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ENSIL

MIX

LA FABRICATION ADDITIVE

Yvan PAULIAT

IUT du Limousin 2013-2014

Y.Pauliat Fabrication additive 2

LA FABRICATION ADDITIVE, une nouvelle révolution industrielle ?

I - INTRODUCTION

Après la machine à vapeur, la sidérurgie, l’électricité, l’électronique, l’informatique, la fabrication additive va-t-elle bouleverser nos vies ?

Qui a entendu parler de fabrication additive ? Cette expression n’a pas les faveurs des médias qui lui préfèrent la terminologie « impression 3D » plus simple et accrocheuse. L’impression 3D fait immédiatement penser à imprimante 3D, terme marketing inventé pour décrire un procédé de fabrication additive dans les années 90.

Comme dans une imprimante jet d’encre, des gouttelettes colorées sont projetées sur une fine couche de poudre synthétique. Les zones ainsi dessinées sont solidifiées, puis une nouvelle couche de poudre est déposée, l’impression peut recommencer. La troisième dimension est formée par la succession des couches de poudre.

Maquette de moteur monocylindre

Maquette de contrôleur

Mise en situation des

contraintes

X Y

Z

Tête d’impression jet d’encre

Pièce

Poudre support

Plateau mobile

Réservoir de poudre

Distributeur



II - LA FABRICATION ADDITIVE DANS LE CYCLE DE CREATION D’UN PRODUIT

Les technologies de fabrication additive sont issues d’un ensemble de processus regroupés sous le vocable prototypage rapide. Initialement, il vise à réaliser des maquettes ou prototypes à partir de la modélisation CAO le plus rapidement possible afin de réduire le temps de conception des nouveaux produits. Ainsi il est possible de produire la maquette d’un nouvel objet en quelques jours au lieu de plusieurs semaines avec les moyens classiques. Des procédés spécifiques ont été mis au point dans ce but, néanmoins grâce à l’amélioration continue dont ils ont bénéficié cette dernière décennie, ils sont rentrés dans la catégorie des procédés séries.

Schéma de principe du prototypage rapide

La fabrication additive est bien plus que le simple changement de signe d’une opération mathématique. Il a fallu inventer et s’appuyer sur plusieurs technologies dans des secteurs très différents comme l’informatique ou la science des matériaux pour rendre réaliste la fabrication additive.

III - LES 4 DEFIS A RESOUDRE DE LA FABRICATION ADDITIVE

Les procédés de fabrication conventionnels fonctionnent par enlèvement ou par déformation d’un volume de matière initial. Dans la fabrication additive la matière est distribuée selon la géométrie souhaitée de la pièce. Pour réaliser cette opération il faut résoudre les problèmes suivants :

Problème n°1 : l’accès

Chaque parcelle de l’ensemble à fabriquer doit être accessible pendant le cycle de réalisation.

Problème n°2 : la matière

La matière doit changer d’état pendant la distribution dans un temps très court afin de réduire le temps de fabrication.

Problème n°3 : la topologie

La totalité du volume de l’objet fabriqué doit être décrite au lieu des surfaces frontières pour les procédés par enlèvement de matière.

Problème n°4 : la précision

La distribution de matière doit être la plus fine possible pour répondre à toutes les topologies. Une précision comparable aux procédés par enlèvement de matière est souhaitée.

Objet

Acquisition de formes

Modélisation CAO Modèle numérique

Fabrication rapide Ajout de matière Enlèvement de matière

Pla

ns

Post-traitements

Maquette

Prototype ou pièces réalisées

Outillage rapide

Rev

erse

En

gin

eeri

ng



Toutes les machines de fabrication additive proposent des solutions technologiques pour répondre à ces 4 problèmes.

III -1 - ACCEDER A TOUS LES RECOINS DE LA PIECE A FABRIQUER

La résolution de ce problème apporte une grande partie de l’originalité de la fabrication additive. La méthode utilisée consiste à couper la pièce en de fines tranches parallèles : c’est la stratification.

L’épaisseur de chaque tranche dépend de la matière utilisée et donc du procédé de transformation. La valeur est comprise entre 0,02 mm et 0,5 mm.

Cas d’une pièce irréalisable par procédés conventionnels

Tranche de cette pièce

La pièce est constituée par la superposition de toutes les

tranches.

Dans la très grande majorité des procédés existants, la valeur du pas de stratification est la même

pour toutes les tranches.

La pièce finie est le résultat de la superposition de toutes les tranches fabriquées les unes après les autres. La fabrication débute par la tranche la plus basse, une fois terminée, le dispositif de distribution de matière ou le support de la pièce se déplace d’un pas de strate, un nouveau cycle de solidification peut commencer.

Dans tous les procédés de fabrication additive, la géométrie d’une tranche est une extrusion (comme dans un modeleur numérique) du profil de la strate. Les bords sont parallèles à l’axe de stratification (voir dessin ci-dessous).

L’opération de stratification est caractérisée par deux paramètres :

- L’orientation de l’axe de stratification - Le pas de stratification qui détermine la hauteur d’une strate

A retenir !



La rectitude des flancs des tranches a des conséquences sur la précision des pièces produites. Soit une pièce dont le profil est le suivant :

L’axe de stratification est l’axe de symétrie de la pièce. Si nous simulons deux hauteurs de couche

différentes nous obtenons les projections suivantes

Cas 1 – hauteur de strates = 5 mm Cas 2 – hauteur de strates = 1 mm

Dans le détail pour une hauteur de strate de 1 mm obtient le défaut suivant :

La stratification ne génère pas de défauts si la géométrie présente des faces parallèles à l’axe de tranchage. Pour tous les autres cas, il y a une erreur entre la pièce produite et la géométrie nominale.

Pour résoudre ce problème il conviendrait de réduire la hauteur de strate à la valeur la plus faible

possible en fonction du procédé utilisé. Le gain obtenu en précision se paie au prix d’un plus grand nombre de strates que la machine devra décrire. Comme dans les procédés par enlèvement de matière le temps d’exécution et inversement proportionnel à la précision obtenue !

Tranche 5 mm Tranche de 1 mm Tranche de 0,01mm



Plus la tranche est fine plus les détails de la pièce sont « aplatis » et donc réalisables simplement. Par contre le nombre de tranche est multiplié. La réalisation de tranches de faible épaisseur permet de simplifier la géométrie de chacune d’elle.

Exemple : la figure ci-dessous montre les coupes d’une aube de la pièce précédente pour des tranches de 5 mm, 1 mm et 0,1 mm.

Dans le cas de la tranche le plus fine, l’erreur de dépouille sur le profil est de 0,06 mm, soit plus faible

que la résolution de la majorité des procédés de prototypage rapide.

La stratification résout le problème d’accès à l’intégralité de la pièce mais pose de nouveaux problèmes pour la réalisation des strates dans le plan horizontal et de leur assemblage dans l’axe de stratification.

a - Problème n°1

Selon l’axe de stratification, l’empilage des tranches dont l’épaisseur peut être inférieure à 0,1 mm doit être :

- mécanisé pour assurer un positionnement constant et fiable

- automatisé pour réduire le temps de réalisation

Empilage des strates pour obtenir la pièce Exemple d’une strate

La réalisation des tranches et leur positionnement superposé doit être automatisé pour assurer une bonne qualité dimensionnelle.

b - Problème n°2

Dans le plan de stratification, selon les géométries et l’altitude des éléments non contigus peuvent être à réaliser. La création de liens entre ces morceaux de strates permettrait de garantir une précision.

Pour décrire la totalité de la géométrie de la pièce, elle est découpée en fine tranches parallèles selon un axe de stratification.

Plus les tranches sont fines plus les détails de la pièce seront finement réalisés mais en contrepartie le temps de réalisation augmente.

A retenir !



Pièce entière Strate niveau 19 Strate niveau 0

Pour le niveau 0, la strate comporte 3 éléments indépendants; pour le niveau 19, un seul élément forme la strate.

Il faut ajouter un lien entre les éléments dis-contigus.

c - Problème n°3

Les géométries des pièces peuvent conduire, lors de la stratification, à la création d’éléments dont le centre de gravité se situe au-delà des zones de contact : l’élément peut tomber.

Exemple : simulation d’une fabrication, les 4 éléments indépendants sont réalisés du bas vers le haut

Il faut étayer les éléments au fur et à mesure de la fabrication : c’est l’ajout de supports

d - Problème n°4

La décomposition de la géométrie initiale en strates d’épaisseur donnée, produit un grand nombre de nouvelles géométries qu’il faut ensuite réaliser.

Maquette numérique de la pièce Simulation de toutes les tranches

Chacune d’elle doit être fabriquée.

L’extraction de géométries doit être universelle et la plus automatique quel que soit le logiciel de création de la maquette numérique.

Création d’un outil universel d’exploitation et d’extraction des géométries des pièces

Axe de stratification

Zone d’appui

Centre de gravité

Basculement



III -2 - DISTRIBUER LA MATIERE

C’est le point clé de la fabrication additive.

Une fois n’est pas coutume, partons du résultat à obtenir pour trouver des modes opératoires à mettre en œuvre. L’objectif visé est la réalisation d’une pièce solide dont la géométrie sera conforme au modèle numérique de départ. Théoriquement tous les matériaux solides à température ambiante peuvent convenir. Néanmoins les principaux seront les alliages métalliques et de très nombreux polymères thermodurcissables ou thermoplastiques. Des matériaux bio-sourcés ont fait leur apparition sur le marché récemment (poudre de maïs, PLA par exemple).

La phase de distribution nécessite du point de vue du matériau des qualités contraires à la phase finale. Le matériau doit être sécable finement puis solidifié rapidement. Plusieurs principes physico-chimiques sont utilisables :

- Changement d’état pour des matériaux, les possibilités théoriques sont résumées dans le graphique suivant :

- Agglomération chimique à l’aide d’un adhésif déposé finement. Le matériau se présente,

initialement sous forme de poudre fine (granulométrie inférieure à 50 μm).

Synoptique de fonctionnement d’un procédé de fabrication additive :

Dans tous les procédés des traitements automatiques sont utilisés pour ajouter des liens et des supports afin de stabiliser chaque élément de géométrie des pièces.

Ces éléments doivent être retirés à la fin de la fabrication : c’est le post-traitement

Pièce finie

- solide - Fidèle à la géométrie

demandée

ETAT INITIAL

Etat initial de la matière :

- Liquide - Solide sous forme de fil - Solide sous forme de poudre - Solide sous forme de plaque

ETAT FINAL

Distribution

solidification

A retenir !



Exemples de procédés utilisés :

Fusion localisée de poudres céramiques ou métalliques à l’aide d’un Laser

solidification localisée d’un photopolymère liquide à l’aide d’un Laser ou d’une projection d’UV

Fusion d’un fil de polymère thermoplastique

+

Collage localisé d’une poudre polymère ou de maïs

Dans tous les procédés de fabrication additive la matière est distribuée selon le motif utile de chaque

strate. Les strates sont construites les unes sur les autres, l’agglomération de la matière doit s’effectuer aussi entre chaque couche de matière.

III -3 - DECRIRE LA TOPOLOGIE DES PIECES

Les procédés de fabrication classiques fonctionnent à partir d’un volume de matière initial (le brut) et de surfaces topologiques qui servent de frontière à l’enlèvement de matière. Un dessin de définition peut suffire à décrire la pièce pour permettre sa réalisation.

Plan de définition d’une pièce

Enlèvement de copeaux en tournage à partir d’un brut

dont le volume est supérieur à celui de la pièce souhaitée.

La distribution de matière s’effectue selon chaque strate à partir d’un principe physico-chimique spécifique à chaque procédé et selon la nature du matériau.

Les métaux, céramiques et polymères sont les matériaux les plus courants. A retenir !



