Presentation emra ptit dej3d 1812

INISMa-CRIBC Avenue Gouverneur Cornez, 4 – B-7000 Mons, BELGIUM Tel +32(0)65.40.34.34 www.bcrc.be 1

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Le potentiel de l’impression 3D

F.Petit([email protected])


www.emra.euLe CRIBC –

Céramiques techniquesAir

Frittage de matériaux inorganiques

Matériaux réfractaires Conversion énergétiqueMise en œuvre des matériaux

inorganiques

Nanomatériaux Efficacité énergétique des procédés Prototypage rapide

Revêtements inorganiques et hybrides Récupération d’énergie

Technologies laser

Verre Recyclage des matériaux inorganiques

Traitements thermiques

Sols

Matériaux Environnement Procédés

Les 3 domaines d’expertise du CRIBC

Centre de Recherches de l’industrie Belge de la Céramique

Le CRIBC en bref : Centre de Groote (Fédéral), Centre de recherche agrée en RW, localisé à Mons


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®

Découpe laser

Marquage laser

Impression jet d’encreTraitement de surface

Usinage laser

Rechargement LaserFusion sélective par laser

~100µm

Procédé additif Procédé soustractif

Traitement de surface


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Fabrication additive (Définition) :

Production d’un objet réel en 3D par ajout progressif de matière.

Autres dénominations : impression 3D, prototypage rapide …

Chaque dénomination est porteuse de sens :

- Impression 3D : connote le principe de mise en œuvre

- Prototypage rapide : connote le premier usage industriel historique de ces procédés

- Fabrication additive : sous-entend une certaine maturité industrielle

Fabrication additive, … une (r)évolution !


www.emra.euFabrication additive, … une (r)évolution !

Un concept récent ? NON !

Approche soustractive Approche additive

Où est donc l’innovation ? 1 / Automatisation de l’approche additive (= précision, qualité, reproductibilité), 2/ Usage des technologies numériques (= souplesse, versatilité)


www.emra.euFabrication additive, … une (r)évolution !Fabrication soustractive Moulage par injection Fabrication additive

(Bénéfices attendus)

Très haute précision Très haute précision

Pièce complexe Temps fabrication ↑

Productivité élevée1 moule = 1 pièce

Coût ≠ f(complexité)Fabrication simultanée de

pièces ≠

Usure des outils Faible usure d’outil Pas d’usure d’outil

Problématiques matériaux Personnalisation des pièces

Restrictions géométriques Restrictions géométriques Complexité géométrique

Réduction de poids

Monomatériau Monomatériau Multimateriaux

Perte de bonne matière Peu de perte de matière Peu de perte de matière

Multiples opérations successives

Optimisation laborieuse



Procédé conventionnel

Fabrication additive

Nombre de pièces

Coût

par

piè

ce

Adapté de « Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts » E. Atzni et al

Fabrication additive(Limitations actuelles)

Fiabilité des équipements

Manque de contrôle sur le procédé

Coût des matières premières

Reprise et post-traitement

Faible productivité

Anisotropie des propriétés




www.emra.euFabrication additive … moderne !

Principe général commun à tous les procédés

1 – Une représentation numérique de l’objet est constituée2 – L’objet est tranché virtuellement en couches d’épaisseur déterminée3 – Une couche de matière matière brute (solide, liquide, pâte) est déposée sur un support de fabrication. Une consolidation sélective de la couche est réalisée laquelle reproduit à l’identique la tranche numérique de l’objet.4 – L’étape 3 se reproduit couche après couche jusqu’à fabrication complète de l’objet


www.emra.euFabrication additive … moderne !

Inventions spécifiques à la fabrication additive numérique

Fichiers numériques 3D .stl

Format spécifique issu de la stéréolithographie et standard actuel de

la fabrication additiveIl reconstruit l’objet par une triangulation

de sa peau.

Notion de « voxel »

Pixel « volumétrique » ou volume élémentaire permettant de discrétiser un

objet en cellules


www.emra.euLa jungle des procédés additifsOn recense 7 familles de procédés additifs englobant chacune plusieurs déclinaisons

d’un même principe.

