L’organisation du marché
Le marché de la fabrication additive est aujourd’hui parfaitement structuré. On peut approcher ce marché selon deux angles : selon la typologie des acteurs présents ou selon le circuit de production et de distribution.
La typologie des acteurs se compose :
- Des fabricants d’imprimantes : ce segment est très concentré et les principaux leaders sont américains (3 D Systems et Stratasys). Sur le marché français, le principal fabricant est le groupe Gorgé (via sa filiale Prodways). On retrouve également Emotion Tech, Lynxter. Fondé en janvier 2021 par 4 ingénieurs, Namma est un jeune fabricant basé à Bordeaux et accompagné par Unitec. L’entreprise propose une machine FDM multifonctions[1] : l’impression 3D, l’usinage CNC et le mode laser. L’utilisateur peut ainsi réaliser tout type de projet et s’appuyer sur la complémentarité de ces trois méthodes de fabrication. Il lui suffit de changer la tête de la machine. Le groupe Michelin et Fives ont créé, en 2015, un joint venture (Addup) destiné au développement et à la commercialisation de machines et d’ateliers industriels de fabrication additive métallique avec l’ambition de devenir les leaders mondiaux.
- Des développeurs de logiciels de CAO : les logiciels de Conception Assistée par Ordinateur (open source ou propriétaire) permettent de modéliser les objets ou de retoucher les scans 3D. Bien que de nombreux logiciels soient disponibles gratuitement, ceux proposant des fonctions avancées destinées aux entreprises sont commercialisés sous licences payantes. Les développeurs doivent constamment faire évoluer leurs logiciels et suivre les avancées technologiques de l’impression 3D.
- Des prestataires de services : de très nombreux services sont proposés autour de l’impression 3D : aide à la conception des fichiers 3D, prototypage rapide, impression à la demande, maintenance, formation, etc. Ces services représentent la moitié du marché de l’impression 3D en valeur. On peut citer LR3D à La Rochelle.
Handddle est une start-up accompagnée par Unitec qui propose d’accompagner les entreprises industrielles dans le déploiement et l’utilisation de la fabrication additive à des fins de production. Pour cela, le service se découpe en trois segments, reliés les uns aux autres au travers d’une plateforme de ligne de production, de la mise en place de microfactories les Smart Farms ainsi qu’un logiciel de gestion intégrée du workflow et de monitoring.
Selon le circuit de production, on retrouve :
- les réseaux spécialisés : destinés aussi bien à une clientèle professionnelle qu’au grand public qui leur sous-traitent la réalisation d’impression 3D (Matrix 3D, Cubeek 3D, etc.).
- Les services en ligne : ces services assurent la production d’objet 3D à partir de fichiers 3D transmis par Internet (Sculpteo, 3DProd, etc.). Ils proposent également des services d’aide à la conception.
- Les fab labs(ou atelier de fabrication numérique) : ce réseau de laboratoires de fabrication, partagés et communautaires, est ouvert au public (entrepreneurs, designers, artistes, étudiants, particuliers, etc.). Il repose sur le principe de la mutualisation des moyens et des connaissances.
- Les plates-formes collaboratives : sous l’impulsion de groupements professionnels, et avec le soutien de financements publics, les entreprises mutualisent leurs investissements (plate-forme UPDP initiée par le Cetim-Certec et la région Centre-Val de Loire, initiatives portées par les pôles de compétitivité, etc.).
Exemples de deux secteurs en pointe dans l’utilisation des techniques de fabrication additive
La démocratisation de la fabrication additive s’accompagne d’une explosion des secteurs d’activité qui ont recours à cette technologie à la fois pour prototyper des pièces, mais aussi pour les produire en série. Nous focaliserons notre attention sur deux principaux secteurs : la santé et l’architecture/BTP. Devenue un élément incontournable de l’usine du futur, la fabrication additive possède même ses incubateurs comme le Incubator3D qui appartient au projet DFactory de Barcelone.
La santé
L’évolution récente du secteur de la santé, qui remet au cœur des dispositifs le patient (cf. notre dossier de veille Parcours de Soins : tournant numérique de mai 2021), mise de plus en plus sur une approche multidisciplinaire combinant médecine et ingénierie. Cette approche du soin tend également à individualiser de plus en plus les traitements. Le recours au numérique et à la génomique permet ainsi d’aller vers des protocoles individualisés de soin. C’est dans cette tendance que s’inscrit le développement de la fabrication additive à des fins médicales.