Dans la fabrication additive le matériau doit être distribué dans les zones internes aux surfaces frontières de la pièce. Il est donc important de connaitre les surfaces frontières délimitant la pièce mais aussi la position de la matière par rapport à ces frontières. Ce problème est traité nativement par la modélisation numérique à l’aide des logiciels de CAO, grâce aux outils mathématiques utilisés. En effet on distingue deux types de modeleur numérique :

- le modèle CSG qui représente l’objet par des volumes élémentaires simples sur lesquels des opérations booléennes sont ajoutées afin de d’obtenir des volumes complexes. La notion de volume sous-entend la détermination du côté matière ;

- le modèle B-REP qui décrit la pièce par ses surfaces frontières et ajoute pour chacune d’elle une normale qui oriente le côté matière.

Exemple de modèle B-Rep

Les éditeurs de logiciels proposent des outils de modélisation volumique ou surfacique susceptibles de décrire n’importe quelle géométrie complexe. L’étape qui suit consiste à décrire les trajectoires des outils de distribution de matière en fonction du procédé, elle s’appuie donc sur le savoir-faire de l’inventeur du procédé.

Les inventeurs des premiers procédés de fabrication additive se sont trouvés confrontés au problème

suivant : les nombreux éditeurs de logiciels sur le marché ont développés des outils de modélisation avec des bases de données différentes qui ne sont pas interopérables. Il faudrait donc pour chaque fabricant de machine créer des outils de tranchage spécifiques à chaque logiciel de CAO.

L’un des pionniers des procédés de fabrication additive a développé un format de modélisation 3D basé sur la facettisation. Dans ce principe les surfaces sont décrites avec un ensemble de facettes triangulaires.

Modèle numérique

Savoir faire éditeur CAO

Base de données

CAO

Algorithmes

Géométrie

Géométrie tranchée

Parcours de distribution

matière

Pièce réalisée

Fabrication additive

Savoir faire concepteur procédé

Transmettre les données numériques

des géométries



Le résultat est un réseau de surfaces triangulaires dont seuls les sommets appartiennent aux surfaces

théoriques. Un écart est généré entre ces surfaces et les triangles. Dans la coupe ci-dessous on montre l’erreur chordale : ce critère est utilisé pour déterminer la précision du modèle facettisé par rapport au modèle natif.

Plus l’erreur chordale est faible, plus grand est le nombre de triangles et donc la taille du fichier

produit. Les dimensions de la pièce interviennent aussi dans la détermination du nombre d’entités contenues dans le STL.

Application à une surface canonique type sphère

Sphère surface

Sphère maille défaut 0,5 mm

Sphère maille défaut 0,01 mm

Ce type de fichier contient les coordonnées des 3 points par triangle ainsi que celles de la normale au plan du triangle pour déterminer l’orientation de la matière.

Exemple de contenu : solid carter mini compresseur

facet normal -9.029084e-001 -4.298330e-001 0.000000e+000

outer loop

vertex 6.752543e+000 1.274529e+001 8.340001e+000

vertex 6.648540e+000 1.296375e+001 8.340001e+000

vertex 6.752543e+000 1.274529e+001 6.340001e+000

endloop

endfacet

facet normal -9.029084e-001 -4.298330e-001 0.000000e+000

Erreur chordale L Ti

L Ti+1

Pour une erreur chordale constate dans toute la pièce, la longueur des triangles diffère :

LTI < LT1+1



outer loop

vertex 6.752543e+000 1.274529e+001 6.340001e+000

vertex 6.648540e+000 1.296375e+001 8.340001e+000

vertex 6.602067e+000 1.306138e+001 8.340001e+000

endloop

endfacet

Ce type de fichier 3D, baptisé STL (extension.stl) est l’acronyme de Standard Tesselation Language, il a été développé par la société 3D Systems pour le procédé de Stéréolithographie. Il permet de décrire n’importe quelle topologie, sans limitation de taille. Ses algorithmes relativement simples sont implémentés dans tous les logiciels de CAO, ce qui en fait un format standard dans la fabrication additive.

Le volume de l’objet est connu de la même manière que dans la modélisation B-REP grâce aux normales à chaque triangle. Ce point est important pour l’utilisation en fabrication additive afin de limiter les erreurs de géométrie. L’ensemble des triangles doit être refermé sur lui-même pour obtenir un volume fermé. Les erreurs les plus courantes des fichiers STL sont les suivantes :

Facettes dégénérées

Triangles dont au moins deux sommets sont confondus.

Facettes allongées

Triangles dont les trois sommets sont alignés (NB : ces triangles ont une forte ressemblance avec les triangles dégénérés).

Facettes doubles

Plusieurs triangles ont des sommets identiques (NB : ils seront donc superposés et apparaîtront également dans la rubrique « triangles auto-intersectés »).

Facette normale inversée

Triangles retournés par rapport aux triangles

voisins. Ce défaut se repère par des « trous » dans la pièce ou des triangles de couleur différente.

Arêtes frontières

Ces lignes représentent les bords des différents trous de la pièce.

Arêtes invalides

Ce sont les lignes orphelines : elles n’appartiennent à aucun triangle. Ceci provient de la suppression d’un triangle. Ce défaut est corrigé automatiquement.

Facettes dégénérées Facettes

allongées

Surfaces inversées

Normale

Arête correcte (2 facettes voisines)

Arête frontière (1 facette voisine)

Trou

Arête invalide (pas de facettes voisines)

Trou



Arêtes doubles

Plusieurs surfaces se raccordent sur ces lignes. Il s’agit habituellement, d’un défaut provenant de surfaces repliées sur elles-mêmes, de surfaces superposées ou de facettes doubles (dans certains cas particuliers cela ne constitue pas un défaut).

Sommets doubles

Plusieurs surfaces se raccordent sur ces points, comme pour une arête double. Il arrive, à l’instar des arêtes doubles, que ceci ne soit pas un défaut.

Facettes auto-intersectées

Ces triangles se croisent. Ce défaut provient de surfaces repliées sur elles-mêmes ou de parties de la pièce pénétrant dans d’autres parties.

Un avantage supplémentaire de la facettisation apparait lors du calcul de stratification. La découpe

du modèle STL par les plans de stratification produit des segments de droites qui sont caractérisés par des points. D’une part l’algorithme de traitement est simple et ne nécessite pas une grande puissance de calcul, d’autre part les trajectoires suivies par les têtes de distribution matière sont de type point à point donc simples à programmer.

Certains procédés proposent la fabrication de pièce en couleurs. Cette information supplémentaire

doit être intégrée dans le fichier de description de la géométrie. Sa structuration est spécifique au procédé. Initialement le format STL n’est pas prévu pour supporter ces données spécifiques.

Un groupe de développeurs passionnés travaille sur un nouveau format de fichier dédié à la description de géométries 3D. Afin de pallier à certaines insuffisances du STL, ce nouveau système baptisé AMF (Additive Manufacturing File Format) intègre les données de couleurs mais aussi de textures, et même du matériau car certains procédés peuvent faire varier les caractéristiques du matériau pour une même pièce. Actuellement, peu de logiciels CAO ont intégré une interface AMF, on peut toutefois parier que le développement va s’accélérer avec l’engouement actuel pour la fabrication additive.

Un nouveau format de description 3D : le format AMF. Il intégre : - La géométrie ; - La texture ; - La couleur ; - Le matériau ; - Des métadonnées (copyright ou auteur de la forme, etc…) - Regroupement de géométries

La description de la topologie des pièces est réalisée avec un format 3D spécifique : le STL. Il repose sur la facettisation des surfaces théoriques avec des triangles. La précision du fichier est pilotée par l’erreur chordale. Le résultat est une surface approximée des surfaces théoriques initiales. Le format STL est utilisé par tous les procédés de fabrication additive.

A retenir !

A suivre !



III -4 -LA PRECISION

Il s’agit d’un enjeu majeur pour la fabrication additive. En effet les procédés traditionnels par enlèvement de matière sont capables de produire des pièces avec une précision très importante, c’est-à-dire une erreur très faible (de l’ordre du 1/10 de micron pour les plus précis)

L’erreur de précision d’un procédé additif a pour origine les facteurs suivants :

- L’erreur de facettisation du modèle lors de la création du modèle STL ; - L’approximation dimensionnelle produite en fonction du pas choisi lors de la stratification ; - L’approximation due à la taille minimale de dépôt de matière que peut produire le procédé ; - L’incertitude de positionnement de la tête de distribution selon les plans de stratification ; - L’incertitude du positionnement du support pièce selon l’axe de stratification ; - Les déformations post-distribution selon la nature des matériaux ;

A partir de cette liste, plusieurs remarques s’imposent :

Avant même de lancer la machine de fabrication additive deux sources d’erreur sont produites, l’une pendant le calcul du format STL, l’autre avec le choix du pas de stratification qui peut dans certains cas « effacer » les détails de la pièce initiale.

D’autres erreurs sont produites par la machine elle-même comme dans une machine à commande numérique conventionnelle. L’amplitude et d’autant plus importante que l’offre sur le marché balaie un champ très large avec des prix de vente compris entre 400 euros à plus de 1 million.

Des erreurs spécifiques à la fabrication additive sont produites pendant la distribution et après la solidification. Certaines sont proches, sur le principe, des problématiques connues en injection plastique notamment. Ce sont des déformations post moulage.

a - Les erreurs pré-traitements

La facettisation génère des erreurs de géométrie, des détails de la pièce sont perdus dans l’assemblage des facettes. Décrire une surface concave ou convexe à l’aide de plans même de petites tailles fait perdre la courbure locale pour la remplacer par une suite de plans reliés les uns aux autres

Dans l’exemple ci-dessus, La triangulation modifie sensiblement la forme originale de la surface.

Il est toujours possible avec une erreur chordale faible de minimiser la perte de détails jusqu’à un seuil où l’incertitude de distribution de la matière devient prépondérante.

Il convient d’adapter l’erreur de facettisation aux caractéristiques topologiques et de la pièce. Il n’y a pas de valeurs moyennes à choisir mais une analyse au cas par cas.

La stratification génère une nouvelle erreur car la distribution de matière est homogène sur chacune des tranches, or selon l’évolution du profil local de la pièce la divergence sur les bords des strates peut être importante avec pour résultat une erreur de profil.

Triangle STL Surface

Surface Triangle au-dessus de la surface

Triangle en dessous de la surface



Sur cette figure, l’évolution du profil sphérique est reproduite par les différentes strates qui peuvent être évaluées comme des tranches cylindriques. Chacune d’elle est calculée au plus juste par rapport au profil théorique. Néanmoins une erreur subsiste entre les profils théorique et pratique, proche du milieu elle est faible plus on se rapproche du pôle plus elle augmente.

Dans la première figure le pas de stratification est égal à 5% de la taille de la pièce. Pour un ratio de 1% le résultat est le suivant :

b - Erreurs spécifiques aux procédés additifs

Ces erreurs sont intimement liées à la technologie du procédé de distribution. Elles peuvent se révéler dans le plan de stratification (erreur XY) ou selon la direction de l’axe de stratification (erreur Z).

Pour le premier cas chaque procédé distribue une la matière selon une taille minimale (quelques dixième de millimètres). Cette donnée implique que les dimensions réalisées dans le plan XY soient des multiples de cette valeur.

La taille minimale est déterminée par le moyen de distribution de matière :

- tâche de focalisation d’un faisceau laser (de 0,2 à 0,5 mm) ; - diamètre de la buse d’extrusion d’un fil polymère (0,25 à 0,5 mm) ; - taille des buses de projection de cire ou de photopolymère (0,1 à 0,2 mm)

Des paramètres supplémentaires peuvent aussi influencer la taille minimale, l’étude des principaux procédés de fabrication additive apportera les informations complémentaires.

