Du prototypage rapide à la fabrication additive de

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Du prototypage rapide à la fabrication additive de
pièces en polymères
15.11.2013 – Toulon
Sébastien MOUSSARD – Ingénieur Matériaux
Matériautech®
39 rue de la Cité, 69003 Lyon
Sommaire
1. Présentation de la Matériautech®
2. Principe – applications
3. Les technologies de fabrication additive
4. Forces et faiblesses
5. Conclusions – Innovations
2
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013
Matériautech®
Materiautech® - Lyon
GEM®
La Matériautech® :
 Un espace dédié aux innovations matières / process regroupant près de 600 matières
plastiques
 Un outil de mise en relation pour plus de 650 industriels par an ayant une problématique
liée au développement de nouveaux produits plastiques ou à l’innovation.
 Un réseau regroupant centres techniques, fabricant matières/additifs, spécialistes de la
décoration, …
3
7 Materiautech®
Les Matériautech®, sont des centres de compétences européens en Plasturgie et Eco-Conception.
En Europe
LYON / GENERALISTE (Allizé Plasturgie)
PARIS / GENERALISTE (Fédération de la Plasturgie)
OYONNAX / INJECTION & COMPOSITES (PEP)
SOPHIA ANTIPOLIS / BIOMATERIAUX (Carma)
SAINT- ETIENNE / DESIGNER (Cité du Design)
ALES / NANOMATERIAUX (Ecole des Mines)
ITALIE / MATIERES TECHNIQUES HT (Proplast)
Développements en cours
Allemagne / Espagne
4
Principe de la fabrication additive

Procédé de mise en forme d’une pièce complexe par ajout de
matière, par empilement de couches successives sans utilisation
d’outillages conventionnels
Modélisation
3D sur
ordinateur
5
Transfert
des données
Production
Pièce finie
Principales applications de la fabrication additive

Prototypage
rapide
Part de la fabrication directe [%]
Maquette conceptuelle, visuelle
30
Tests d’assemblage/ajustement
25
28,3
24
Tests fonctionnels
20
• Résistance chimique
• Propriétés mécaniques
• Propriétés thermiques
19,6
17,2
15
14
Tests de durabilité
11,7
10
• Tenue au vieillissement (UV)
9,6
6,6
Tests réglementaires
5
• Qualité alimentaire
• Biocompatibilité
Fabrication directe de pièces
3,9
0
2003 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
• Petites séries (≥1)
• Personnalisation des produits
6
[Wohlers report 2013]
Les technologies de fabrication additive
Plastiques
ISO/ASTM 52921:2013
Projection jet
de matière
7
Photopolymérisation
PolyJet (Stratasys)
Stéréolithographie
(SLA)
MultiJet (3D
Systems)
Digital light
processing (DLP)
Projection de
liants
Extrusion
Impression 3D
(3DP)
Dépôt de fil
(FDM)
Fusion de
poudres
Frittage de
poudres
(SLS)
Frittage de
poudres (SMS)
PolyJet

Principe : Projection jet de matière
Têtes d’impression
Jet de résines photopolymères durcie par lampe UV

Matières
Lampe UV
Photopolymères à base acrylique, photopolymères
élastomères

Matériau B
Post-traitement
Matériau A
Dissolution de la résine support avec de l’eau
Niveau de détails élevé
Résistance thermo-mécanique limitée
Solution multimatériaux
Vieillissement des matières
Large choix de matières (+60)
8
PolyJet - applications

Tests fonctionnels, réglementaires , validation visuelle

Simulation de plastiques techniques
•
•

Simulation de plastiques standards
•
•
•
•
•
9
En température jusqu’à 80°C
Simulation ABS (température, rigidité)
Transparence
Couleurs
Souplesse (TPE, caoutchoucs)
Simulation PP
Bio compatible
PolyJet - applications
Simulation surmoulage/multi-injection, soft touch
Médical
Prothèses dentaires
10
[Stratasys]
Stéréolithographie (SLA)

Lentilles
Principe : Photopolymérisation
Résine photopolymère durcissant aux UV à l’aide d’un
laser

Laser
Rayon laser
Cuve
Photopolymère
liquide
Matière :
Racle
Photopolymères à partir de résine époxy, acrylate
Pièce
Plateforme