La chirurgie orthopédique est l’un des domaines d’activités médicales où le recours à l’impression 3D est développé. La fabrication de prothèses et d’orthèses est ainsi facilitée grâce aux avantages de l’impression 3D. En effet, les prothèses et orthèses pour être parfaitement efficaces doivent être fabriquées sur mesure pour tenir compte des caractéristiques des patients qui en ont besoin, ce qui représente un coût non négligeable en plus des contraintes techniques de faisabilité. Grâce à l’impression 3D, des entreprises sont capables de fournir des prothèses sur mesure à des coûts plus faibles. L’entreprise allemande, Plus MedicaOT, s’est tournée vers cette technologie de pointe pour concevoir des orthèses sur mesure plus facilement, plus rapidement et avec des coûts maitrisés. Un autre avantage de la fabrication additive c’est sa reproductibilité, notamment dans le cadre des orthèses pour enfants dont la croissance rapide rend les prothèses rapidement caduques. Grâce au fichier numérique, il est possible de mettre à la bonne taille et instantanément, l’orthèse. Très récemment, la Food and Drug Administration aux États-Unis a annoncé l’approbation d’un nouvel implant imprimé en 3D, le Patient Specific Talus Spacer réalisé par Additive Orthopaedics, décrit que le premier implant 3D à remplacer le Talus, l’os astragale qui relie la jambe et le pied au niveau de la cheville. Cette première mondiale permettrait d’éviter des complications (comme l’amputation à terme) de la nécrose avasculaire consécutive à une fracture ou une lésion tissulaire prolongée. L’implant est imprimé en chrome-cobalt alliage permettant une impression parfaitement adaptée à l’anatomie du patient.
La start-up Kedzal, située à Bordeaux et accompagnée par Unitec, mise sur la fabrication additive pour proposer des covers de prothèses originales. À l’aide d’un scan morphologique, l’entreprise réalise une maquette 3D du design avant d’imprimer l’habillage de la prothèse. Le parti-pris de Kedzal est d’esthétiser et de personnaliser les prothèses des patients afin qu’elles s’intègrent parfaitement à l’esthétique voulue par le patient. Une nouvelle façon d’envisager le handicap.
La fabrication additive est également utilisée dans le cadre des implants médicaux au sens plus large. Depuis quelques années, les fabricants de matériel médical se tournent de plus en plus vers ce procédé pour proposer aux chirurgiens des implants plus perfectionnés et plus anatomiques que les implants classiques. En utilisant les techniques d’imagerie médicale (Rayons X, IRM…) et l’imagerie 3D, les professionnels sont capables d’individualiser les implants qui, souvent, ne sont pas adaptés aux patients ou aux cas de figure complexes. Les trois principaux marchés des implants sont :
– Les prothèses articulaires (comme nous venons de le voir) ou arthroplastie qui sont une chirurgie qui vise à restaurer la fonctionnalité d’une articulation par la mise en place d’une articulation artificielle. Le fabricant italien Rejoint s’est lancé dans l’impression 3D de prothèses de genou en chrome-cobalt spécifiques à chaque patient, à l’aide d’une machine de GE Additive. Pour cela, l’entreprise utilise l’intelligence artificielle pour optimiser la personnalisation des implants. Lynxter, une société française spécialisée dans la conception de machine-outil d’impression 3D s’est récemment associée avec le fabricant français Cop Chimie, spécialisé dans la chimie durable, pour proposer de l’impression 3D sur mesure de manchons de silicones destinés aux patients ayant besoin de prothèses.
– Les implants vertébraux viennent pallier les problèmes de disques lombaires usés ou retirés. La fabrication additive permet de fabriquer des disques artificiels en mixant l’impression de pièces en titane (bio compatible) et plastique PEEK, très flexible : on parle de cages et de plaques de fusion.
– Les implants traumatiques utilisés dans le cadre du traitement chirurgical de fractures, de déformations ou de tumeurs osseuses. Avec le vieillissement de la population et l’augmentation des pratiques sportives, les fractures et traumatismes explosent. Pour faire face à ce phénomène, les chirurgiens ont de plus en plus recours à la fabrication additive. Implants crâniens, implant maxillofacial, la demande est bien présente. L’entreprise lituanienne, Ortho Baltic, propose une solution biocompatible d’implants crâniens sur mesure imprimés à partir d’un alliage de titane grade 5 (qui est le grade médical), tandis que les guides chirurgicaux sont fabriqués à partir d’un polymère biocompatible. Renishaw s’est également spécialisée dans ce domaine ainsi que dans celui de la chirurgie vétérinaire qui utilise également l’impression 3D pour réparer des membres d’animaux de compagnie comme l’exemple du museau de ce bouvier qui, victime d’une tumeur, s’est vu amputer la partie supérieure. Grâce à l’impression 3D, le chien a pu survivre à l’ablation de la tumeur, ce qui n’aurait pas été possible avec une approche classique de la reconstruction faciale puisque cette partie du museau a une forme très complexe.
