Fabrication additive

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Un Concept Révolutionnaire propulse l'industrie dans une amélioration continue.

1) PRESENTATION

Le marché des imprimantes 3D connaît une demande accrue sur le secteur manufacturier dans certains pays industrialisés, comme les Etats-Unis et l’Allemagne. L’adoption de l’impression 3D dans le secteur des machines industrielles augmente, avec un taux de croissance qui devrait atteindre 20,6% en 2022. L’aérospatial et la défense devraient suivre. Le secteur médical connaîtrait la plus rapide croissance du marché de l’impression 3D, grâce à de nombreuses innovations concernant notamment l’orthopédie et les implants. Les dernières tendances annoncent une accélération de la croissance du marché sur les cinq prochaines années avec une hausse des applications verticales, une consolidation croissante du marché et l'augmentation de la demande de personnalisation et de production de masse. La croissance des investissements dans le domaine de la fabrication additive, le comportement d'achat des acheteurs sur Internet, les avantages de l'impression par rapport à la fabrication traditionnelle sont les facteurs clés qui font que ce marché est en pleine expansion.

L’impression 3D Fusion Sélectif par Laser, traduit de l’anglais Selective Laser Melting (SLM), est une technique de fabrication additive capable de produire des pièces métalliques grâce à un laser haute puissance fusionnant une poudre métallique. Ainsi, la première étape de la fabrication par frittage sélectif par laser est la conception assistée par ordinateur ou la numérisation d’une forme réelle (rétro-ingénierie) dans les trois dimensions de l’espace.

La deuxième étape consiste à découper le modèle numérique en couches. Cette étape peut se diviser en deux : il faut d'abord déterminer la meilleure direction de fabrication de la pièce, puis définir l’épaisseur des couches désirées. La meilleure direction de fabrication doit prendre en compte l’anisotropie (le fait qu'un matériau présente des caractéristiques différentes selon son orientation dans l'espace), des propriétés mécaniques liées au procédé et intégrer enfin l’effet de l’orientation des couches sur l’aspect des surfaces (contre-dépouilles).

La troisième étape est la fabrication de la pièce elle-même. Initialement, un premier conteneur est rempli du matériau en poudre (celui de gauche sur le schéma ci-dessus) tandis qu’un second conteneur reste vide (celui de droite sur le schéma). Les deux conteneurs possèdent chacun un piston, positionné vers le bas pour le conteneur plein, et vers le haut - au niveau de la surface de la table - pour le conteneur vide. Le procédé commence par la déposition d’une couche fine de poudre, d'environ un dixième de millimètre. À chaque aller-retour, le premier piston se lève tandis que le second piston se baisse d’un cran égal à l’épaisseur de la couche. Ensuite, un rouleau passe sur la poudre et dépose une seconde couche sur le deuxième conteneur. La couche déposée est balayée par le faisceau laser qui provoque la fusion, puis la consolidation de la poudre. Les étapes sont répétées jusqu’à obtenir la pièce solide en 3D identique au fichier CAO d’origine.

Principe d'une imprimante 3D par fusion sélectif par laser

Des débouchés prometteuses

3D Systems, Stratasys et EOS maîtrisent parfaitement cette technologie, et devraient asseoir leur maîtrise commerciale sur son usage et sa diffusion, renforçant ainsi la concurrence avec les vendeurs régionaux qui auront de plus en plus de mal à leur faire face. Dans son étude sur le marché du frittage (lien), Arizton prévoit en effet le rachat des plus petits vendeurs par ces trois acteurs plus importants.

Les trois acteurs dominants constituent ainsi un oligopole. Chacun d'entre eux règne sur un segment de marché : le haut de gamme est assuré par EOS, la grande série par 3Dsys, tandis que Stratasys conserve un marché spécifique du fait de sa technologie originale. Elle devrait davantage s’intensifier avec le développement de nouvelles innovations.

L'Amérique du Nord est le marché le plus important avant celui de l'Europe. Globalement, cette région est la plus importante pour l'automatisation industrielle. Le Japon et la Chine dominent le marché dans la région Asie-Pacifique. L'Amérique latine et les autres régions détenaient, en 2016, de faibles parts du marché mondial. Toutefois, avec l'expansion des activités de nombreux fournisseurs dans les pays du Moyen-Orient, d'Amérique latine et d'Afrique, la demande pour ces appareils augmentera dans ces régions (selon le rapport : le re-citer, avec les passages spécifiques).