11
Nettoyage puis post traitement au four (étuve UV)
Pièces avec une géométrie complexe
Résistance mécanique
Excellente finition
Post traitement au four pour finaliser la
polymérisation
Cout compétitif
Vieillissement aux UV
SLA – applications

Tests fonctionnels, validation visuelle

Simulation de plastiques techniques
•
•

Simulation de plastiques standards
•
•
•
12
En température jusqu’à 60-70°C, 110°C (après
traitement)
Simulation ABS (propriétés mécaniques)
Transparence
Couleurs (blanc, ambre, bleu, noir)
Simulation PP
[3D Systems]
SLA – applications
Maquette conceptuelle, visuelle
Aide à la réalisation d’outillages en silicone
[3D Systems]
13
Comparaison SLA / PolyJet / Injection
Module
d'élasticité [MPa]
1,2
1
HDT (0.45 MPa)
[°C]
0,8
0,6
Contrainte à la
rupture [MPa]
0,4
ABS Injection
ABSlike Polyjet
Accura ABS SLA
0,2
0
Module de
flextion [MPa]
Elongation à la
rupture [%]
Résistance à
l'impact [J/m]
14
Impression 3D (3DP)
Alimentation
adhésif liquide

Principe : Projection de liants
Liant liquide imprimé par jet sur la poudre

Tête d'impression
Pièce
Rouleau
Poudre
Alimentation
poudre
Matière
Poudre à base de plâtre / liant liquide

Post traitement
Pas de support de construction
Piston
Multi couleur
Propriétés grossières et fragiles
Temps de fabrication rapide
Vieillissement des matières
Géométrie complexe
15
Piston
3DP – applications

Fabrication de pièces multicolores / prototype visuels
[Z-Corp - 3D Systems]
16
Frittage sélectif de poudres (SLS)
Principe

Fusion de poudres thermoplastiques par laser CO2
Rayon laser
Laser
Pièce
Rouleau
Matériaux : thermoplastiques

PA6 (Solvay)
PA11, PA12, PEEK, PS, PA12+CF, PA12+GF (Eos
GmbH, 3D Systems)
Piston
Post traitement : nettoyage de la pièce

Poudre
Alimentation
poudre
Piston
Piston
Piston
Alimentation
poudre
Production de pièces à géométrie complexe
Texture granuleuse
Bonnes propriétés thermo-mécaniques
Propriétés anisotropiques
Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires
Propriétés inférieures / matières moulées
17
SLS – applications
Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires, petites séries

Fabrication rapide de prototypes fonctionnels / pièces grâce à l’utilisation de
thermoplastiques haute performance
•
•
•
•
•
•
•
18
Bonnes propriétés mécaniques, remplacement métal, PA+CF, PA+GF
Excellent ratio rigidité/gain de poids
Performance en température > 150°C, PEEK
Résistance au feu, PEEK
Résistance à l’abrasion, PEEK
Bio compatible (PEEK, PA)
Excellentes propriétés chimiques : PA12
Aéronautique
Conduits d’airs en PEEK
Conduits d’airs en PA
Médical
Implant en PEEK
19
Prothèses dentaires
Prothèses
[Eos GmbH]
Association avec un CT-scan
Design
Industrie
[Eos GmbH]
Lampe design
Automobile
Trompette
d’admission
20
Carter d’huile
Collecteur d’admission d’air
Cadran de feu avant
[Solvay]
120
100
80
60
40
20
0
Elongation à la rupture (Mpa)
Résistance à la rupture (Mpa)
Comparaison SLS / Injection
60
50
40
30
20
10
0
[Eos GmbH]
Fragilité des pièces en SLS à cause de la porosité des pièces frittées
Les propriétés mécaniques dépendent de la direction X, Y, Z du fait de la
fabrication couche par couche
21
Dépôt de fil fondu (FDM)
Filaments
Tête extrusion