Toujours dans le domaine de l’implant traumatique, les dispositifs de fixation interne (plus communément appelés broche et plaque) profitent de l’impression 3D. La création de plaques parfaitement adaptées et la planification numérique du positionnement des vis permettent de mieux attacher les plaques et de réaliser des opérations chirurgicales moins invasives occasionnant moins de cicatrices, un temps de cicatrisation réduit et un rétablissement plus rapide.
Mais la fabrication additive médicale va encore plus loin. Poietis, entreprise un temps accompagnée par Unitec, propose des tissus humains bio-imprimés. L’utilisation de cellules vivantes du patient qui évoluent dans le temps — puisqu’il s’agit de cellules vivantes — fait qu’on parle avec la solution de Poietis d’impression 4D incluant la dimension temporelle. En fin d’année 2021, l’AP-HM de Marseille, qui collabore depuis plusieurs années avec la start-up pessacaise, s’est dotée d’une imprimante conceptualisée par Poietis et accessible via la plateforme de bio-impression Next Generation Bioprinting. Cette imprimante permettra d’imprimer des substituts de peau humaine d’une surface allant jusqu’à 40 cm². Elle permettra ainsi de transplanter des tissus avec un minimum de séquelles (notamment des rejets) sur des patients victimes de brulures ou des traumatismes graves. L’ambition de Poietis, qui fabrique déjà une peau Poieskin à l’attention de l’industrie pharmaceutique et cosmétique, mais aussi des follicules pileux (organe qui produit poils et cheveux) et d’élargir la gamme des tissus humains imprimables permettant ainsi d’aller encore plus loin dans l’implantation d’organes bio-imprimés.
Autre prouesse, un patient anglais a pu bénéficier, il y a quelques semaines d’une première mondiale au Moorfields Eye Hospital NHS Foundation Trust situé à Londres. L’homme en question a reçu une greffe d’un globe oculaire imprimé à partir de ses données morphologiques prélevées par scanner. L’intérêt d’un tel procédé est, bien entendu, une parfaite adaptation à la cavité orbitale du patient ainsi qu’une réduction importante des délais de fabrication et de façonnage. Par ailleurs, si la prothèse ne permet pas de recouvrer la vue, elle est importante dans la préservation des culs-de-sac conjonctivaux indispensables à la circulation des larmes. La fabrication additive peut également être utilisée pour sa fonction première : le prototypage. En médecine, cela consiste en la bio-impression d’organes. La start-up Readily3D et l’École Polytechnique fédérale de Lausanne ont créé un pancréas miniature grâce à une technique de bio-impression 3D. Cette glande artificielle pourrait servir à tester des traitements contre le diabète. Utilisant la bio-impression tomographique, les chercheurs impriment le pancréas, glande productrice de l’insuline, grâce à un biogel contenant des cellules souches. Grâce à ce pancréas bio-imprimé, « les patients n’auraient plus à tester toute une panoplie de médicaments aux effets secondaires parfois pénibles avant de trouver celui qui fonctionne », ajoute Damien Loterie, directeur de la start-up, interrogé par l’Usine Digitale. Deux ans plus tôt, Biolife4D avait annoncé l’impression d’un cœur de la taille de celui d’une souris, mais une réplique exacte du cœur humain. Pour cela, l’entreprise utilise une technique particulière : sur le plan technique, les scientifiques collectent des échantillons de sang du patient, dont les cellules sanguines sont collectées et transformées en cellules souches pluripotentes induites puis « reprogrammées » en cellules cardiaques, également appelées cardiomyocytes. Elles sont mélangées à des nutriments dans une solution d’hydrogel, pour obtenir une bio-encre permettant l’impression de couches qui fusionnent entre elles grâce à un « échafaudage de support ».
Enfin, il est impossible de faire l’impasse sur l’un des marchés les plus porteurs pour la fabrication additive dans la santé, celui de l’impression 3D dentaire. Avec un marché estimé à 930 millions de dollars d’ici fin 2025 (et un taux de croissance annuel de 17 %), ce secteur est l’un des plus actifs puisqu’il permet aux acteurs (dentistes et prothésistes) une amélioration du confort des patients et une meilleure prise en compte des particularités propres à chacun d’entre eux.
