront leurs analyses pour prendre en compte le coût total de la fabrication et des frais généraux.

Combien pourrait-on économiser en supprimant des étapes d’assemblage ? Ou en réduisant les stocks en ne produisant qu’en réponse à la demande réelle ? Ou en vendant de différentes manières – par exemple, directement aux consommateurs via des interfaces qui leur permettent de spécifier n’importe quelle configuration ? Dans un monde hybride d’anciennes et de nouvelles méthodes de fabrication, les producteurs auront beaucoup plus d’options ; ils devront décider quels composants ou produits passer à la fabrication additive, et dans quel ordre.

Des questions supplémentaires se poseront autour des emplacements des installations. Quelle doit être leur proximité avec quels clients ? Comment les commandes hautement personnalisées peuvent-elles être livrées aussi efficacement qu’elles sont produites ? L’impression doit-elle être centralisée dans les usines ou dispersée dans un réseau d’imprimantes chez les distributeurs, chez les détaillants, dans les camions, voire dans les installations des clients ? Peut-être tout cela à la fois. Les réponses changeront en temps réel, en s’ajustant aux variations des taux de change, des coûts de la main-d’œuvre, de l’efficacité et des capacités des imprimantes, des coûts des matériaux, des coûts énergétiques et des coûts d’expédition.

Une distance de déplacement plus courte pour les produits ou les pièces ne permet pas seulement d’économiser de l’argent ; elle permet aussi de gagner du temps. Si vous avez déjà été obligé de laisser votre véhicule dans un atelier de réparation pendant que le mécanicien attend une pièce, vous apprécierez. BMW et Honda, parmi d’autres constructeurs automobiles, s’orientent vers la fabrication additive de nombreux outils industriels et de pièces automobiles à usage final dans leurs usines et chez leurs concessionnaires, en particulier à mesure que de nouveaux matériaux en métal, en plastique composite et en fibre de carbone deviennent disponibles pour les imprimantes 3D. Les distributeurs de nombreux secteurs d’activité en prennent note, désireux d’aider leurs clients commerciaux à tirer parti de ces nouvelles efficacités. UPS, par exemple, s’appuie sur son activité existante de logistique de tierce partie pour transformer ses entrepôts de plate-forme aéroportuaire en mini-usines. L’idée est de produire et de livrer des pièces personnalisées aux clients selon leurs besoins, au lieu de consacrer des hectares de rayonnages à de vastes inventaires. Si nous vivons déjà dans un monde de gestion des stocks juste à temps, nous voyons maintenant à quel point les choses peuvent devenir JAT. Bienvenue à la gestion instantanée des stocks.

En effet, compte tenu de toutes les efficacités potentielles de la fabrication additive hautement intégrée, la gestion des processus commerciaux pourrait devenir la capacité la plus importante qui soit. Certaines entreprises qui excellent dans ce domaine mettront en place des systèmes de coordination propriétaires pour s’assurer un avantage concurrentiel. D’autres adopteront et aideront à façonner des progiciels standard créés par de grandes sociétés de logiciels.

Ecosystèmes, reconfigurés.

Enfin, vient la question de savoir où et comment l’entreprise s’inscrit dans son environnement commercial plus large. Ici, les gestionnaires abordent les énigmes suivantes : Qui sommes-nous ? et Que devons-nous posséder pour être qui nous sommes ? À mesure que la fabrication additive permet aux entreprises d’acquérir des imprimantes capables de fabriquer de nombreux produits, et que les capacités inutilisées sont échangées avec d’autres entreprises proposant différents produits, les réponses à ces questions deviendront beaucoup moins claires. Supposons que vous disposiez dans vos locaux de rangées d’imprimantes qui fabriquent des pièces automobiles un jour, des équipements militaires le lendemain et des jouets le jour suivant. De quelle industrie faites-vous partie ? Les frontières traditionnelles vont s’estomper. Pourtant, les gestionnaires ont besoin d’un sens aigu du rôle de l’entreprise dans le monde pour prendre des décisions sur les actifs dans lesquels ils vont investir – ou dont ils vont se défaire.

Ils peuvent trouver que leurs organisations évoluent vers quelque chose de très différent de ce qu’elles ont été. Comme les entreprises sont libérées de beaucoup des exigences logistiques de la fabrication standard, elles devront regarder à nouveau la valeur de leurs capacités et autres actifs et comment ceux-ci complètent ou concurrencent les capacités des autres.

L’opportunité de la plateforme

Une position dans l’écosystème s’avérera être la plus centrale et la plus puissante – et ce fait n’échappe pas aux équipes de direction des plus grands acteurs déjà présents dans le domaine de la fabrication additive, comme eBay, IBM, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys et 3D Systems. Nombre d’entre eux rivalisent pour développer les plates-formes sur lesquelles d’autres entreprises s’appuieront et se connecteront. Ils savent que le rôle de fournisseur de plateforme est le plus grand objectif stratégique qu’ils pourraient poursuivre et qu’il est encore très disputé.

Les plateformes sont une caractéristique proéminente des marchés hautement numérisés du 21e siècle, et la fabrication additive ne fera pas exception. Ici, les propriétaires de plateformes seront puissants parce que la production elle-même est susceptible de moins compter avec le temps. Certaines entreprises mettent déjà en place des « fermes d’impression » sous contrat qui vont effectivement banaliser la fabrication de produits à la demande. Même les précieux dessins des produits imprimables, étant purement numériques et facilement partageables, seront difficiles à conserver. (D’ailleurs, les appareils de balayage 3D permettront de faire de la rétro-ingénierie sur les produits en capturant leurs informations de conception géométrique.)