Selon Z, l’erreur est produite par l’addition des dispersions de la formation de chaque couche. Elles sont dues à des phénomènes thermiques ou chimiques lors du changement d’état du matériau lors de la

Cmini

Y=5

xC

X

Volume mini

produit

Exemple de parcours d’une

strate

Profil théorique pièce

Zone de faible erreur

Hauteur strate

Zone de forte erreur



solidification. Des concepteurs de procédés ont ajouté des unités de fraisage pour ajuster finement l’erreur Z.

Exemple d’erreurs possibles :

Soit un procédé avec un pas de stratification de 0,2 mm et une dispersion de 0,5% par pas. L’erreur pour un pas est au minimal de 0,199 ou de 0,201. Pour une pièce de 100 mm, il faut au minimum 100/0,2 = 500 couches. Soit une cote de hauteur de 500x0,199 = 99,5 mm au mini et 500x0,201 = 100,5 mm.

On obtient donc la cote suivante : ce qui traduit en indice de qualité donne 14 c’est-à-dire moins bien que le perçage d’un bloc métallique avec un foret !

Exemples complémentaires H pièce 50 50 50 100 200 50 100 200

H strate 0,1 0,2 0,5 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

N strates 500 250 100 1000 2000 500 1000 2000

Erreur 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,1 0,1 0,1

Erreur mm 0,0003 0,0006 0,0015 0,0003 0,0003 0,0001 0,0001 0,0001

H strate min 0,0997 0,1994 0,4985 0,0997 0,0997 0,0999 0,0999 0,0999

H strate max 0,1003 0,2006 0,5015 0,1003 0,1003 0,1001 0,1001 0,1001

H pièce min 49,85 49,85 49,85 99,7 199,4 49,95 99,9 199,8

H pièce max 50,15 50,15 50,15 100,3 200,6 50,05 100,1 200,2

IT 0,3 0,3 0,3 0,6 1,2 0,1 0,2 0,4

L’erreur totale ne dépend pas du nombre de strates si l’erreur dimensionnelle est proportionnelle à sa hauteur. Il est donc possible de multiplier les strates afin de diminuer l’erreur d’interprétation géométrique.

c - Les erreurs dues aux machines

Ces erreurs ne sont pas spécifiques aux procédés additifs, elles existent aussi dans les machines d’usinage. Les efforts nécessaires pour ces opérations sont très élevés ce qui engendre des déformations pièces, outils et porte pièces. Néanmoins ces machines sont conçues en conséquence avec des bâtis et guidages rigides au prix d’une masse très élevée.

Pour les procédés additifs, il faut distinguer les machines à vocation professionnelle et celles destinées aux amateurs ou utilisateurs intermittents. Dans le premier cas les précisions sont élevés (0,01 mm pour les meilleures) ainsi que les prix, pour les secondes avec des prix d’achats inférieurs à 4000 euros les guidages sont peu rigides et les asservissements simplifiés (précision 0,1 mm au mieux)

IV - QUELS SONT LES AVANTAGES DE LA FABRICATION ADDITIVE SUR LES AUTRES PROCEDES ?

Pour comprendre il faut repartir du principe de la fabrication additive : déposer la matière où elle sera utile. Toutes les zones de la pièce sont accessibles pendant la durée du cycle de fabrication, il est

Les principaux facteurs qui influencent la précision de réalisation des procédés additifs sont :

- L’utilisation du format facettisé STL avec le choix des paramètres associés ; - L’association du pas de stratification et des caractéristiques géométriques de la

pièce ; - La technologie de distribution du matériau et les conditions de solidification

associées ; - Les imprécisions intrinsèques des machines.

A retenir !



donc possible de réaliser des trous carrés ou des perçages à angle droit. Si ces exemples de géométries représentaient l’inconcevable du point de vue du mécanicien, au-delà de cette spécialité de l’ingénierie, la fabrication additive offre des perspectives étonnantes dans de très nombreux secteurs. Les secteurs qui utilisent la fabrication additive :

Composants électriques et électroniques grand public

Boitiers, conditionnements, luminaires…

Automobile

Pièces mécaniques, Pièces esthétiques…

Aéronautique

Maquettes, pièces mécaniques…

Médical

Prothèses, reproductions 3D du corps

Luxe

Flaconnage de parfumerie, bijouterie, emballage luxe

Architecture

Maquettes, bâtiment ?

Industrie plasturgie

Jouets, lunettes,sport…

Habillement

Chaussures, habits,…

Agro-alimentaire

Pizzas, sucre, chocolat…

Fabrication additive



Un autre secteur développe des procédés encore plus étonnants car il concerne des « objets » très complexes non pas créés par l’homme mais par la nature : c’est le domaine du vivant. Des annonces récentes rapportent les résultats des travaux de recherche de laboratoires qui développent des imprimantes de cellules permettant de fabriquer des organes vivants comme des reins. Nous n’en sommes qu’aux balbutiements car de nombreuses difficultés techniques et éthiques se posent. Les réponses seront certainement délicates à apporter et réclameront du temps.

Avant de pouvoir fabriquer des pièces détachées pour le vivant qu’il soit humain ou animal, la fabrication additive permet-elle de produire des composants ou objets utiles dans la vie de tous les jours ? Si nous nous en tenons aux promesses de la fabrication additive, le champ des possibles est immense voire sans limite. Alors imprime-t-on des roulements, des smartphones, des voitures, des vêtements sur mesure ? La réponse est étonnamment simple et peu risquée : oui et non !

Oui car des machines permettent de fabriquer des roulements avec toutes les billes en place sans montage mais non car ils ne supportent pas la moindre charge ni des centaines de tours ! Des smartphones, impossible aujourd’hui de produire du verre en fabrication additive ou certains composants électroniques. Des voitures, oui mais des maquettes de salon, même pas roulantes. Par contre des éléments tels que des planches de bord ou des éléments de carrosserie sont réalisés couramment. Pour les vêtements, les technologies progressent mais encore cantonnées dans certains défilés de modes ou opérations de communication de grandes marques ou entreprises à la recherche des fonds d’investissement.

Au travers de ces exemples il faut évaluer ce que l’on veut fabriquer : une maquette de style posée sur une étagère ou une pièce de rechange pour un réacteur d’avion. Dans le premier cas, le coût et le temps de réalisation sont importants, dans le second c’est la fiabilité et la résistance technique qui priment. Veut-on faire une unité de démonstration ou une série de pièces identiques avec une cadence élevée ? Ces caractéristiques sont utiles pour déterminer les capacités des procédés de fabrication additive.

Articulation panneau pour satellite (Thalès)

Structure complexe design

(Phenix System)

Plateau série de pièces (Phenix System)

V - QU’EST-CE QU’UN PROTOTYPE ?

V -1 - DEFINITION

Premier, exemplaire, modèle original, premier exemplaire construit d’un ensemble mécanique, d’un appareil, d’une machine, destiné à en expérimenter les qualités en vue de la construction en série.

Cette définition tirée du Larousse, permet de saisir le sens global du terme, mais de manière plus précise, l’industrie utilise des prototypes qui ne sont pas forcément toujours et seulement le premier exemplaire d’une série.



V -2 - CLASSEMENT DES PROTOTYPES

a - Modèle de conception

On parle plutôt de maquette, elle est destinée à vérifier par le volume les formes, l’équilibre, d’un dessin qui n’est qu’une représentation plane. La maquette est réalisée à un facteur d’échelle qui n’est pas obligatoirement la dimension réelle.

Dans de nombreux domaines surtout liés au design, elle est primordiale et loin de disparaître. L’automobile, l’électroménager, toutes les industries de l’objet travaillent avec la maquette, qui sert d’ailleurs de base pour la numérisation, c’est à dire l’exploitation informatique. C’est le relevé de points.

Il faut noter que la maquette est toujours réalisée avec des matières malléables (plâtre, pâte à modeler, résine spéciale…).

Exécution sur matériau spécifique (Clay) de maquettes à différentes échelles.

b - Le prototype géométrique

Ce prototype est utilisé pour vérifier si les dimensions de la pièce sont compatibles avec son montage dans l’environnement du système.

Cette application est en voie de disparition car la CAO est capable aujourd’hui de traiter l’implantation complète de mécanismes.

Le prototype dimensionnel devient modèle pour la réalisation de pièces de fonderie.

Le modèle est souvent réalisé en résine ou en bois

c - Le prototype fonctionnel

Il est destiné à être testé, notamment du point de vue résistance.

Il est donc réalisé dans la matière définitive du système, et en respectant les côtes du bureau d’étude.

d - Le prototype technologique

Il a pour but de vérifier le bon fonctionnement d’un système. Le terme prototype est trop restrictif car en fait il s’agit d’un système prototype comportant de nombreuses pièces. En général, les matières sont celles envisagées en série, les moyens de production sont spécifiques au prototype.



V -3 - CONCLUSIONS

Tous ces prototypes peuvent être utilisés pendant l’étude d’un projet, ils se complètent. Ils se suivent dans l’ordre chronologique de l’étude.

Ils font tous appel à des procédés d’obtention assez éloignés des moyens utilisés pour la série.

Propriétés Fonction au cours du dév.

Ord

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uit

Modèle de conception

Tout matériau (peu cher)

Qualités d’esthétique

- rendu physique de la pièce

- tests d’ergonomie

- étude de marché

- définition des options technologiques

Prototype géométrique (1 pièce)

Matériau bon marché, bonne résistance

Géométrie exacte

- faisabilité

- tests d’emballage

- modèle pour moule et outillages de production

Prototypes fonctionnel

(2 à 5 pièces)

Matériau proche matière

Fonctions de base

- tests fonctionnels

- montabilité

- conception des outils et outillages

Prototype technologique

(5 à 50 pièces)

Matériau bonne matière voire proche bonne matière

- validation et choix et moyens de fabrication des opérations de production

- fabrication des outils et outillages

Pré-séries (jusqu’à 500 pièces)

Bonne matière

Réalisé avec le procédé de fabrication série

- détermination et validation des paramètres du process

- Premiers tests

- Mise en place et réglage de l’outil de production série

Les procédés additifs visent aujourd’hui la production petite série (maxi 1000 pièces / an). Les deux grands constructeurs aéronautiques réalisent des éléments d’habillage de cabine avec ces outils. L’étape à suivre concerne l’augmentation des cadences et surtout l’ouverture vers des matériaux plus nombreux et plus techniques dont les propriétés mécaniques, thermiques vont permettre révolutionner la conception. Toutefois il est difficile de prévoir l’avenir dans ce secteur, seules quelques tendances semblent se dessiner. Pour les anticiper il est important de connaitre l’état actuel de ces technologies ainsi que l’historique de leur développement.

VI - LES TECHNOLOGIES UTILISEES EN FABRICATION ADDITIVE

VI -1 -HISTORIQUES DES DEVELOPPEMENTS

Les premiers brevets datent du début du siècle, ils ont participé à l’aboutissement des technologies connues aujourd’hui. On trouve à l’origine des procédés de prototypage, deux technologies : la topographie et la photosculpture.

a - Topographie

En 1890 Blanther proposa une méthode à base de couches pour réaliser un moule destiné aux cartes du relief topographique. Les lignes de ces contours étaient imprimées sur des plaques en cire, puis découpées selon ces tracés avant d’être superposées puis lissées. Il était alors facile d’obtenir aussi bien



les formes positives que négatives. On obtenait grâce au pressage d’une feuille de papier spécial entre les deux formes une carte en relief. Cette méthode a eu des dérivés en feuille de carton en 1940.

