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Consommation énergétique du procédé de fabrication additive.

La consommation d’énergie en fabrication additive peut avoir un impact sur l’empreinte carbone du procédé et des pièces ainsi réalisées. Cet article fait le point sur la question en comparant avec des procédés traditionnels.

Contexte

L’industrie de la fabrication additive (FA) se développe rapidement, devenant ainsi une composante importante et intégrale de la révolution numérique dans les pratiques de fabrication. Bien que les aspects techniques de la FA fassent l’objet de recherches intensives, il reste encore de nombreux défis à relever afin de renforcer la durabilité et l’analyse de cycle de vie en fabrication additive, notamment métallique. En effet, la notion du développement durable est définie comme la création de produits utilisant des processus qui minimisent les impacts environnementaux négatifs en conservant l’énergie et les ressources naturelles dans un environnement socio-économique sain. A ce jour, il existe différents principes de durabilité largement adoptés dans les secteurs de la transformation. Cependant, la compréhension de la durabilité en fabrication additive est encore assez subjective. Il est généralement admis que la durabilité a trois dimensions distinctes (Figure 1) : économique, sociale et environnementale.

Sur le plan économique, la fabrication additive a prouvé sa valeur pour soutenir la compétitivité dans le secteur manufacturier : elle offre de grandes possibilités d’innovation et simplifie la chaîne de production ce qui permet de réduire les coûts liés au stockage et à la logistique. De plus, la capacité de la fabrication additive à produire des pièces fonctionnelles en réduisant le nombre des assemblages améliore les performances du produit. La fabrication additive permet également de réduire les coûts opérationnels en réduisant, par exemple, le rapport « buy to fly » dans l’industrie aéronautique (rapport entre la masse de la matière mise en œuvre pour réaliser une pièce et la masse effective opérationnelle).

Sur le plan social, bien que les aspects environnementaux et les impacts économiques de la fabrication additive sont souvent pris en compte, l’étude de l’implication sociale de la fabrication additive est un sujet qui ne fait pas l’objet d’autant attention. Pourtant, l’impact social dans les domaines de l’emploi, de la consommation et de la sécurité est présent. Si l’on prend l’exemple de pays en développement n’ayant pas accès à la technologie pour fabriquer des produits complexes en utilisant les méthodes conventionnelles, ils peuvent à présent produire des pièces en utilisant cette technologie et ainsi se rapprocher de la fabrication de produits technologiquement complexes pour trouver leur place sur un marché très compétitif et de haute valeur ajoutée.

Les aspects environnementaux liés aux produits manufacturés prennent une place importante dans le paysage du développement durable. En effet, la fabrication dite « verte » est définie comme la première étape vers le développement durable. Elle jouera un rôle important dans ce développement au cours des prochaines années. La littérature propose plusieurs cadres pour étudier ces aspects, mais il n’y a pas de méthode quantitative uniforme pour évaluer leurs impacts. Parmi les méthodes les plus répandues pour évaluer les impacts environnementaux, on peut citer l’évaluation de l’impact environnemental (Environmental Impact Assessment – EIA) et l’analyse du cycle de vie (Life Cycle Assessment – LCA). Bien que différentes, ces méthodes ont en commun notamment l’analyse de la durée du processus et l’utilisation de l’énergie. Les technologies de fabrication additive peuvent avoir deux types d’impacts sur l’environnement : en premier lieu la consommation d’énergie pour la production et la transformation de la matière première, et en deuxième lieu les pollutions qu’elles peuvent provoquer à court, moyen et long terme sur l’environnement.

Nous nous focaliserons, dans ce qui suit, sur le volet énergétique de l’analyse de la durabilité et du cycle de vie pour la fabrication additive, à savoir la consommation d’énergie, en la comparant avec la fabrication conventionnelle.

Consommation d’énergie dans le secteur industriel

La consommation mondiale d’énergie primaire s’élève à 14,3 Gtep (Milliards de tonnes équivalent pétrole) en 2018. C’est deux fois plus qu’en 1978 (7,0 Gtep), soit une croissance annuelle moyenne de 1,8 % avec un léger ralentissement sur la dernière décennie (+ 1,5 %). En Asie, le rythme de croissance moyen annuel entre 1978 et 2018 est très élevé (+ 3,7 %). L’Asie représente 41 % de la consommation mondiale en 2018, contre 20 % 40 ans auparavant, malgré un ralentissement de la croissance depuis 2013. En 2018, l’Europe, l’Amérique du Nord et la Russie représentent 38 % de la consommation mondiale d’énergie primaire, contre 67 % en 1978. La consommation y a toutefois globalement crû depuis 40 ans, à des rythmes moyens de 0,2 % par an en Europe et en Russie, et 0,5 % par an aux États-Unis et au Canada.