Au final, malgré la crise sanitaire qui a affecté les activités de production lors des deux dernières années, la bio-impression est un marché en croissance qui se consolide. L’élargissement de la gamme de bio-encres issues de la recherche et développement en pleine expansion laisse présager des avancées médicales majeures dans les années à venir, notamment dans le domaine de la transplantation d’organes bio-imprimés.
L’impression 3D pour la construction : une tendance plus forte que jamais
Si l’impression 3D pour la construction n’est pas à proprement parlé récente, les derniers mois ont vu une explosion des projets liés à l’habitat. Icon, start-up fondée en 2017 aux États-Unis, est d’ores et déjà une entreprise leader sur ce marché. Grâce à une impressionnante imprimante 3D d’une dimension hors norme (la Vulcan), l’entreprise est en mesure de fabriquer, en série, des maisons d’une surface de 185 m² en quelques jours. Pour cela, l’entreprise utilise une « encre » le Lavacrete, matériau dont les composants sont tenus secrets et dont les propriétés sont meilleures que celles du béton. Plus particulièrement, ce matériau aurait des caractéristiques parfaitement adaptées aux conditions météorologiques extrêmes ainsi qu’une très bonne résistance aux tremblements de Terre.
Ce sont d’ailleurs ces zones particulières qui sont ciblées en priorité par les professionnels de la construction 3D. Les préoccupations humanitaires de ces acteurs permettent de déployer rapidement des chantiers dans de nombreuses zones du globe où le besoin de logements se fait urgemment sentir. Habitat for Humanity a commencé à travailler sur une maison unifamiliale imprimée en 3D en Arizona pour répondre à cette problématique. Cobod a pendant ce temps-là imprimé des maisons en Inde, en Allemagne ou en Floride. 14trees, implantée en Afrique, utilise l’impression 3D pour lutter contre le fléau de la crise de l’habitat sur le continent. Le projet Mvule Gardens consiste en l’impression de maisons en lotissement. L’entreprise est également la première à avoir imprimé une école au Malawi. Ce problème du mal-logement concerne également les pays du nord. Twente Additive Manufactring (TAM) et World Housing ont par exemple dévoilé leur projet de lotissement imprimé en 3D au Canada, dans l’espoir de mettre fin au phénomène des sans-abris. Enfin, en version plus design, les Italiens 3DWASP qui portent le projet TECLA ont achevé leur projet de logement durable imprimé en terre crue. Mixant matériau naturel et traditionnel à des techniques et technologies modernes, les Italiens proposent une maison à basse empreinte écologique qui pourrait, dans les années à venir, offrir une alternative aux constructions classiques encore trop consommatrices de ressources non renouvelables.
En février 2021, SQ4D a mis en vente une maison imprimée en 3D dans l’État de New York aux États-Unis. La célèbre Fibonacci House de TAM est également devenue officiellement la première maison imprimée à être répertoriée sur Airbnb.
D’autres secteurs d’activités ont recours à la fabrication additive : le design avec, par exemple, les brosses à mascara de Chanel ou les bijoux de Caroline Auraix. L’automobile est également friande d’impression 3D. L’alimentation est un autre domaine dans lequel l’impression 3D gagne du terrain grâce aux solutions d’encres alimentaires comme le propose notamment Tridifoodies avec ses goodies alimentaires fabriqués à façon. L’agriculture est un secteur balbutiant en matière de fabrication additive, mais qui pourrait tirer parti, dans les années à venir, des progrès notamment dans la conception 3D de drones ou dans la fabrication à la demande de pièces de rechange. Pourtant, certains projets voient le jour comme celui de la start-up Hiive qui propose la conception par impression 3D de cavités au cœur desquelles les abeilles mellifères viennent habituellement faire leurs ruches. Ces cavités vont permettre aux colonies d’abeilles mellifères de retrouver un habitat sain qui était en voie de disparition des campagnes françaises.
Économie circulaire, durabilité et fabrication additive
Comme nous l’avons vu précédemment, l’un des avantages de la fabrication additive est l’économie réalisée concernant les matières premières. Contrairement à l’usinage classique qui part du bloc pour tailler jusqu’à obtenir la forme requise, l’impression 3D utilise la quantité juste nécessaire de matière pour fabriquer l’objet. En ce sens, elle permet d’économiser des ressources parfois très couteuses aux professionnels. Moins de matières premières et moins de déchets, la fabrication additive trouve toute sa place dans ce que l’on appelle l’économie circulaire. Il s’agit là d’un enjeu majeur pour les années à venir. C’est le rôle que s’est assigné la AMGTA (Additive Manufacturer Green Trade Association), initiative lancée en 2019. Cette association internationale a pour but de promouvoir une approche responsable de l’impression 3D, en axant sa communication sur les professionnels, les industriels et le grand public. L’objectif est de généraliser le recours à l’impression 3D (quand cela est possible) afin de réduire l’empreinte environnementale de la production et de favoriser le recyclage et l’économie circulaire.