Roue motrice
Principe
Buse
Extrusion d’un fil thermoplastique

Matières :
Plateforme
Thermoplastiques : PC, PC/ABS, ABS, PPS, PEI

Post traitement :
Pièce
Support pièce
Bobine matière
support
Bobine matière
Dissolution de la résine support dans du détergent
et de l'eau
22
Bonne propriétés mécaniques et
thermiques des matériaux
Finition – état de surface
Utilisation de thermoplastiques
Pièces anisotropiques
Coût
Choix des matières
FDM – applications
Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires, petites séries

Prototypes fonctionnels grâce à l’utilisation de thermoplastiques haute
performance
•
•
•
•
•
23
Performances mécaniques : rigidité, résistance à l’impact (ABS, PC, PEI)
Résistance thermique > 150°C (PEI)
Excellente résistance au feu : comportement V0 des PEI
Biocompatible : ABS, PC, PPSU (stérilisable EtO et gamma)
Résistance chimique
FDM – applications
Aéronautique
Electronique
Conduits d’air en PEI
Ultem
ABS avec des
propriétés antistatiques
Médical
Industrie
Dispositifs médicaux en ABS
24
Matériautech®
/ Fabrication additive / 15.11.2013
[Stratasys]
Comparaison FDM / Injection
Elongation à la rupture (%)
Module de Young (Mpa)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
PPSU
PC
ABS
PC-ABS
PEI
ULTEM
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
PPSU
PC
ABS
PC-ABS
Fragilité des pièces en FDM du fait de l’adhésion entre les fils
Les propriétés mécaniques dépendent de la direction
X, Y, Z du fait de la fabrication couche par couche et
du sens du fil
25
PEI
ULTEM
Comparatif
Attribut
PolyJet
SLA
3DP
FDM
SLS
Matériau
Photopolymères
Photopolymères
Poudre à base de
plâtre
Thermoplastiques
Thermoplastiques
Finition /
Précision
+
+
+
-
-
0,015-0,203 mm
0,051-0,152 mm
0,089-0,203 mm
0,127-0,330 mm
0,102 mm
+
+
-
++
++
49,6-60,3
17,2-68,9
Faible
35,9-71,5
36,5-77,9
+
+
-
++
++
80°C
60°C (110°C)
Faible
>150°C
>150°C
+
+
-
+
+
1000×800×500
Objet1000
1500x750x550
iPro9000XL
508x381x229
Zprinter®850
914x610x914
Fortus900mc
1500x500x500
Hofmann
Oui
Non
Oui
Non
Non
20-500
30-600
15-200
1-450
150-600
Stratasys
3D Systems
3D Systems
Stratasys
EOS
3D Systems
Robustesse
[Mpa]
Tenue en
température
[°C]
Dim. max.
pièce [mm]
Multimatière/
muticouleur
Prix [k€]
Principaux
fournisseurs
26
Forces des technologies de fabrication additive

Pas besoin de développer d’outillages
•
Élimination des coûts liés à l’outillage

Complexité des pièces / liberté de design

Personnalisation / Individualisation / Différenciation

Flexibilité et réactivité
•
•
[Arcam]
Gain sur le développement de produits
Gain sur la fabrication
Time to market
27
Idée
Conception pièce
Idée
Conception pièce
Conception et Fabrication d’outillage
Impression
Production
Faiblesses des technologies de fabrication additive
28

Choix limité de matériaux par rapport aux techniques conventionnelles

Propriétés encore limités pour des applications hautes performances

Propriétés mécaniques inférieures par rapport aux technologies
conventionnelles

Aspect de surface, précision des détails, stabilité du process

Utilisation de matériaux spéciaux onéreux (poudre, fils…) limitant le choix
des matières
Conclusion - Innovation Arburg K2013



Fabrication sans structure de support couche par couche,
à partir d’infimes gouttelettes
Utilisation de granulés standards économiques au lieu de
matériaux spéciaux onéreux
Possibilité d’avoir des solutions multi matières
Obturateur à buse cadencée
Vis injection
Granulés
[Arburg]
Porte-pièces mobile à 3 ou 5 axes
29
Merci pour votre attention !
39 rue de la Cité 69441 LYON - Cedex 03 France
www.materiautech.org
30
Gilles GAUTHIER
Sébastien MOUSSARD
Materiautech® Manager
Tél : +33 (0) 426 682 856
[email protected]
Ingénieur matériaux
Tél : +33 (0) 426 682 857
[email protected]

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