En 1972 Matsubara de Mitsubishi Motors proposa un procédé basé sur des matériaux photosensibles pour obtenir des moules de fonderie. Il utilisait des résines photopolymères et des particules réfractaires, qui à l’aide de masques et de projection lumineuse étaient solidifiées couche par couche. Le moule était constitué par l’assemblage de ces fines couches.

En 1974 Di Matteo proposa d’utiliser ces techniques pour produire des surfaces délicates à fabriquer avec des techniques standards. Exemple : hélice, profils d’ailes, cames tridimensionnelles, formes d’outillages de presses (plaques métalliques détourées par fraisage et assemblées par collage et boulonnage).

En 1979 le professeur Nakagawa de l’université de Tokyo, commença à employer ces techniques pour produire des outillages de formage, d’emboutissage, d’injection plastique.

b - La photosculpture

Cette technique est apparue au 19ème siècle et consiste à dupliquer exactement des objets tridimensionnels, intégrant des formes humaines. En 1904 Baese décrivit une technique utilisant une lumière progressive dans le but d’exposer une gélatine photosensible, qui se dilatait proportionnellement à l’exposition reçue, après un traitement à l’eau. Des anneaux de gélatine ainsi traités étaient ensuite fixés sur un support afin de fabriquer une réplique de l’objet.

En 1951, Munz proposa un système qui a les caractéristiques des techniques actuelles de stéréolithographie. Il reposait sur une l’exposition sélective d’une émulsion photographique transparente couche par couche. Chacune des couches était définie à partir d’une section particulière de l’objet scanné. Les couches étaient empilées en descendant un piston dans un cylindre. En fin de cycle l’objet était découpé ou gravé chimiquement pour créer un objet tridimensionnel.

c - Fabrication de solides de formes libres

En 1968 Swainson proposa un procédé pour fabriquer directement un modèle plastique par photopolymérisation sélective tridimensionnelle d’un polymère photosensible à l’intersection de deux faisceau lasers.

En 1972 Ciraud propose un procédé à base de poudres pour réaliser des objets dans divers matériaux fusibles. Les particules sont appliquées sur une matrice par gravité, puis sont chauffées localement par un laser. Cet échauffement permet une adhérence pour former une couche continue. La multiplication des faisceaux lasers permettait d’augmenter l’effort de cohésion entre particules.

En 1981 Kodama publie un article sur un système de prototypage rapide à base de photopolymères. Le modèle solide est obtenu en fabriquant successivement des couches les une sur les autres. Il étudia 3 méthodes :

- utilisation d’un masque pour contrôler l’exposition aux UV et plonger le modèle dans un liquide photopolymère afin d’apporter de la matière sur les couches suivantes ;

- utilisation d’un masque et d’une source d’exposition positionnée sous le bac et tirer le modèle vers le haut pour laisser la place pour une solidification de la couche suivante ;

- immerger le modèle dans un photopolymère et utiliser un traceur x-y et une fibre optique pour exposer la couche suivante.

En 1982 Herbert de 3M Corporation décrit un système de laser piloté par miroir monté sur une table x-y et dirigé vers une couche de photopolymère. Le bac de photopolymère est abaissé d’un millimètre pour créer la couche suivante.



VI -2 -CLASSIFICATIONS DES TECHNOLOGIES

a - En fonction du type de fabrication

b - Selon la forme du matériau initial

Liquide

Solide

2D (feuilles/plaques)

1D (Filament)

0D (grains/particules)

Polymérisation de résines point par point par laser

Stéréolithographie :

3D Systems

CMET

D-MEC

Teijin Seiki

Aaroflex

Laser 3D

Fockle & Schwarze

Flashage de couches de résines entières par lampe UV

Solid Ground Curing

Cubital

Découpe et laminage :

Laminated Object Manufacturing :

Helisys

Kira

Kinergy

Stratoconception

RP2i

Charlyrobot

Hot Plot

Sparx

Dépôt de fil fondu

Fused Deposition Modeling

Stratasys

Frittage laser de poudres

Selective Laser Sintering

DTM

EOS

Projection d’encre, de liant ou de cire

3D printing

DSPC Soligen

Z Corp

ExtrudeHome

Balistic Particle Manufacturing: BPM

Multi-jet Manufacturing : 3D Systems



c - Fabrication par ajout de matière poudres/liquides/feuille

d - Les procédés liquide-solide

Tous les procédés de cette famille reposent sur la polymérisation par exposition localisée aux ultraviolets (UV) d’une résine liquide photosensible. C’est une source lumineuse convenablement dirigée à la surface du liquide qui provoque une réaction en chaîne de polymérisation. Cette réaction conduit à la solidification rapide du matériau, elle cesse en l’absence de lumière et ne se propage pas en dehors des zones insolées.

Les matériaux utilisables sont obligatoirement des résines photosensibles adaptées à la longueur d’onde de la source utilisée : lampe ou laser.

Dans le cas des lasers, il existe deux types de sources : les lasers hélium-cadmium (HeCd) de faible puissance et les lasers argon ionisé Ar+ de fortes puissances. Il est impossible de d’utiliser des résines pour laser avec des lampes et vice-versa. Les résines actuellement disponibles sont à bases d’acrylates, d’époxydes et plus rarement de vinyles ou d’uréthanes. Les plages de caractéristiques sont très larges, elles se distinguent par leur réactivité, leur viscosité, leur retrait, leur module d’élasticité et leur usinabilité.

Retraits et déformations

Toutes les résines utilisées aujourd'hui par ces procédés se rétractent lors de la polymérisation. Ce retrait est la manifestation physique du changement de masse volumique entre le liquide et le solide, généralement plus dense.

Lors de la fabrication d'un objet, le retrait apparaît couche par couche et peut influencer les couches précédemment polymérisées. Il conduit souvent à des déformations non homogènes, de préférence sur les grands plans parallèles au plan de fabrication.

Le retrait de la résine est le principal facteur limitant la précision des machines. Suivant le procédé utilisé, et les caractéristiques de la résine, la précision peut varier sensiblement. Diverses solutions sont exploitées pour limiter le retrait ou les déformations : balayage optimisé, figeage, etc. L'effort principal porte toutefois sur des matériaux à faible retrait intrinsèque et/ou à fort module d'élasticité.

Le module d'élasticité d'une résine indique sa tendance à se déformer sous l'effet d'une contrainte. Plus il est élevé, moins la résine se déformera lors de la fabrication, mais plus l'objet contiendra de contraintes internes.



VI -3 -LA STEREOLITHOGRAPHIE PAR LASER

Sa mise sur le marché date de 1988, il s’agit de la première technologie commercialisée. Elle utilise une résine photo-polymérisable, qui sous l’effet de la lumière du laser va se durcir de manière irréversible. Le faisceau laser se focalise sur un faible rayon (0,2 mm). On travaille couche par couche dont l’épaisseur varie de 0,05 à 0,2 mm.

a - Etapes de la fabrication

Une plateforme est immergée dans un bain de résine photo-polymérisable, elle supportera la pièce pendant toute la construction. Les premières couches forment un support stable pour caler la pièce, il sera éliminé par la suite. Pour chaque couche, le laser polymérise le matériau, puis le plateau descend d’un pas dans le bain laissant le niveau de fluide remonter au-dessus des zones déjà solidifiées. De nouveau le faisceau polymérise la matière et ainsi de suite.

On recherche l’intersection entre un plan dont l’altitude varie et le volume. L’altitude varie de

manière incrémentale, on obtient des tranches qui sont en fait le parcours du laser à une position du plan donnée. L’incrément est compris entre entre 0,05 et 0,2 mm.

1 – le faisceau laser, guidé points par points par les données numériques de la CAO durcit en surface une fine couche de polymère suivant la forme de la pièce ;

2 – la pièce est soutenue par une plate-forme qui s’enfonce pas à pas dans le bac de polymère. La

résine liquide recouvre la partie déjà solidifiée sur toute la surface.

3 – le laser polymérise la couche suivante.



La stéréolithographie nécessite une phase de post-traitement. Une fois fabriquées, les pièces doivent être consolidées dans une enceinte éclairée (voir photo ci-contre) avec de puissantes lampes UV. Cela permet de terminer la polymérisation de la résine.

De gros moyens sont mis en œuvre aujourd’hui pour développer des résines dont les propriétés égalent celles des matières plastiques utilisées couramment dans l’industrie. Ces résines permettent aussi, par fusion, de fabriquer des pièces métalliques en fonderie à cire perdue.

Les domaines d’application : aéronautique

automobile

électroménager

outillage

médical

Ce procédé permet de créer des modèles unitaires ou en petites séries pour des maquettes de présentation. Ces modèles sont utilisés pour réaliser des pièces prototypes en fonderie ou en plasturgie.

b - Applications

Ce procédé possède de grandes aptitudes et permet de réaliser :

- Des pièces de toutes tailles (1mm < taille < 2m)

- 0,05 < précision< 0,15 mm

- les pièces peuvent être très détaillées

- les caractéristiques mécaniques des résines peuvent imiter tous les polymères courants y compris chargés fibre de verre.

Prototype de forme de la carrosserie d’un aspirateur

sources 3D Systems



Le développement de machines de grandes tailles permet de réaliser en mono-blocs des planches de bord automobiles :

Planche de bord Bentley (Materialise)

Les progrès des résines utilisées permettent de réaliser rapidement des outillages pour d’autres procédés comme le formage de tôles :

Outillage d’embossage Outillage de pliage de tôles

Le procédé permet de réaliser des pièces en faibles séries pour des tirages d’étude de design par exemple :

Luminaire petites séries

c - Matériaux

Les résines utilisées sont de la famille acrylates ou époxy. Ils permettent d’imiter les familles les plus courantes de matières plastiques utilisées dans l’industrie

3D Systems propose les matériaux suivants :



d - Avantages et inconvénients de la stéréolithographie

Le premier point concerne les matières dont les coûts dépassent facilement 200 euros le litre et avec des conditions d’utilisation et de stockage sont assez restrictives. Les durées de vies sont courtes, ce procédé doit être utilisé régulièrement. Autre source de coût : les sources laser dont les durées de vie peuvent justifier un remplacement annuel avec un tarif de l’ordre de 8000 euros.

Ce procédé est le meilleur du point de vue de la précision, l’épaisseur de stratification peut aller jusqu’à 10 microns. Cet avantage est important pour les étapes de finition, le ponçage est facile et permet d’obtenir des pièces parfaitement lisses capables de rendre des polis miroir.

Les temps de réalisation sont de l’ordre d’une douzaine d’heures pour des bacs de 500 mm de coté.

Les machines sont capables de produire simultanément des pièces très petites et des pièces de longueur inférieure à 2,5m.

Autre avantage important : les matériaux peuvent présenter des caractéristiques très différentes

(souple/rigide, opaque/translucide).



Pompe à eau Maquette d’essais aérodynamique

VI -4 -LE DEPOT FILAMENTAIRE

a - La solution stratasys

Ce procédé développé en 1988 sous le nom de Fused Deposition Modeling (FDM) se compose d’une tête distributrice de matière fondue, montée sur une mécanique sans contact à orientation XY. Le principe est simple : la tête fait fondre la matière qui se présente sous la forme d’un fil thermofusible déposé sur la pièce en cours de réalisation avec solidification immédiate.

Schéma de principe Tête d’extrusion

En pratique, la tête est double, une partie pour la matière de la pièce, une partie pour la matière de calage indispensable pour des formes complexes. Les machines disposent d’une seconde source de matière destinée à la génération des appuis. Une deuxième buse dépose un matériau non miscible avec la matière principale, il est illiminé par voie chimique.

b - Paramètres technologiques

Si le principe est simple à décrire, les paramètres qui l’influencent sont nombreux et leurs interactions assez complexes. Le matériau de départ est un fil de section cylindrique dont le diamètre est réduit lors du passage dans la buse chauffante qui permet la plastification étape primordiale pour la distribution.