En France (Figure 2), les consommations d’énergie sont très inégalement réparties suivant les différents secteurs industriels. Les usages sont de plus très concentrés sur quelques-uns d’entre eux. En effet, 1 % des sites industriels consomment deux tiers de l’énergie. Les secteurs les plus consommateurs restent la chimie, l’agroalimentaire, et la sidérurgie avec des profils de consommation relativement différents.

Consommation d’énergie en fabrication additive métallique

Le cycle de vie simplifié en fabrication additive (Figure 3) est divisé en quatre étapes majeures, de l’extraction à la transformation de la matière première en passant par la fabrication et l’usinage puis par l’usage, pour aboutir à la fin de vie et au recyclage si possible.

Il est important de noter que, pour une analyse efficace, nous devons considérer l’ensemble du cycle de vie de la fabrication et observer que l’utilisation de l’énergie intervient tout au long de ce cycle de vie, dont la plus grande partie au moment de l’extraction de la matière, à hauteur de 45% de la consommation globale, puis 30 % pour la fabrication et le traitement thermique et enfin 20 % pour le recyclage et 5 % environ pour la distribution et le stockage. 

Dans la cadre de la transition énergétique, la France prévoyait les objectifs suivants en termes de réduction de la consommation d’énergie par rapport à 2012 :

• Consommation finale d’énergie : – 7,5 % en 2023 et – 16,5 % en 2028 ;
• Consommation primaire de gaz naturel : – 10 % en 2023 et – 22 % en 2028 ;
• Consommation primaire de pétrole : – 19 % en 2023 et – 34 % en 2028 ;
• Consommation primaire de charbon : – 66 % en 2023 et – 80 % en 2028.

Consommation d’énergie pour la transformation des minerais

Les matières premières utilisées dans la fabrication additive métallique et l’usinage impliquent tous deux le même processus initial : le minerai est extrait et traité, puis le métal est coulé en lingot puis atomisé en cas de besoin en poudre. L’énergie consommée dans ces premières étapes doit ainsi être connue pour pouvoir calculer l’impact de cette transformation sur le cycle de vie. Les poudres métalliques par exemple peuvent être produites par une large gamme de techniques comme l’électrolyse, l’atomisation, les procédés chimiques et la fragmentation mécanique. Parmi ces procédés de transformation, l’atomisation est la plus utilisée et comprend généralement trois étapes : la fusion des matières premières, l’atomisation des produits intermédiaires et la solidification des poudres métalliques résultantes.

La consommation moyenne d’énergie pour le processus d’atomisation dépend du matériau appliqué (Tableau 1), rapporté en kWh/kg.

Un autre élément quantifiant les dépenses énergétiques pour la transformation des matériaux métalliques est l’énergie intrinsèque, c’est-à-dire la quantité d’énergie consommée lors du cycle de vie d’un matériau ou d’un produit depuis l’extraction et la transformation des matières premières nécessaires à sa production jusqu’à son recyclage, en passant par sa fabrication, son transport, son utilisation et son entretien. À l’exception notable de la phase d’utilisation, cette énergie est souvent une entité inconnue ou indirectement connue, au contraire de l’énergie liée à l’utilisation, que le consommateur connaît, ou peut connaître aisément. En cumulant l’ensemble des énergies consommées sur l’ensemble du cycle de vie, on peut prendre la mesure du besoin énergétique réel de transformation.

Consommation d’énergie par technologie additive métallique

La consommation totale d’énergie en fabrication additive métallique comprend l’énergie intrinsèque de transformation, l’énergie de fabrication fournie par le moyen d’apport en énergie, tel que le laser ou l’arc électrique et l’énergie secondaire utilisée pour le fonctionnement de la machine et du système. Les équipements de mise en route tels que les appareils de chauffage, les refroidisseurs, les pompes, les moteurs nécessaires pour le fonctionnement de la machine utilisée dans la fabrication contribuent principalement à augmenter la consommation globale d’énergie.