La première différentiation s’effectue sur base du type de matière première


www.emra.euLes procédés en vogue - 1

Procédé par dépôt de fil fondu (Fused Deposition Modeling – FDM)

Simple extrudeur monté sur un robot cartésien

Extrusion de polymères thermoplastiques Rapide et pas cher Capable d’imprimer des objets mono ou bi-

matière en :- PLA, ABS, Nylon, PETG, PC, …

Stratasys est le leader mondial du marché Meilleur choix actuel pour le

développement rapide de pièces mécaniques & prototypes

Gamme de prix entre 500 € et 150 000 € !


www.emra.euFiche signalétique - FDM

Abréviation FDMClasse de matériaux Polymères sous forme solide (bobines

de filaments)Matériaux typiques Thermoplastiques , élastomères Taille max. objet >1 m3

Taille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 100 µmPrécision 20 µmFinition de surface Légèrement rugueuse à très rugueuse

selon l’épaisseur des couchesVitesse de fabrication Modérée

Pièces en Nylon - Stratasys

Pièce en ABS - Stratasys

Pièce en PLA - BigRepOne


www.emra.euFDM – Exemples de machines

Imprimante professionnelle 12 matériaux disponibles Impression bi-matière (possibilité d’imprimer des

supports solubles) Enceinte de fabrication chauffée Zone d’impression : 35 cm x 25 cm x 25 cm Résolution 127 µm Prix : 185 000 $ (mais premier prix chez

Stratasys : 15 000$)

Stratasys FORTUS 400mc Zortrax m200

Imprimante « personnelle » 3 matériaux disponibles Impression mono-matière Zone d’impression : 20 cm x 20 cm x 20 cm Résolution approx. 50 µm Prix : 2000 $


www.emra.euFDM – Exemples de machines

Impression sur Fortus 400mc Matériau : Nylon 12

Impression sur Zortrax m200Matériau : ABS

Visuellement les imprimantes FDM « domestiques » jouent jeu égal (et parfois surclassent) avec leurs équivalents industriels

MAIS

Elles ne sont pas capables de gérer (ou mal) les matériaux techniques (ex : Nylon, PC)L’impression bi-matière est très insatisfaisanteLeur fiabilité reste modérée


www.emra.euFDM – intérêt de la bi-matière= Possibilité de créer des supports de fabrication solubles qui s’éliminent aisément sans

laisser de « cicatrices » sur l’objet

Exemple d’impression bi-matière chez Stratasys

Supports de fabrication

« Cicatrices résiduelles »

De manière générale, la fabrication de structures complexes requiert l’utilisation de

« supports de fabrication »



La stéréolithographie

Ancienne technologie (brevetée en 1986 !) A laissé son nom aux fichiers .stl Matériaux constitués de résine (chargée ou

non ; ex : charge céramique) Procédé mono-matériau exclusivement 3D system est leader du marché Résolution et finis de surfaces les plus

élevés de toutes les technologies existantes Principe : un laser UV polymérise

sélectivement une résine photosensible par balayage (variante : DLP = projection des UV sur la totalité de la couche en une fois)

Gamme de prix entre 1000$ et qqs. 10 k$


www.emra.euFiche signalétique - Stereolithographie

Pièces de coulée SLA – 3D Systems

Pièce de grande dimension SLA & Charles Hull

Abréviation SLAClasse de matériaux Résines sous forme liquide,

photopolymérisablesMatériaux typiques Résines acrylatesTaille max. objet >1 m3

Taille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 50 µmPrécision <20 µmFinition de surface Surface lisseVitesse de fabrication Modérée à rapide

Formlabs


www.emra.euStereolithographie - Machines

3D Systems ProX 950

Imprimante professionnelle 12 matériaux disponibles Grande vitesse de fabrication Zone d’impression : 1,5 m(!) x 0,8 m x 0,55 m Système d’imagerie intégré Résolution 50 µm Prix : > 500 000 $

Formlabs – Form X

Imprimante « personnelle » 4 matériaux disponibles Vitesse de fabrication lente Problèmes d’adhérence sur le plateau Zone d’impression : 12,5 cm x 12,5 cm x 12,5 cm Résolution 300 µm Prix : 3000 €


www.emra.euStéréolithographie « chargée »= Possibilité d’incorporer dans la résine un pigment ou une charge minérale, par

exemple une poudre céramique

Résine chargée

Fabrication d’un objet par SLA conventionnelle

Traitement thermique de déliantage (élimination de la résine et constitution d’un squelette

céramique)

Frittage de la céramique = obtention par cuisson d’un objet dense,

fonctionnel

Lithoz



La Fusion Sélective par Laser (Laser Beam Melting)

Exploite un laser de puissance (type fibré ou CO2) pour assurer la fusion sélective de lits de poudre, couche après couche.