Tout le monde dans le système aura intérêt à soutenir les plateformes sur lesquelles la production est dynamiquement orchestrée, les plans sont stockés et continuellement améliorés, les approvisionnements en matières premières sont contrôlés et achetés, et les commandes des clients sont reçues. Ceux qui contrôlent l’écosystème numérique seront assis au milieu d’un énorme volume de transactions industrielles, collectant et vendant des informations précieuses. Ils procéderont à des arbitrages et répartiront le travail entre des parties de confiance ou le confieront en interne le cas échéant. Ils échangeront des capacités d’impression et des conceptions dans le monde entier, influençant les prix en contrôlant ou en redirigeant le « flux de transactions » pour les deux. Comme les arbitres de matières premières, ils financeront les transactions ou achèteront à bas prix et vendront à prix élevé grâce aux informations asymétriques qu’ils obtiendront en supervisant des millions de transactions.

La responsabilité de l’alignement des capacités dispersées sur la demande croissante du marché incombera à un petit nombre d’entreprises – et pour que l’ensemble du système fonctionne efficacement, certaines devront s’y atteler. Il faut s’attendre à l’émergence d’analogues de Google, eBay, Match.com et Amazon en tant que moteurs de recherche, plateformes d’échange, places de marché de marque et intermédiaires entre les imprimeurs, les concepteurs et les référentiels de conception de la fabrication additive. Peut-être même que le commerce automatisé verra le jour, ainsi que des marchés pour le commerce de produits dérivés ou de contrats à terme sur la capacité et les conceptions des imprimantes.

Par essence, donc, les propriétaires d’actifs de fabrication basés sur les imprimantes seront en concurrence avec les propriétaires d’informations pour les bénéfices générés par l’écosystème. Et dans un délai assez court, le pouvoir va migrer des producteurs vers les grands intégrateurs de systèmes, qui vont mettre en place des plateformes de marque avec des normes communes pour coordonner et soutenir le système. Ils encourageront l’innovation par le biais de l’approvisionnement libre et de l’acquisition ou du partenariat avec de plus petites entreprises qui répondent à des normes de qualité élevées. Les petites entreprises peuvent en effet continuer à essayer de nouvelles approches intéressantes en marge – mais nous aurons besoin de grandes organisations pour superviser les expériences et ensuite les pousser à être pratiques et évolutives.

L’histoire du numérique reproduite

En pensant à la révolution en cours dans la fabrication additive, il est difficile de ne pas réfléchir à cette grande technologie de transformation, l’internet. En termes d’histoire de ce dernier, il serait juste de dire que la fabrication additive n’est qu’en 1995. Cette année-là, le battage médiatique était important, mais personne n’imaginait à quel point le commerce et la vie allaient changer au cours de la décennie suivante, avec l’arrivée du Wi-Fi, des smartphones et de l’informatique dématérialisée. Peu de gens ont prévu le jour où l’intelligence artificielle et les systèmes logiciels basés sur Internet pourraient faire fonctionner les usines – et même les infrastructures des villes – mieux que les gens.

L’avenir de la fabrication additive apportera des surprises similaires qui pourraient sembler strictement logiques avec le recul, mais qui sont difficiles à imaginer aujourd’hui. Imaginez comment de nouvelles imprimantes très performantes pourraient remplacer des travailleurs hautement qualifiés, faisant basculer des entreprises entières et même des pays basés sur la fabrication vers une production sans personnel. Dans les « organisations de machines », les humains pourraient ne travailler que pour entretenir les imprimantes.

Et cet avenir arrivera rapidement. Une fois que les entreprises mettent un orteil dans l’eau et expérimentent les avantages d’une plus grande flexibilité de fabrication, elles ont tendance à plonger profondément. À mesure que la science des matériaux crée des substances plus imprimables, d’autres fabricants et produits suivront. Local Motors a récemment démontré qu’elle pouvait imprimer un beau roadster, comprenant les roues, le châssis, la carrosserie, le toit, les sièges intérieurs et le tableau de bord, mais pas encore le groupe motopropulseur, de bas en haut en 48 heures. Lorsqu’il sera mis en production, le roadster, y compris le groupe motopropulseur, coûtera environ 20 000 dollars. Avec la baisse du coût des équipements et des matériaux 3D, les avantages restants des méthodes traditionnelles en matière d’économies d’échelle deviennent un facteur mineur.

Voici ce que nous pouvons attendre avec confiance : Dans les cinq prochaines années, nous disposerons de systèmes de fabrication additive entièrement automatisés, à grande vitesse et en grande quantité, qui seront économiques même pour les pièces standardisées. En raison de la flexibilité de ces systèmes, la personnalisation ou la fragmentation dans de nombreuses catégories de produits prendra alors son essor, réduisant encore la part de marché de la production de masse conventionnelle.

Les chefs d’entreprise avisés n’attendent pas que tous les détails et éventualités se révèlent. Ils voient assez clairement que les développements de la fabrication additive vont changer la façon dont les produits sont conçus, fabriqués, achetés et livrés. Ils font les premiers pas dans la reconception des systèmes de fabrication. Ils envisagent les revendications qu’ils auront dans l’écosystème émergent. Ils prennent les nombreuses décisions qui leur permettront d’obtenir des avantages dans le nouveau monde de l’impression 3-D.