En effet, les principales technologies de fabrication additive métallique peuvent être classifiées par la nature de l’apport énergétique et également par le type de matière première. Elles sont généralement les diviser en deux catégories : les technologies utilisant de la poudre métallique et les technologies utilisant du fil métallique (Figure 4). La consommation d’énergie pendant le processus d’impression est estimée par l’énergie consommée pour imprimer une masse spécifique du matériau (kWh/kg), également appelée consommation d’énergie spécifique (SEC pour Specific Energy Consumption).

La Figure 5 montre la consommation d’énergie pour différents procédés de FA métallique utilisant de la poudre métallique et du fil, y compris le procédé Binder Jetting Powder (BJP), basé sur le frittage de la poudre métallique par ajout de liant et les procédés Bound Metal Deposition (BMD) et Metal Fused Filament Fabrication (FFF), qui est une technique de MarkForged basée sur le dépôt de filaments de poudre préalablement mélangés avec un liant. Les données du graphique comparent les procédés cités avec de la fusion du lit de poudre et le dépôt de fil sous énergie concentrée pour deux nuances : un acier à outils et un titane.

Sur la base de ces données, les procédés Binder Jetting et Metal Fused Filament Fabrication consomment beaucoup moins d’énergie que le DED (Direct Energy Deposition) et le LPBF (Laser Powder Bed Fusion). Il est à noter que la consommation d’énergie de DED fil est 4 fois moindre que la consommation énergétique en fusion sur lit de poudre ; ceci est expliqué par la relation entre la vitesse de l’impression et la consommation d’énergie secondaire (de fabrication). En effet, l’épaisseur de la couche de dépôt du procédé LPBF varie en moyenne entre 30 à 80 micromètres, alors que l’épaisseur de dépôt de couche de DED peut atteindre plus de 500 micromètres. En conséquence, la vitesse d’impression du procédé fusion su lit de poudre (LPBF) est bien inférieure à celle du DED à fil.

Même si la puissance de la source d’énergie DED peut être supérieure à celle du LPBF, la consommation d’énergie de cette dernière est très élevée dû au temps d’impression : à titre d’exemple, un laser de 500 W de puissance pourrait consommer environ 4000 W d’énergie secondaire de fonctionnement et d’impression. Il est important de noter que dans l’ensemble, les procédés utilisant le dépôt de fil sont beaucoup plus rapides que les procédés utilisant la poudre (en projection ou en lit de poudre). Cependant, si l’on compare la fabrication conventionnelle à la fabrication additive comme l’indique la figure 6, la consommation d’énergie liée au process de fabrication additive est comparable à celle par usinage mais elle reste toujours supérieure à l’énergie de transformation des procédés conventionnels.

En somme, le bon classement de la fabrication additive ne doit pas laisser de côté la considération du bilan énergétique global, de la matière première à la pièce finale. Néanmoins, le bilan énergétique globale en termes d’énergie intrinsèque, d’énergie de transformation, d’énergie liée au post-traitement serait à étudier plus précisément afin de pouvoir le comparer à ceux des procédés à hautes températures que sont la fonderie et la forge. Dans ces deux procédés, il faut chauffer considérablement la charge jusqu’à sa fusion dans un cas et jusqu’à obtenir une déformation plastique suffisante dans l’autre. De même pour l’usinage, l’énergie utilisée pour élaborer le brut d’usinage est perdue à proportion de la quantité de copeaux produits, jusqu’à 95 % de la masse du brut dans les cas extrêmes d’usinages complexes.

La consommation d’énergie est un aspect important de l’impact environnemental de la fabrication additive métallique. La fabrication additive métallique utilise des machines qui nécessitent de l’énergie pour fonctionner et la consommation d’énergie peut varier en fonction du type de matériau utilisé, de la taille de la pièce fabriquée et du type de machine utilisée.

La fabrication additive peut offrir des avantages en termes d’économie d’énergie à long terme en permettant de produire des pièces plus légères, plus efficaces et plus durables.

Il existe plusieurs moyens pour réduire la consommation d’énergie en fabrication additive métallique :

• Utiliser des matériaux plus efficaces énergétiquement pour la fabrication ;
• Utiliser des machines plus efficaces énergétiquement ;
• Utiliser des procédés de fabrication qui nécessitent moins d’énergie pour fonctionner.
• Optimiser les paramètres de fabrication pour réduire la consommation d’énergie ;
• Utiliser des systèmes de récupération d’énergie pour réduire les coûts énergétiques.