Le diamètre de la buse détermine le volume de matière minimal que le dispositif pourra déposer. Avec une buse 0,25 mm, il n’est pas possible de produire des épaisseurs inférieures. Cette dimension est importante pour cibler les typologies de pièces réalisables.

Entrainement

Bobine Fil plastique

Pièce

Buse chauffante X

Y

Fil bobine diamètre 1,75 mm ou 3 mm

Sortie de buse 0,25 mm ou 0,5 mm



Un autre paramètre important est la hauteur des strates. Dans certaines machines elle n’est pas modifiable par l’opérateur, pour d’autres il est possible de choisir un pas plus précis que la valeur nominale. Le choix du pas est déterminant pour le temps de fabrication car puis il est grand moins il y a de strates. Toutefois, la fenêtre de réglage de la hauteur de strate est limitée par la taille de la buse d’extrusion. Lors de la superposition des strates, le fil produit par la buse est écrasé ou calibré par le plan inférieur de cette dernière.

Cas n°1

Simulation avec :

hauteur strate = 0,2 mm et ø buse = 0,5 mm

Cas n°1 - section

Le fil est écrasé et calibré par le fond de la buse. L’épaisseur unitaire est plus importante.

Cas n°2

Simulation avec :

hauteur strate = 0,5 mm et ø buse = 0,5 mm

Cas n°1 - section

Le fil n’est pas écrasé, les strates sont collées avec une infime surface.

Remarques :

Dans le cas n°1, le fil est écrasé par la buse de fusion, le collage est assuré par une grande surface de contact, la largeur minimale réalisable est plus importante, il faut plus de strates à hauteur de pièce égale.

Dans le cas n°2, le fil n’est pas écrasé, les strates sont superposées par le contact tangentiel. Le collage est fiable voire nul, la pièce est fragile.

Un troisième paramètre peut intervenir : la différence de vitesse entre l’extrusion du fil et le déplacement de la buse sur la pièce. Lorsque la vitesse d’extrusion est plus importante que le déplacement la matière est pressée contre la strate inférieure avec une augmentation de la largeur du fil déposé. A l’inverse le fil fabriqué n’adhère pas à la strate précédente, la pièce n’est pas viable.

Les principaux paramètres du procédé FDM sont :

- La hauteur de stratification - Le diamètre de la buse qui est une constante parfois non renseignée par le

constructeur - La température de fusion du matériau souvent transparente pour l’utilisateur - la vitesse d’extrusion de la matière dans la buse chauffante - la vitesse de déplacement de la buse sur le plateau support. A retenir !



c - Gestion des supports et des éléments distincts sur une strate

Cette fonction est assurée de deux manières qui peuvent s’appliquer simultanément ou pas :

- La fabrication débute sur un plateau en polymère sur lequel la première strate est collée lors du dépôt en phase liquide. Ce plateau assure la cohésion horizontale.

- Une matière de nature différente est utilisée pour réaliser des supports qui servent d’étais dans le sens vertical ou de liaison dans le sens horizontal. Ces support sont générés automatiquement ou de manière assistée lors des calculs de strates et doivent être détruits pour récupérer la géométrie de la pièce souhaitée. Pour faciliter cette opération le matériau peut être dissous soit dans l’eau soit dans des solutions spécifiques (soude). Cela allonge le post-traitement avant utilisation finale de la pièce.

Dans certaines machines économiques, le second matériau n’existe pas, il est remplacé par des

supports de petites sections avec des accroches réduites avec la géométrie pour faciliter la séparation.

d - Exemples de machines et réalisations

Le guidage des têtes d’extrusion doit être précis pour assurer une grande précision de distribution

Les matériaux disponibles sont des polyamides, des polypropylènes, ABS, des cires de fonderie ou usinables. La matière peut être rigide ou souple pour simuler des pièces en élastomère.

La précision globale est de 0,15 mm jusqu’à 0,1 mm, les capacités des machines vont jusqu’à 600x600x600 mm.

Ces machines sont très appréciées pour le coût modique de la matière comparé aux autres procédés.

Par contre la précision des formes et de leur rendu est limitée à cause du diamètre minimal de la buse de dépôt de fil.

Les machines professionnelles disposent d’enceintes chauffées qui limitent fortement les déformations de la pièce dues au retrait du matériau pendant le refroidissement.

Pièce

Pièce

Pièce

Support à détruire

Plateau



Les applications sont variées:

Coque prototype Capteur 3D

Les machines professionnelles sont dimensionnées pour la production série. Leur vitesse de production est très élevée. L’avènement de sites internet de vente en ligne de pièces de tout type pour le particulier ou le professionnel a accéléré le passage du prototype à la série. Certaines pièces d’aménagements de cabine d’avion sont uniquement obtenues en fabrication additive.

Exemples de lignes de fabrication série

Les principaux brevets sont tombés dans le domaine public depuis 2010. Depuis cette date de nombreux projets de création de machines d’extrusion ont vu le jour avec pour certains de véritables succès commerciaux. Le point de départ fût le projet RepRap initié par un Professeur Britannique de l’Université de Bath.

e - Les solutions alternatives

Depuis, l’offre concurrentielle s’est sérieusement étoffée avec des machines de plus en plus abordables tant du point de vue coût (achat et possession) qu’utilisation. Des passionnés ont vu dans ce procédé un moyen de fabriquer des objets de manière indépendante des circuits classiques. Ainsi plusieurs communautés se sont créées pour développer de nouvelles machines FDM avec un leitmotiv : simple et pas cher. Internet a permis à ces passionnés de partager leurs plans et les logiciels. Il est possible de réaliser sa propre machine avec des composants achetés aux quatre coins du monde, puis après quelques heures de montage de fabriquer ses pièces.

Les premières machines présentaient une qualité de réalisation médiocre, puis grâce à la mise en réseau des résultats des premières expériences elles se sont améliorées pour devenir comparables aux machines professionnelles. Leur endurance et productivité restent inférieures à ces dernières mais elles ne cessent d’évoluer.



Il faut noter que les plus grands constructeurs ont racheté certaines startups qui avaient développé les premières machines alternatives. Ils ont complété leur gamme de produits avec des machines simples et abordables pour toucher des nouveaux marchés dont celui des particuliers.

e -1. REPRAP

Le principe de prototypage rapide par dépôt de fil fondu est appliqué à des machines très économiques. Plusieurs équipes, universitaires, ou d’étudiants ont utilisé ce principe pour développer des machines capables de produire des éléments de nouvelles machines. La communauté REPRAP (rerap.org) a développé une machine avec une mécanique et un asservissement très simplifié. La conception souhaitée par ce groupe doit permettre de produire plus de 50% des pièces d’une machine reprap avec une autre machine reprap. C’est le principe de la duplication à l’infini appliqué à un outil de production. Au-delà de l’aspect philosophique du projet, il faut voir une simplification à l’extrême d’une technologie très complexe qui, hier, coutait au moins 50000 euros et qui aujourd’hui ne coûte que 500 euros environ.

Machine Mendel de Rerap

Une partie de la communauté Reprap travaille sur des dispositifs permettant de produire les bobines de fil à partir de matériaux recyclés. L’utilisateur peut, en théorie, produire sa propre matière première pour alimenter sa machine de production.

e -2. Extru 3D

Cette solution présente des points communs avec la machine Mendel : utilisation de moteurs pas à pas et vis pour les déplacements, une architecture mécanique très simplifiée et une autoconstruction par l’utilisateur. Le tarif pour une machine à monter est de l’ordre de 1000 euros. Le coût des consommables est assez élevé (70 euros/kg en moyenne).

Machine extru 3D exemple d’une réalisation



L’entreprise BFB (Bits from Bytes) a été rachetée en 2013 par 3D Sytems leader mondial des solutions de prototypage rapide. L’intérêt principal du rachat réside dans l’ouverture vers le bas sur les marchés émergents du particulier et de la machine économique. Un autre point important est l’ajout dans le portefeuille de 3D Systems de la technologie FDM.

Depuis l’offre de machine s’est étoffée avec des machines carénées et plus performante. On peut constater une montée en gamme certaine avec des machines à plus de 4000 euros avec des dispositifs d’impression 3 têtes :

Machine entrée de gamme

(2000 euros) – ABS - PLA

Machine impression personnelle

PLA/ABS

Machine Cube Pro 3 têtes

(ABS/PLA)

e -3. Makerbot

Cette société a été fondée par trois newyorkais en 2011. Ils ont développé une technologie très efficace qui a permis à cette machine de se faire remarquer par sa qualité de fabrication. Initialement, sa structure était en panneau x de bois découpés par laser. Les machines étaient vendues montées avec un logiciel de tranchage très simple d’utilisation. La commercialisation par internet a simplifié la mise sur le marché, le succès fût immédiat. En parallèle, l’entreprise a développé un site internet de création et de partage de maquettes numériques afin de faciliter l’accès à ces données au plus grand public. Il s’agissait de vendre la machine pour fabriquer mais aussi le matériau et la matière d’œuvre sous forme de fichiers numériques. Cela montre que l’une des plus grandes difficultés n’est pas de réaliser mais de modéliser ses idées sous forme de géométries !

En 2013, la société a été rachetée par Stratasys qui a vu dans cette acquisition l’opportunité de toucher un nouveau marché tout en intégrant un concurrent potentiel de ses machines d’entrée de gamme. A titre anecdotique Makertbot a été rachetée 410 millions de dollars !

Machine Replicator de première génération

Machine de 5ième génération

f - Avantages et inconvénients de la technologie FDM

Les défauts macro-géométriques sont principalement dus à la déformation de la pièce pendant la fabrication ou juste après. Le problème vient du matériau qui subit des chocs thermiques lors de la



fabrication car il doit être liquide pendant la distribution puis se solidifier le plus rapidement possible pour figer la géométrie. Autre phénomène lié, la matière est poussée dans la buse, le flux de matière organise le réseau macromoléculaire de telle manière que des contraintes internes apparaissent. Elles peuvent provoquer quelque fois des déformations des parois fines.

Exemple de pièces déformées :

L’une des solutions consistent à chauffer le plateau ou l’enceinte de production afin réduire le

gradient thermique entre les deux phases de fabrication. Les machines à bas coût ne possèdent pas d’équipement de ce genre, leur production présente souvent ce type de défauts.

Les défauts micro-géométriques sont dues aux imprécisions de la machine, surtout pour les machines d’entrée de gamme.

Architecture simplifiée d’une imprimante 3D

Les défauts sont dus aux facteurs suivants :

- Motorisation des axes avec des moteurs pas à pas - Qualités des organes de transmission de puissance (courroies, accouplements, etc…) - Précision des dispositifs de transformation de mouvement (vis/écrou, vis à billes) - Rigidité des liaisons glissières - Rigidité du châssis

Table porte pièce

Tête

Matériau brut

Moteur

Trans. puissance

Guidage Transformation de mouvement

Pièce

Zone déformée – la pièce est inutilisable



Les meilleures machines sont capables de maintenir une précision de l’ordre de 0,15 mm. Pour les machines destinées aux amateurs la précision est rarement inférieure à 0,3 mm.

La vitesse de déplacement de la tête est un paramètre important pour réaliser les pièces le plus rapidement possible. A cette fin, les zones pleines des pièces ne sont pas obligatoirement remplies avec le polymère. Les logiciels proposent des stratégies de remplissage avec une densité plus ou moins élevée.

Il faut aussi tenir compte du temps de post-traitement qui permet de dégager les supports de la pièce. Certains constructeurs ont développé des matériaux fusibles mais il faut immerger les pièces pendant quelques heures dans un liquide.