Peut-être mis en œuvre sur thermoplastiques ou métaux (les machines sont toutefois différentes)

Utilisé pour produire des pièces fonctionnelles

Etat de surface très dépendant de la finesse des poudres initiales

Les pièces requièrent une post-finition Gamme de prix : > 300 k€ pour les métaux,

>100 k€ pour les polymères


www.emra.euFiche signalétique - LBM

Abréviation LBM (anciennement SLM) ou DMLSClasse de matériaux Matières pulvérulentesMatériaux typiques Poudres métalliques ou

thermoplastiquesTaille max. objet Plateau jusqu’à 50 cm de côté pour le

métalTaille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 10 µmPrécision <20 µmFinition de surface Surface rugueuseVitesse de fabrication Modérée à rapide

LBM métal - EOS

LBM de céramique (CRIBC)


www.emra.euLBM – Autres éléments d’appréciation

Le LBM permet la fabrication rapide de pièces prototypes fonctionnelles MAIS :

-Les pièces fabriquées peuvent être le siège d’importantes contraintes résiduelles = distorsions de forme & tenue mécanique affectée-Le sens de fabrication des objets peut affecter leurs propriétés-Les états de surface doivent le plus souvent faire l’objet d’une reprise = conséquence sur les tolérances dimensionnelles

Pièce EOS brute de fabrication et après reprise


www.emra.euLBM – Le futur … très proche !

Les nouvelles machines visent à surmonter ces limitations :

-Meilleure contrôle des paramètres de process,-Mise en œuvre de procédé(s) innovant(s) pour assurer la reprise des surfaces in situ lors de la fabrication

Cette machine combine la technologie LBM avec du fraisage conventionnel (assurant la reprise des bords de l’objet couche après couche au cours de sa fabrication)



La Fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting) Procédé totalement similaire au LBM mais

substitution du faisceau laser par un faisceau d’électrons

Mis en œuvre sur alliages de titane et CoCr Applications aéronautiques et biomédicales

principalement Plus rapide que le LBM mais états de

surface moins bons Technologie commercialisée par la société

ARCAM exclusivement Prix : > 1 M€


www.emra.euEBMAbréviation EBMClasse de matériaux Matières pulvérulentesMatériaux typiques Alliages de Titane et CoCrTaille max. objet Plateau 20 cm x 20 cm x 30 cmTaille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 50 µmPrécision <50 µmFinition de surface Surface rugueuseVitesse de fabrication Rapide

Pièces TA6V Arcam



L’Impression sur lit de poudre (Binder Jet)

Une couche de poudre est étalée sur le plateau de fabrication

Un liant est déposé sélectivement sur la poudre par impression jet d’encre

Le procédé se poursuit couche après couche

Peut produire des pièces multicolores Produit des pièces poreuses mais procédé

compatible tout matériau La plus faible résolution de toutes les

technologies existantes Prix : > 150 k€


www.emra.euFiche signalétique - Binder jet

Abréviation Binder JetClasse de matériaux Matières pulvérulentesMatériaux typiques Tout matériauTaille max. objet Jusqu’à plusieurs mètresTaille min. détails 100 µmEpaisseur de couches minimale 50 µmPrécision <100 µmFinition de surface Surface très rugueuseVitesse de fabrication Rapide

Impression multicolore 3D Systems Copie (échelle 1) d’une œuvre architecturale - Voxeljet


www.emra.euLa fabrication additive … pour qui et pour quoi ?

Données économiques issues du Wöhlers report 2013


www.emra.euRépartition géographique

Données économiques issues du Wöhlers report 2013


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