Cependant, tous les matériaux ne sont pas réputés durables. Les plastiques, plus particulièrement, peuvent être montrés du doigt. Le Strategic Research Council de l’Académie de Finlande a financé un projet de recherche et développement, nommé ValueBioMat, avec parmi ses objectifs, celui de réfléchir au développement de plastiques durables pour l’impression 3 D. Parmi les autres projets de recherches du Conseil, l’un concerne l’utilisation de biomatériaux, mais aussi la possibilité d’imprimer sans ajout de couches pour créer des pièces optimales avec des fibres naturelles continues. C’est l’un des paris du projet Novum, lancé en 2017 et qui doit prendre fin en mars 2022. L’objectif est d’arriver à utiliser la fibre de cellulose comme intrant dans la fabrication d’isolant électrique. La cellulose a des propriétés idéales, mais s’avère très consommatrice en énergie et nécessite des milliers de moules pour isoler tous les composants existants. L’idée est donc d’optimiser l’utilisation de la cellulose par l’intermédiaire de la fabrication additive. Pour cela, une ligne pilote permettra d’améliorer considérablement l’efficacité, la productivité et la flexibilité. En outre, le remplacement du fonctionnement manuel par la fabrication automatisée permettra de réduire de 40 % le temps de travail, de 60 % les déchets, de 20 % la consommation énergétique et jusqu’à 40 % les coûts d’exploitation. D’autres initiatives ont vu le jour : l’Université de Cranfield et la Fondation Ellen MacArthur ont également signé un partenariat pour un projet portant sur la « faisabilité de la réutilisation des déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) pour l’impression 3D ». Kimya, Recyflex ou GreenGate3D proposent de leur côté des filaments issus du recyclage du plastique comme NonOilen de Fillamentum développé pour être le premier filament 100 % biodégradable dédié à l’impression 3D. Enfin, il y a quelques jours, l’Université de Bristol a annoncé avoir réussi à imprimer des pièces à partir de filaments obtenus par recyclage des masques chirurgicaux utilisés par millions (3,4 milliards de masques seraient ainsi jetés tous les jours sur la planète !).
La relocalisation des activités grâce à l’impression 3D
La crise sanitaire que nous traversons depuis deux ans aura eu comme conséquence de remettre au centre des préoccupations politiques la question de la production et de sa relocalisation. Les confinements et la fermeture des frontières auront mis en exergue la forte dépendance de l’économie française à ses partenaires commerciaux, notamment la Chine. L’une des volontés affichées alors par le discours politique était de miser sur une relocalisation des chaînes d’approvisionnement. C’est en tout cas le parti-pris de l’initiative « Relocaliser par l’impression 3D » qui milite pour un développement de la fabrication additive française à des fins de lutte contre les délocalisations dans le cadre d’une économie où la pénurie devient une composante importante. L’un des avantages de l’impression 3D est son agilité : capable de produire très rapidement des prototypes ou des pièces en petites séries, elle peut aussi, dans certains secteurs d’activités, comme nous l’avons vu, s’adapter à une demande plus forte et produire en série. En misant sur cette agilité, les promoteurs de l’initiative montrent que l’implémentation de la fabrication additive à l’échelle nationale sera gage de compétitivité. Pour conclure, nous pouvons laisser le mot de la fin à Pascale Dumas, PDG de HP France : « La fabrication additive fait partie des innovations qui peuvent et doivent permettre de reconstruire tout un écosystème industriel, social et durable en France, en recréant de la proximité dans le tissu régional. Les emplois et des économies entières pourront ainsi se déplacer au plus près des consommateurs qu’elles approvisionnent et des lieux où l’impression 3D ainsi que d’autres technologies numériques sont pleinement mises en œuvre. »
Parmi les entreprises citées dans cette note de veille, certaines sont ou ont été accompagnées par Unitec : Namma, le fabricant d’imprimantes 3D | Handdle, accompagnant d’entreprises industrielles | Kedzal, fabricant de prothèses | Poietis, proposant des tissus humains bio-imprimés | Fab’Innov, concepteur 3D de pièces
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