Les pièces réalisées en FDM présentent une porosité importante qui est remplie pendant le trempage. Par la suite il faut les sécher sinon elles suintent un mélange de soude et matière de support souvent collant.

Les pièces présentent une rugosité importante à cause de superposition des couches pour Z est la juxtaposition des passages de fils pour X et Y. Pour présenter des maquettes il est impératif de peindre et donc de préparer les surfaces des pièces. Celles qui sont réalisées en ABS présentent une dureté périphérique élevée qui rend l’étape du ponçage longue et pénible. En contrepartie les qualités mécaniques des pièces sont intéressantes et sont proches de pièces injectées en plastiques techniques.

Maquette de turbopropulseur avec hélices contro-rotatives.

- Les pièces peuvent subir une déformation « banane » pendant et après la réalisation

- Certaines géométries fines sont délicates à produire - Le coût matière est faible et les machines sont de conception simple - Les finitions sont délicates à réaliser pour les pièces en ABS - Les post-traitements chimiques permettent d’éliminer les supports.

A retenir !



VI -5 -PROCEDE FREEFORM ARBURG (AKF)

C’est un procédé dédié à la fabrication additive et il provient d’un des leaders des presses à injection pour l’industrie de la plasturgie. Il vise tout simplement à de libérer du moule pour exécuter une pièce plastique. La forme n’est plus liée à l’empreinte mais à l’addition de micro billes de plastique projetées en phase liquide sur un support.

Le procédé AKF ne peut nier une grande parenté avec l’injection plastique

Dépôt de bulles de plastique liquide – début du cycle

Avancée de la production

Arburg a exploité son savoir-faire pour la conception de presse à injecter, notamment pour la préparation de la matière avant l’injection. Le plastique est chauffée jusqu’à la phase liquide ou de transition vitreuse dans une buse sous pression. La commande de l’orifice permet de produire une goutte de plastique qui est projetée sur le support puis sur les bulles précédemment refroidies et donc durcies. Arburg envisage plusieurs configurations, l’une classique avec une table croisée et un axe de déplacement selon l’axe de stratification. La seconde est plus originale car elle utilise un dispositif 5 axes qui offre une grande liberté de réalisation.

Détail d’une buse de projection

Positionnement avec 5 axes sous la buse



Le procédé a été présenté au second semestre 2013, il est trop tôt pour avoir des retours d’informations sur l’utilisation ou le réel potentiel de cette technologie. Néanmoins elle présente une avancée importante pour les pièces plastiques bonne matière car ce procédé est conçu pour exploiter les mêmes matériaux que l’injection plastique

Exemple de pièces réalisées

VI -6 -FRITTAGE DE POUDRE SLS – DMLS - SLM

Le concept est du à Pierre Ciraud au début des années 70, il a l’idée de produire des pièces en 3 dimensions à partir d’un matériau sous forme de poudre et de laser pour la montée en température.

Il faut attendre 1992 pour qu’une première machine soit commercialisée par DTM à partir d’un brevet déposé par M.Deckard aux USA. Sa compagnie a déposé le nom de SLS : Selective Laser Sintering, elle a été rejointe en 1994 par EOS (Allemagne) avec le procédé LS : Laser Sintering transformé en Direct Manufacturing Laser Sintering (DMLS) quelques années plus tard.

Ce procédé consiste à lier le matériau sous forme de poudre pour former la géométrie de la pièce. Il existe plusieurs procédés pour fondre localement les grains du matériau mais les résultats obtenus sont différents :

- Les grains peuvent être agglomérés, il n’y a pas fusion et les pièces obtenues présentent une porosité non négligeable ;

- les grains sont fusionnés localement la pièce possède une structure sans porosité.

a - Principe

Ce procédé est plus récent que la stéréolithographie, il nécessite un faisceau haute énergie, soit laser soit faisceau d’électrons qui vient porter à haute température le matériau.

1 – La poudre est déposée en une fine couche par un distributeur ;

2 – elle est ensuite étalée avec divers procédés ;

3 – le faisceau est ensuite dirigé selon la coupe stratifiée de la pièce pour solidifier une nouvelle partie de la pièce.

Schéma de principe procédé DMLS



Schéma de principe extrait d’un brevet exploité par DTM (3D Systems depuis 2002)

Solidification d’une couche plastique Opération de frittage couche métal

Ce procédé n’utilise pas obligatoirement des supports (géométries ajoutées pour maintenir la pièce pendant la fabrication. Le volume de poudre est contenu dans un caisson qui est rempli au fur et à mesure du cycle, la partie solidifiée est donc emprisonnée dans un volume stable de poudre. L’ensemble des pièces est retiré du bac, la poudre non solidifiée peut être recyclée dans un prochain cycle de production.

Dans certains cas les pièces sont fixées sur la platine de départ à l’aide de supports



Selon les matériaux produits, la porosité résiduelle est plus ou moins importante (0,5 à 2%). Les pièces peuvent être directement utilisées, toutefois certaines machines de générations précédentes nécessitaient un post-traitement assez long pour limiter la porosité. L’un des points clés du frittage laser est la granulométrie des poudres. Elle détermine la hauteur de strate minimale que l’on peut réaliser et donc la qualité de détails de la pièce finie.

Exemple de pièces métalliques réalisées en frittage laser

Les machines Eos peuvent travailler avec des strates de 20 microns, les fins détails peuvent être reproduits sur les pièces frittées.

b - Familles de materiaux

b -1. Poudre plastique

La poudre plastique est déposée en une fine couche par un distributeur. L’enceinte est maintenue à une température de quelques degrés inférieure au point de fusion de la matière. Le laser se déplace en apportant l’énergie supplémentaire, et donc lier la poudre de plastique

Les matières utilisées sont :

- Polyamides (PA) chargés fibre de verre ou non

- ABS

- Polystyrènes

- PEEK

Source EOS

Une fois la couche terminée, le plateau descend d’une épaisseur, et le cycle recommence. Il n’y a pas d’appuis à fabriquer, la couche de poudre servant de support à la pièce.



Les matières utilisées sont principalement le polystyrène et le polyamide (nylon), chargées ou non. DTM propose des matières rigides ou souples (élastomères).

Maquette frittage machine EOS P pour

architecture

Pièces pour maquette automobile

b -2. Poudre métallique

La poudre plastique est remplacée par de la poudre métallique (alliage à base d’aluminium, nickel-bronze ou acier). Certains procédés exploitent des matières pures (aluminium), d’autres des alliages métalliques. Le principe de gestion de température est identique. Il faut souligner que le frittage s’effectue sous atmosphère d’azote pour éviter tout risque de combustion. Les matériaux proposés sont :

- Aluminium

- Alliage chrome-coblat

- Acier

- Titane,

- Alliages inoxydables

- Alliages de nickel

. Sources EOS

Le moule ci-dessus a été réalisé avec un process de frittage qui a permis, avec des matériaux tendres ( ABS, polypropylène) d’injecter plus de 80000 pièces sans détérioration importante du moule. Dans le cas de PA chargé 30% FV, 4500 pièces ont été réalisées. Il est aussi possible d’envisager la réalisation de pièces en fonderie d’aluminium, de zinc ou de magnésium.

Applications pour l’outillage :



Moules dont les canaux de refroidissement sont optimisés au plus près de la géométrie pièce.

Applications énergies :

Pièces produites par machine Phénix à partir d’alliages de nickel.

Applications médicales :

Plaque de fabrication de prothèses dentaires par machine Phenix.

Exemple de fabrication additive à un cadre de VTT. Le procédé (SLM de Renishaw) a permis de concevoir des pièces à la fois rigide avec une faible épaisseur avec des renforts dans les zones très sollicitées.



Cadre assemblé

Pièces sur plaque de fabrication

b -3. Sable

Ce procédé vise essentiellement les applications de fonderie pour la réalisation des moules et des noyaux nécessaires à l’obtention de pièces prototypes de validation.

Un laser type CO2 réalise le frittage de chaque couche de sable, la succession de ces couches forme la pièce. Comme pour les procédés de frittage précédents, il n’y a pas d’appuis nécessaires.

sources EOS

Réalisation d’un prototype de vilebrequin pour moteur

Exemple de formes complexes pour l’obtention de pièces en grappes



b -4. Céramiques

L’ENSCI, école d’ingénieur dans le domaine des céramiques industrielles développe un procédé de frittage de poudres céramiques par Laser.

c - Electron BEAM MELTING

c -1. Schéma de principe

Ce procédé, mis au point par la société suédoise ARCAM, utilise un faisceau d’électrons à haute énergie qui vient impacter un lit de poudre métallique sous vide. La matière est localement fondue et s’agglomère. Ce procédé est orienté vers la production.

Ce procédé est très utilisé pour la fabrication additive série.

c -2. Matériaux

Les matériaux utilisés sont exclusivement métalliques:

- Titane (grade 2)

- Alliages de titane Ti6Al4V grade 5 et 23 (présence plus faible de certains composants)

- Alliage Chrome Cobalt matériau bio-compatible

Titane Alliage de titane Chrome-Cobalt



La gamme de machine comporte des versions spécifiques pour l’utilisation en aéronautique pour une production de petites séries. La fabrication directe permet de repenser l’architecture des pièces, les assemblages peuvent être réduits voire supprimés, le surcoût de mise en œuvre des procédés est compensé par la simplification de la gamme de réalisation.

Machine de fabrication directe

Aube de turbine Prothèse d’épaule

c -3. Applications

Les applications couvrent un large marché car de nombreuses familles de matières sont disponibles. Métaux, plastiques, Silices, Céramiques.

Les progrès, continus, réalisés dans la maîtrise des processus depuis 15 ans permettent de produire des outillages faibles ou moyenne séries ainsi que des pièces séries.

Les principaux progrès sont les suivants:

- Réduction de granulométrie des poudres (< à 20μm);

- augmentation du panel de matériaux;

- réduction du temps de fabrication;

- diminution de la porosité résiduelle;

- amélioration de la qualité de surface et la précision.

- Le frittage laser permet de fabriquer des pièces en métal, polymère, sable - A chaque matériau correspond une machine spécifique - Les coûts matières sont élevés - La granulométrie de la poudre détermine la hauteur de strate minimale - Les post-traitements sont limités - Le frittage SLS est utilisé couramment en fabrication additive série

A retenir !



VI -7 -LASER POWDER FORMING (L.P.F.)

a - Principe

De nombreuses technologies, en cours de développement, visent à produire des pièces mécaniques à l’aide d’un dépôt de poudre dirigé et mis en fusion avec un LASER de forte puissance.

Les procédés L.P.F. fonctionnent, comme le frittage de poudre métallique, à partir de poudres métalliques et d’un LASER de forte puissance. Ce sont les seuls point communs, en LPF les grains de poudres sont amenés à la température de fusion et ne sont pas prè-distribués par couches d’épaisseur donnée. Une tête, positionnée dans l’espace de travail, dépose un fin cordon de matière rapidement solidifiée. Les matériaux utilisables sont exclusivement métalliques. Des alliages de hautes caractéristiques mécaniques et/ou thermiques sont utilisables.

Les dispositifs mis sur le marché sont très récents et vont connaitre de grandes évolutions car la technologie est prometteuse et se trouve au début de son développement.

Les innovations apportées par ces procédés portent sur l’utilisation des LASER de forte puissance (1500 W mini) et sur la création d’une tête associant focalisation et dépôt localisé de matière. Le positionnement de la tête dans l’espace de travail est plus classique, avec la reprise de machines 5 axes ou de robots 6 axes.

Machine 5 axes Construction Laser Additive Directe.

b - Applications

Ces procédés sont complémentaires aux procédés déjà connus dans les métaux car ils permettent la transformation de nouveaux matériaux hautes performances (températures, mécaniques et combinées). La particularité est aussi de permettre la réparation de pièces usées par un dépôt localisé de matériaux nobles.