En résumé, l’analyse du cycle de vie est une méthodologie qui prend en compte toutes les ressources entrantes et sortantes associées à un produit ou à un processus sur l’ensemble de son cycle de vie. Les dépenses et les coûts énergétiques (l’énergie intrinsèque) peuvent être calculés à l’aide de cette méthode qui se décompose en 5 grandes familles :

• Coûts énergétiques liés aux transformations du matériau,
• Coûts énergétiques liés à la fabrication,
• Coûts énergétiques liés au transport et à la distribution,
• Coûts énergétiques liés à l’usage,
• Coûts énergétiques liés au recyclage.

Afin d’optimiser ces coûts, il est important dans le cadre d’une démarche d’analyse de cycle de vie, de se concentrer sur ce qu’il est possible de minimiser ou de l’optimiser pour arriver à une démarche de fabrication dite « verte ».

En effet le diagramme d’Ishikawa (Figure 7) adapté permet de cerner les moyens et les actions à entreprendre afin de réduire le coût et la consommation énergétique globale. Il est important de noter que ce diagramme pourrait être plus exhaustif en termes des moyens d’optimisation de la consommation énergétique.

Conclusions

L’évaluation de l’efficacité d’un moule de fonderie sous pression par exemple dépend de sa productivité et de la qualité de ses composants. La proximité des canaux de refroidissement détermine l’efficacité du refroidissement. Même une légère variation de la distance entre deux canaux de refroidissement peut entraîner une dissipation de chaleur inégale, entraînant une augmentation du temps de cycle, des risques de retassures, un gauchissement des pièces ou encore une durée de vie réduite de l’outil en raison des contraintes thermiques et des contraintes internes des pièces. Le refroidissement prend une part importante dans l’optimisation du temps de cycle et surtout dans la réduction du coût énergétique associé. En effet, le Conformal Cooling permet de réduire le temps de cycle, jusqu’à 70 % dans certains cas et permet également de se passer du refroidissement à l’eau, en allant vers des solutions de refroidissement à l’huile et/ou utilisant un refroidissement par microjet cooling.

Ainsi, le Conformal Cooling par fabrication additive peut présenter un certain nombre d’avantages pour la durabilité et pour la réduction du coût énergétique des systèmes, notamment :

• Une réduction de la consommation d’énergie : le Conformal Cooling permettant une élimination plus efficace de la chaleur, le temps de refroidissement global peut être réduit, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie du processus.
• Une réduction de la mise en rebut : lorsque les pièces se gauchissent ou se déforment en raison d’un refroidissement mal géré, il peut être nécessaire de les mettre au rebut, ce qui entraîne un gaspillage de matériaux et surtout augmente la consommation d’énergie intrinsèque par le recyclage. En réduisant le gauchissement, la déformation et les défauts de santé matière, le Conformal Cooling peut contribuer à réduire la quantité de matériaux gaspillée.
• Une empreinte carbone plus faible : la fabrication additive est connue pour être plus durable que les méthodes de fabrication traditionnelles, mais la consommation d’énergie pendant le processus d’impression contribue toujours à l’empreinte carbone du processus. En réduisant la consommation d’énergie, le Conformal Cooling peut contribuer à réduire davantage l’empreinte carbone associée à la fabrication additive.
• Une amélioration de la qualité des pièces : le gauchissement et la déformation peuvent conduire à l’obtention de pièces qui ne répondent pas aux spécifications souhaitées. Le Conformal Cooling peut contribuer à garantir que les pièces soient imprimées aux bonnes dimensions, ce qui peut améliorer la qualité globale du produit final.

Ainsi, le Conformal Cooling est une technique qui peut contribuer à améliorer la durabilité de la fabrication additive en réduisant la consommation d’énergie, les déchets de matériaux et l’empreinte carbone, mais aussi en améliorant la qualité du produit final.

Article paru en Mars 2023 dans la revue Forge et Fonderie sous le titre «Approche durabilité en fabrication additive métallique – Focus sur la consommation d’énergie et les moyens d’optimisation avec étude de cas : Conformal Cooling ».

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