Quels facteurs de coût dominent la production en petite série en impression 3D métal ?
Du point de vue de la fabrication et de l’ingénierie, la structure de coûts de l’impression 3D métal en petite série diffère fortement de celle de la production de masse traditionnelle. La prédominance des coûts fixes et de mise en route sur les coûts variables de matière définit son économie. Pour les petites séries, les facteurs suivants représentent généralement la majorité des dépenses de production totales.
Principaux facteurs de coûts pour l’AM métal en petite série
1. Coûts machine et coûts d’impression
Temps machine (principal poste de coût) : Contrairement à l’usinage CNC, où le coût est lié aux trajectoires d’outil et à la complexité, le coût DMLS dépend principalement de la hauteur de construction (axe Z) et du temps de fabrication. Une machine qui tourne 100 heures représente un coût capital et opérationnel important, amorti sur toutes les pièces présentes sur la plateforme. Cela inclut l’amortissement de la machine, le maintien de l’atmosphère d’argon et la consommation d’énergie.
Préparation de la fabrication : Cela comprend les coûts d’ingénierie fixes et non récurrents (NRE) pour la préparation des fichiers, la génération des structures de support et l’optimisation de l’agencement sur la plateforme de construction. Pour une petite série, ce coût initial est réparti sur un nombre limité de pièces, ce qui en fait un poste de coût important par pièce.
2. Main-d’œuvre et équipements de post-traitement
Retrait des supports et finition initiale : C’est un processus très manuel et chronophage. Le retrait des pièces de la plaque de fabrication via Wire EDM, puis la découpe minutieuse des structures de support, requiert une main-d’œuvre qualifiée. Le coût est directement proportionnel au nombre de pièces et à la complexité de leurs supports.
Traitement thermique : Presque toutes les pièces issues de la fabrication additive métal nécessitent un traitement thermique de détente. Pour les composants critiques dans les secteurs de l’aéronautique ou des dispositifs médicaux, le pressage isostatique à chaud (HIP) est une étape obligatoire mais coûteuse, tant en termes de cycle machine que de logistique.
Usinage CNC secondaire : L’obtention de tolérances fonctionnelles et de surfaces d’assemblage nécessite presque toujours un usinage CNC. Le coût de la mise en bridage, de la programmation et de l’usinage de métal dur, tel qu’imprimé, pour une petite série, est un contributeur majeur au prix final. Cela inclut des procédés comme le fraisage CNC et le tournage.
3. Coûts matière
Coût de la poudre : Les poudres pour AM métal, en particulier les superalliages spécialisés comme l’Inconel 718 ou le titane, sont nettement plus chères que les demi-produits corroyés en raison des exigences strictes en matière de taille, de forme et de coulabilité des particules.
Taux d’utilisation du matériau : Bien que l’AM soit souvent présentée comme un procédé à faible gaspillage, les « structures de support » et les éventuelles pièces « sacrificielles » sur la plateforme sont un rebut à 100 %. Le véritable facteur d’utilisation de la matière (rapport entre le poids de la pièce finie et la poudre totale consommée) peut être étonnamment faible pour des géométries complexes fortement supportées.
4. Assurance qualité et certification
Qualification du procédé : Pour les industries réglementées, qualifier un ensemble spécifique pièce/matériau/paramètres de fabrication représente un coût NRE important.
Inspection pièce par pièce : Les petites séries nécessitent souvent une inspection à 100 %. Cela inclut des contrôles dimensionnels par MMT et des contrôles non destructifs (CND) comme le ressuage, qui demandent du temps et des techniciens qualifiés.
Documentation : Fournir une traçabilité complète de la matière et un dossier de certification pour un lot de 10 pièces engendre pratiquement le même coût administratif et de test que pour un lot de 100, ce qui en fait un facteur de coût dominant par pièce pour de faibles quantités.
Résumé des domaines de coûts
Domaine de coût | Pourquoi il domine en petite série | Stratégie d’atténuation |
|---|---|---|
Temps machine & temps de fabrication | Les coûts fixes de préparation de fabrication et de fonctionnement machine sont amortis sur très peu de pièces. | Imbriquer plusieurs pièces différentes sur une même plateforme pour partager les coûts fixes. |
Main-d’œuvre de post-traitement | Le retrait des supports et la finition sont des opérations manuelles avec peu d’économies d’échelle. | Concevoir pour l’AM (DfAM) afin de minimiser les supports et de simplifier le post-traitement. |
Usinage CNC secondaire | Forts coûts NRE pour le bridage/la programmation, combinés à la difficulté d’usinage de surfaces telles qu’imprimées. | Concevoir en limitant les surfaces critiques à usiner ; utiliser l’AM uniquement pour les géométries complexes. |
Assurance qualité | Les coûts NRE de certification et d’inspection sont répartis sur un faible nombre de pièces. | Collaborer avec le fabricant pour définir un plan d’inspection rationalisé et basé sur le risque. |
Recommandations d’ingénierie pour l’optimisation des coûts
Design for Additive Manufacturing (DfAM) : C’est le facteur le plus important. L’optimisation de l’orientation de la pièce pour minimiser les supports et la hauteur Z, ainsi que la conception d’angles autoportants, peuvent réduire drastiquement le temps d’impression et la main-d’œuvre de post-traitement.
Exploiter l’imbrication en lot : Regrouper plusieurs projets ou pièces différents dans un même job de fabrication pour mutualiser les coûts fixes élevés de fonctionnement machine et de préparation de fabrication.
Rationaliser les tolérances et l’état de surface : Spécifier des tolérances serrées et des états de surface fins uniquement lorsque cela est absolument nécessaire sur le plan fonctionnel. Chaque surface nécessitant un usinage de précision secondaire ajoute un coût significatif.
Considérer l’ensemble du flux de production : La pièce imprimée la moins chère n’a aucune valeur si elle nécessite des centaines d’euros d’usinage et d’inspection. Évaluer le coût du service tout-en-un, incluant toutes les étapes de post-traitement, pour une comparaison réelle.