Champ d’applications du procédé CLAD de l’IREPA

Pièce aéronautique produite par dépôt de métal.

Exemples de pièces produites par le procédé CLAD.

VI -8 -LOM DE HELISYS

Ce procédé, LOM, a été inventé en 1985. Il n’est plus commercialisé depuis 2000. Il fait partie des procédés par découpage sélectif et assemblage.

a -1. Principe

Un faisceau LASER découpe à grande vitesse de fines couches de matériau qui sont ensuite collées ou soudées. Les matériaux ainsi stratifiés par couches successives d’épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 mm, mais souvent entre 0,05 et 0,20 mm, sont variés, mais le plus utilisé est le papier.

Les pièces réalisées présentent l’aspect et une fragilité comparable aux pièces en bois.



a -2. Applications

Conduits d’échappement d’un moteur

essence

Prototype ayant servi de modèle pour la réalisation d’un outillage de moulage

Prototypage d’une bielle, pour moteur.

(docs Helisys)

a -3. Machines dérivées

La société Helisys a mis fin à ses activités en 2000, la société Cubic Technologies a repris les activités de maintenance d’Helisys tout en développant une technologie dérivée: la feuille de PVC remplace le papier. Les produits offrent des propriétés nouvelles: poids, transparence. La découpe est exécutée par lame montée sur table XY.



Eclaté d’une machine

Fournitures

Applications

Ce procédé n’est plus commercialisé depuis 2011.

VI -9 -PROCEDE MCOR TECHNOLOGIES

a -1. Principe

Ce procédé reprend les principes de LOM pour la découpe puis l’assemblage de feuilles de papier. L’outil de découpe est un cutter mécanisé, la superposition des feuilles est aussi automatique. La principale différence est l’utilisation d’une imprimante couleur pour ajouter une nouvelle « dimension » à l’objet produit. Le schéma de principe est le suivant :

La machine se présente dans le volume d’un gros photocopieur haut débit.

Machine grande taille (pièce A4) Espace d’impression / découpe



a -2. Applications et exemples

Ce procédé est orienté vers les maquettes et prototypes. La matière d’œuvre se trouve facilement dans des circuits indépendants du constructeur de la machine. Les pièces sont solides, des assemblages simples à réaliser permettent d’envisager des grandes tailles.

Pièce brute avant décubage pièce finie maquette de casque

Il n’y a pas de supports, le format de la pièce terminée est un prisme de section A4 dont la hauteur dépend des pièces réalisées. La principale difficulté est le découpage et la séparation des zones inutiles.

VI -10 -LA STRATOCONCEPTION

Ce procédé développé en France par le CIRTES à Saint-Dié Des Vosges, consiste à découper des plaques de matières par micro-fraisage ou découpe LASER. Ce procédé n’est pas orienté vers la série car les opérations manuelles d’assemblage restent manuelles malgré quelques tentatives d’automatisation avec des robots.

Les données numériques d’entrée sont au format STL, le logiciel traite en automatique le tranchage, le positionnement des pions de centrage et la programmation des parcours outils.

Doc CIRTES

Contrairement au procédé LOM dans lequel l’épaisseur du papier ou du film est l’épaisseur d’une couche, la stratoconception permet de générer des niveaux intermédiaires :



Dans le cas de la découpe Laser l’usinage des strates intermédiaires est impossible, il est remplacé par une inclinaison du faisceau (machine 5 axes) qui réalise donc une pente au plus près du profil :

Moule de fonderie modèle talon chaussure

Exemple de pièces produites dans le département GMP de l’IUT du Limousin

Logiciel Stratoconcept Capot avant buggy RMA Partie centrale RMA

VI -11 -STEREOLITHOGRAPHIE PAR MASQUAGE

On utilise toujours une résine photopolymérisable, mais le laser est remplacé par une lumière ultraviolette qui va éclairer la résine au travers d’un masque dont le motif est fonction de la forme à obtenir. De nombreux procédés ont été développés, soit pour réduire le coût d’exploitation d’une machine stéréolithographie traditionnelle soit pour réduire le délai de production.

a - CUBITAL

Ce procédé a disparu du marché en 2002. Il a été développé par une société Israëlienne : CUBITAL, le point le plus remarquable est la polymérisation de la résine non plus localisée sur un point déplacé selon le profil de la pièce mais globale à l’aide d’une lumière UV projetée au travers d’un masque sur toute la surface de travail. Ce dernier est réalisé selon le principe du photocopieur qui dépose un toner sur une plaque de verre selon le dessin de la strate.

a -1. Principe

Comme pour le principe précédent, on travaille par couche successives, il y a donc autant de masques que de couches. En réalité les masques sont des plaques de verres traitées sur lesquelles on dépose un toner opaque.

On peut considérer qu’il y a deux machines en une :

- une pour la réalisation des masques

- l’autre pour la polymérisation

- La stratoconception est un procédé multi-matières - Il combine le micro fraisage UGV et la stratification - Les opérations d’assemblage des strates sont manuelles - Une opération de retournement peut être obligatoire pour certaines

géométries A retenir !



Ce procédé combine en plus une unité de fraisage, un dispositif de refroidissement rapide et une

aspiration des déchets produits par le fraisage. Ces opérations ont été ajoutées dans le procédé pour calibre la hauteur des strates produites. Il n’y a pas de supports ajoutés car la résine non polymérisé est gélifiée pour bloquer la pièce dans le bac de fabrication.

Il n’est plus commercialisé depuis 2002, toutefois son principe d’éclairage UV sélectif est utilisé dans d’autres procédés commercialisés récemment.

a -2. Applications

La précision du procédé permet de réaliser des mécanismes complexes avec intégration

de liaisons

Réalisation d’un prototype de compteur d’eau.

b - PROCEDE Z-BUILDER de Z-Corp

b -1. Principe

Ce procédé utilise des résines photopolymères qui sont durcies par couches entières à l’aide d’un projecteur UV piloté de type DLP. Ces projecteurs sont pilotés par ordinateur et illuminent uniquement les zones à durcir. Le travail est plus rapide que pour les machines de stéréolithographie grâce à des résines très sensibles.

Illumination par projecteur d’un bac de résine



Schéma de principe Z Builder, extrait du brevet.

• La précision est de l’ordre de 0,2 mm sur le plan XY

• Le procédé fonctionne avec 1 seul matériau

• pièces homogènes en qualité mécanique

• le temps de production est indépendant du nb de pièces dans le bac

• état de surface final très lisse.

b -2. Applications

La taille des pièces réalisables est comprise dans un cube de 250 mm de coté

c - PROcede FILM TRANSFERT IMAGING de 3D Systems

c -1. Principe

La technologie F.T.I. exploite, d’une part, une résine photopolymérisable déposée sur un film et d’autre part un projecteur DLP pour illuminer chaque couche de résine. La construction des pièces s’effectue de haut en bas.

La machine fait partie des imprimantes 3D installée s dans les bureaux d’études pour obtenir rapidement et à bas coûts des maquettes physiques. La capacité du procédé est limitée par la résolution et la puissance des projecteurs DLP.

Construction interne de la machine

L’image du projecteur DLP Le plateau remonte pour

Solidifie la résine photo-sensible ajouter une couche supplémentaire



c -2. Applications

Ce type de machine est destiné à équiper les bureaux d’études pour réaliser rapidement des maquettes pour un coût faible.

Production par le bas Pièce avec support Visage ech 1 Pièce avec support

VI -12 -POLYJET DE OBJECT GEOMETRY

Cette technologie se caractérise par un potentiel de développement important grâce à l’invention du matériau numérique. Grâce à cela il est théoriquement possible d’obtenir des pièces avec des zones colorées variées ou de dureté différente. Si cette application représente l’évolution la plus récente de la technologie Polyjet, elle est aussi utilisée sur des machines moins ambitieuses avec un seul matériau de type photopolymère.

a - Principe

Le matériau photopolymère maison est déposé à l’aide d’une tête de distribution qui comporte plusieurs buses réparties en deux zones, une pour le matériau principal, l’autre pour le support soluble. La tête balaie la surface de travail, la résine est projetée de manière sélective selon le besoin de la géométrie à l’aide des buses dédiées photopolymère, le reste de la surface est complété par la projection du matériau support. En arrière de ces buses se trouve une puissante lampe UV qui va provoquer le durcissement du polymère. Les couches peuvent avoir des épaisseurs inférieures à 0,1 mm.

Cette technologie rentre en concurrence avec la stéréolithographie pour la précision mais elle est plus rapide et 10 fois plus économique.

Coupe du principe Objet Tête de distribution en fonctionnement

Les couches sont de l’ordre de 20 microns, la précision sur x et y est de 600 dpi

• La précision est bonne (de l’ordre de 0,05 mm dans le plan XY)

• Le procédé est rapide

• Les supports sont fabriqués à partir d’une seconde résine soluble

• Les matières sont spécifiques (résine acrylate) et couvrent les propriétés des matières plastiques courantes.



Tête d’impression :

1536 buses et 2 lampes UV

modèle

Plateau de travailY

X

Z

Principe Polyjet Simulation de la projection des gouttelettes

Exemple de machine de grande dimension :

L’Objet 1000 est une imprimante 3D de la gamme PolyJet proposant un des plus larges volume d’impression (1000 x 800 x 500 mm)

Ce procédé commence à être utilisé en fabrication petite série. Les qualités dimensionnelles sont excellentes, le prix matière reste toutefois élevé (200 à 400 euros le litre de résine).

b - Applications

Les qualités techniques des résines associées à la précision de réalisation permettent à ce procédé d’être utilisé dans de multiples secteurs.

Le tableau ci-contre résume les possibilités de ces machines.

Coque de souris informatique



c - materiau numerique

Objet Geometries LTD a développé le concept de matériau numérique qui repose sur le dosage entre deux produits de propriétés complémentaires. La machine embarque 3 têtes, deux pour les matériaux nobles, un pour le support. A partir de 14 matériaux physiques différents, la machine produit 52 matériaux numériques, rigides, souples, opaques, transparents.

Pièces réalisées avec des matériaux « numériques »

Etude de style Lunettes poly-matières

VI -13 -PROCEDE IN-VISION DE 3D SYSTEMS

Ce procédé utilise des résines photopolymères distribuées à chaud couches par couches par un réseau de buses comme une imprimante à jet d’encre puis une lampe UV polymérise la matière.

• La précision est bonne (inférieur à 0,1mm dans le plan XY)

• Le procédé est rapide

• Les supports sont fabriqués à partir d’une seconde résine soluble

• Les matières sont spécifiques (résine acrylate)

Principe de la tête In Vision

Ce procédé est utilisé en machine de bureau pour produire des modèles rapidement avec une taille inférieure à un cube de 200 mm

Exemple de pièces réalisées.



VI -14 -Z-CORP : 3DP

a - Principe

Cette technologie a été mise au point par le MIT aux Etats Unis.

Ce procédé utilise un matériau peu onéreux ; 128 buses projettent un liant sur une poudre de cellulose et d’amidon. Comme pour les procédés par frittage, il n’y a pas de supports générés.

Les pièces fabriquées sont poreuses avec un état de surface assez grossier par rapport à d’autres procédés plus onéreux. Il existe un post traitement qui consiste à imprégner le prototype de résine (époxyde ou polyuréthane) ou de paraffine.

Doc ZCorp

Les pièces réalisables sont contenues dans un volume de 203x254x203 mm, l’épaisseur de couche varie de 0,08 à 0,254 mm.