2) REFLEXION SUR LORAL

Au cours de l'oral, nous avons présenté la technologie HP metal multi jet. Plusieurs questions nous ont été posées sur la technologie HP, qui a pour avantage d'être beaucoup plus rapide et moins coûteuse.

Deux points importants ont retenu l'attention des auditeurs, La technologie HP Metal multi jet et le post traitement des pièces. Tirées de plusieurs dossier de presse, comme 3D native, Echos etc.

 I) Imprimante HP Metal

La technologie à jet d’encre Multijet  optimisé pour permettre l’impression 3D couleur, le géant américain avance désormais ses pions sur le marché très convoité de la fabrication additive métallique.

Le procédé d’impression 3D métal mis au point par HP reprend le succès de sa technologie à liage de poudre pour le plastique. Après avoir étalé une fine couche de poudre métallique, un agent de liaison est projeté en fines gouttelettes pour agglomérer le matériau.

Imprimante 3D HP Metal Jet

Le procédé est répété couche après couche jusqu’à obtention de l’objet final. La différence réside finalement dans le post-traitement inspiré du MIM (Metal Injection Molding). La pièce finale est placée dans un four de frittage, de manière à évaporer le liant sous l’effet de la chaleur et fusionner les particules de métal.

La machine est annoncée au prix de 399 000 $, ce qui la place entre les technologies à dépôt de fil à bas coût de Desktop Metalet Markforged, et en dessous des systèmes à fusion laser des fabricants historiques EOS et 3D Systems.

Pièce fabriquée avec l'imprimante 3D HP Metal Jet

HP affirme que sa technologie à jet de liant sera jusqu’à 50 fois plus productive que l’existant, tout en réduisant les coûts par deux. A titre de comparaison le coût d’une pièce de la taille d’une poignée de porte de wagon de train serait de seulement 2,1 $ contre 50 $ si elle était produite avec les procédés d’impression 3D métal actuels. Selon Volkswagen qui a révélé son intention d’utiliser ce système pour produire des pièces finies dès 2019, il serait possible de produire 800 porte-clefs avec deux machines. Le constructeur automobile estime en outre pouvoir réduire de 30 à 40 % le poids de ses voitures grâce à la fabrication additive métallique. L'alliance Volksawagen et HP sur la fabrication additive metal va permettre d'améliorer la technologie.

II) Post traitement

La dernière étape est le post traitement de la pièce. Il est possible que ce soit simplement par récupération de la pièce dans le bac et élimination de la poudre non consolidée. Mais il est possible d’effectuer des traitements comme le microbillage, le soufflage, le polissage, le traitement thermique ou l’application d’un revêtement.

Sur le même thème du post-processing pour diminuer la rugosité de surface, une autre étude de l’université de Dresde sur des pièces en acier réalisées par SLM (Selective Laser Melting, frittage sélectif de poudres) a montré que, d’une manière générale, la combinaison de différentes méthodes d’abrasion (mécanique, électrolytique) conduit à de meilleurs résultats qu’une abrasion simple. A noter, c’est aussi à Dresde que l’Institut Fraunhofer IWS a mis au point un nouveau laser optique à trois faisceaux  baptisé « Coaxwire » (voir la photo), destiné aux applications 2D et 3D de différents revêtements.

Il existe plusieurs type de post traitement :

·         Sablage et micro-billage

·         Four de relaxation de contraintes

·         Post-usinage

·         Revêtements et peinture

3) CONCLUSION

Aujourd'hui la fabrication additive a besoin d'un développement de la technologie pour améliorer la cadence de production. Les points les plus importants à développer son la rapidité de fabrication et la rugosité des pièces. C'est deux points vont permette à l'industrie de l'automobile d'utilisé cet technologie pour avoir un ouverture sur la conception.

Aujourd'hui la technologie est utiliser pour des phases de prototypage et de petite série. Si cet technologie peut être utilisé pour de la grande série, elle va permette de révolutionner la conception et d'introduire plus facilement l' industrie 4.0. (expliquer exemplifier)