La vitesse moyenne d’exécution est de 25 à 51 mm par heure.

b - Constitution d’une machine Z-Corp :

La densité des pièces peut être augmentée par

infiltration de résine. La solidité des pièces est améliorée.

c - Exemples de pièces produites avec la génération 3 de machines Z-Corp

Maquette train roulant voiture



Maquette d’appareil de mesure Maquette de sous ensemble modélisme ech 1/10

VI -15 -PROCEDE DROP ON DEMAND DE SOLIDSCAPE

a - Principe

Ce procédé utilise le principe de l’imprimante à jet d’encre. Le matériau est un thermoplastique ou une cire projeté goutte par goutte à l’aide de buses calibrées. Les têtes porte-buses se déplacent dans le plan XY, l’axe Z permet de générer les couches.

Le matériau est porté à haute température pour être expulsé par l’intermédiaire d’une buse calibrée. Un second dispositif produit les supports.

Schéma de principe du procédé DOD

Extrait du brevet DOD

La fabrication d’une couche comporte trois étapes:

- Les deux têtes déposent la matière en fusion

- une phase de refroidissement fige les matériaux

- une fraise arase la couche pour la calibrer.

Le procédé est précis au prix d’une certaine lenteur.

Machine capot ouvert

b - Evolutions

Solidscape a mis au point une technologie de contrôle des jets de matière qui permet de lisser les couches externes des pièces : procédé Smooth Curvature Printing

Schéma S.C.P.

Comparaison avec SCP et sans SCP



Les bords extérieurs sont lissés Avec SCP sans SCP

c - Applications

Les principales applications de ce procédé sont la fonderie de pièces précises dont la taille est à inférieure à 250 mm, avec une précision supérieure à 0,05 mm. La fonderie à cire perdue nécessite des pièces détaillées avec des états de surfaces les plus lisses possibles.

Le procédé est aussi utilisé dans le secteur médical, dans le cycle de production des prothèses osseuses et dentaires.

Bijouterie cire perdue

Dentaire et prothèses associées

Modèle de prothèse pour fonderie

Turbine aéronautique

VI -16 -PROCEDE MJM DE 3D SYSTEMS

Cette machine utilise le principe MJM : Multi-Jet Modeling. Ce procédé utilise le changement de phase d’un matériau par variation de température. La technologie 3D Systems se distingue par le nombre de buses qui vont projeter une cire ou un plastique liquide couche par couche. Ce principe est utilisé aussi avec des photopolymères.



La taille maximale des pièces est de 250x190x200 mm. La résolution est de 400 DPI sur X et 300 sur Y. La matériau est une cire thermoplastique.

Machine première génération

Exemple de pièce cire

• Ces machines produisent des pièces dans un volume inférieur à 250 mm de coté. La production des supports utilise une cire soluble dans l’eau.

• La précision est de l’ordre de 0,2% soit 0,6 mm dans la plus grande dimension.

• L’épaisseur des couches minimale varie de 0,016 à 0,026 mm selon la destination de la machine.

Machine nouvelle génération grande taille

Exemple de pièces, de grandes tailles pour maquette ou de tailles plus faibles pour la fonderie à cire perdue.

VII -COMPARAISON DES PRINCIPAUX PROCEDES

Tableau de synthèse des machines pour fabrication de polymères :

Fabrication additive page 60

Tableau de synthèse des machines pour fabrication de polymères

Technologies Stéréolithographie Jet photopolymères Frittage LASER Jet de plastique en fusion Dépôt filamentaire Impression 3D

Nom commercial

SLA Polyjet SLS DOD FDM 3D printing

Producteur 3D Systems Objet EOS – Renishaw - Phenix Solidscape Stratasys Z Corp.

Taille pièce 500x500x550 340x330x250 340x340x620(P) 150x150x100 254x254x315 254x320x203

Rapidité Moyenne Elevée Moyenne Lente Lente Elevée

Précision Très élevée (±0,01) Moyenne (±0,1) Bonne (±0,025) Bonne (±0,025) Moyenne (±0,15) Moyenne (±0,15)

Etat de surface Très bon Bon à très bon Bon à très bon Excellent Moyenne Moyenne

Points forts Grande précision, grande taille réalisable

Grand nb de polymères imitables

Bonne finition des pièces.

Matériaux numériques

Précision,

Propriétés techniques des pièces obtenues

Pas de supports

Bonne précision, finition des pièces

Machines de bureau

Coût matières,

Choix de matériaux,

Machines de bureau

Vitesse de production,

Coût matière,

Coloration possible

Pas de supports

Points faibles Coût machines

Post-traitements obligatoires

Gestion complexe des matières

Post-traitements obligatoires

Coût machines

Coût matières

Lenteur de production

Choix de matériaux très limités

Taille des pièces

Lenteur de production

Propriétés des matériaux

Pièces fragiles

Post-traitements

Finition

Champs d’utilisation

Modèles très détaillés

Prototypes fonctionnels

Modèles de fonderie cire perdue

Modèles pour duplication sous vide

Modèles très détaillés

Maquettes de présentation



Pièces moins détaillées que celles produites en photopolymères

Pièces fonctionnelles y compris charnières par pliage

Modèles de fonderie

Outils pour production

Pièces très précises et détaillées


Bijouterie, médical

Modèles de fonderie

Pièces détaillées et fonctionnelles pour prototypes d’essais

Matériaux alimentaires

Maquette de présentation



Maquettes de principe

Prototypes de tests

Mise en couleur en 3D

Architectures et maquettes

Packaging

Fonderie

Matériaux Acryliques

Transparent et rigide

Imitation de l’ABS, PP, PA

Pièces souples

Résistance à l’eau des pièces

Acryliques

Elastomères

PA chargé ou non (fibre de verre, aluminium)

PS

Elastomères

Polyesters

Cire de moulage

ABS,

PC,

Polysulfones

Elastomères

Plâtres


VIII -CONCLUSION

La fabrication additive devient un des maillons incontournables dans la conception d’un produit. Tous les secteurs de la production d’objets développent des procédés adaptés à leurs besoins, y compris le domaine du vivant avec des recherches pour produire des tissus et organes en vue d’être greffés sur l’humain.

Ce qui était, hier, impossible à produire sans outillages et processus lourds et coûteux devient petit à petit réaliste. La fabrication additive est à l’aube de son développement, les connaissances sur les matériaux et leur mise en œuvre évoluent sans cesse, offrant aux ingénieurs de nouveaux principes de réalisation toujours plus rapides et plus performants. De la taille nanométrique à plusieurs dizaines de mètres des nouveaux procédés vont révolutionner la façon de créer des outils et des objets de notre quotidien.

Impression nanométrique

Projet de fabrication additive de bâtiments

La fabrication additive va aussi révolutionner notre alimentation, plusieurs programmes de recherche visent à élaborer des imprimantes 3D de nourriture. A partir d’éléments de base (glucides, lipides, protéines, fibres végétales…) il sera possible de préparer des plats équilibrés dont les recettes peuvent être importées via internet. L’Europe voit un moyen de nourrir correctement des populations de personnes âgées qui vivent seules et peuvent avoir des difficultés pour préparer la nourriture.

Impression avec du chocolat, machine commercialisée en 2013

Test d’impression de pizza

Cet exemple est intéressant car il montre une autre face de cette révolution : la multiplication des sites de production. Les circuits traditionnels de fabrication centralisée dans des usines énormes puis la distribution vers le consommateur sont remis en cause. Les FabLabs se démocratisent et visent à rendre possible la création d’objet par tout individu qui en exprime le besoin, soit pour de la création soit pour limiter les coûts de réparation d’objets en panne. Dans ce domaine le chemin est encore long avant de pouvoir imprimer le remplaçant de son téléphone portable en fin de vie. De nombreux matériaux résistent au savoir-faire des ingénieurs, mais les limites sont repoussées régulièrement.

Atelier de FabLab avec de

nombreux procédés


L’individualisation de la production c’est aussi la possibilité de personnaliser les objets que l’on utilise pour les adapter à ces besoins qu’ils soient esthétiques ou fonctionnels dans le cas de handicaps. Un nouveau marché s’ouvre à la fabrication additive : c’est la fabrication de monture de lunettes. De grandes enseignes du secteur ont mis en place ou vont le faire des ateliers de fabrication de lunettes en polymères. L’objectif principal est de proposer des produits uniques plus adaptés au visage et au goût de la clientèle

Modèle numérique de lunettes et prototypes déjà réalisés

Dans le domaine de la téléphonie, un grand constructeur a mis à disposition du public le modèle

numérique d’une coque de protection de smartphone, qu’il est possible avec quelques connaissances de modélisation CAO de modifier pour ajouter des couleurs ou des formes quelconques. La réalisation peut se faire soit chez soi, si on est équipé, ou via des sites spécialisés qui proposent de multiples procédés pour polymères ou métaux. Un célèbre designer français vient de mettre sur le marché une gamme de meubles imprimables à la demande via un site internet partenaire.

Modélisation numérique coque smartphone

Gamme de meubles imprimables

Du design à la mode il n’y a qu’un pas, franchi par des laboratoires et entreprises pour réaliser des habits à partir de dispositifs de fabrication additive. Ce sont les balbutiements, les vêtements sont utilisés lors de défilés de mode ou sont des démonstrateurs en vue de promotion pour des financements participatifs (Crowdfounfing).

Exemple de « tissus » et robe réalisés en fabrication additive. Le modèle est disponible en téléchargement

Chaussures en fabrication additive

La médecine est le secteur dans lequel la personnalisation a le plus de sens, chaque corps est différent et la réparation d’un organe malade ou cassé doit s’effectuer au plus près de l’original. Les prothésistes ont développé des outils spécifiques à ces besoins, la fabrication additive permet de gagner du temps et d’aller plus loin dans l’adaptation. Autre point important : les matériaux sont


souvent spécifiques, or de récentes technologies additives permettent de les mettre en œuvre plus rapidement.

Prothèse de genou en titane réalisée par EBM

Prothèse de crâne - maquette pré-implantation

Et la mécanique dans tout çà ?

Les conséquences pour ce secteur sont importantes :

- Il faut envisager de produire autrement et donc concevoir autrement. Les outils existent et sont perfectionnés régulièrement, les méthodologies doivent évoluer avec de nouveaux savoir-faire à vendre ;

- L’outil informatique est au cœur de cette révolution et notamment la modélisation, sur ce point particulier nos compétences sont irremplaçables, cela ouvre de nouvelles perspectives en terme d’emplois et de débouchés ;

- Le développement économique de la fabrication additive suppose une utilisation optimale de moyens qui dans de nombreux cas sont plus coûteux que les moyens existants. Il faudra optimiser et produire sans erreur, la compétence et l’expérience seront précieuses ;

- Les annonces de nouvelles technologies se succèdent à un rythme effréné, pas une semaine sans l’annonce d’une nouvelle révolution dans tel ou tel secteur. Il faut être en veille permanente sur les nouveaux procédés et leurs applications. Les opportunités augmentent ;

- La démocratisation de la fabrication ne signifie pas forcément la disparition de nos métiers car il y aura toujours besoin et même encore plus, d’expertise pour fabriquer rapidement, juste et au meilleur prix. Une machine de fabrication additive à 3000 euros n’a pas le potentiel d’une machine à 100 fois plus. La première peut être conduite par un amateur, la seconde requiert un professionnel.

- Le développement de nouveaux procédés est une autre source de développement de la mécanique, pour le comprendre il faut regarder l’évolution des machines depuis 5 ans. Certaines machines construites par des amateurs avec des moyens limités laissent place à des engins sophistiqués, précis, rapides et fiables. Dans ce cas aussi, la compétence et l’expériences parlent.


Bibliographie :

Le prototypage rapide - Alain Bernard et Georges Taillandier – Hermès 1998

L’impression 3D – Mathilde Berchon – Eyrolles 2013

Webographie :

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