Journée technique CETIM sur la "Fabrication additive"

Transcription

Billet d’étonnement
Journée technique CETIM
sur la "Fabrication additive"
Réalisé par Christian PUGET, CCIR Rhône-Alpes
Novembre 2015
SOMMAIRE
Introduction ______________________________________________________________3
Déroulement de la journée __________________________________________________5
Programme _________________________________________________________________ 5
Intervenants_________________________________________________________________ 5
Panorama des technologies de fabrication additive ________________________________6
Photopolymérisation en cuve ___________________________________________________ 6
Projection de matière _________________________________________________________ 7
Projection de liant ____________________________________________________________ 7
Fusion sur lit de poudre ________________________________________________________ 8
Extrusion de matière __________________________________________________________ 8
Dépôt sous flux d'énergie dirigé _________________________________________________ 9
Stratification de couches _______________________________________________________ 9
Focus sur les technologies additives métalliques ________________________________11
Impression 3D métal _________________________________________________________ 11
Fusion laser sur lit de poudre __________________________________________________ 12
Fusion faisceau d'électrons sur lit de poudre ______________________________________ 13
Apport direct par dépôt de fil fondu ______________________________________________ 14
Apport direct de poudres métalliques avec fusion laser ______________________________ 14
Apport direct de poudres métalliques - machines hybrides ___________________________ 14
Démonstration sur une machine SLM en atelier _________________________________16
Optimisation topologique ___________________________________________________18
Préparation et mise en support ______________________________________________20
Les coûts en fabrication additive _____________________________________________21
Les enjeux en fabrication additive métallique ___________________________________24
Les atouts de la technologie ___________________________________________________ 24
Les points clés pour la maîtrise de la technologie __________________________________ 24
Verrous et limitations actuelles de la technologie ___________________________________ 25
Le futur de la fabrication additive _______________________________________________ 25
Les échanges et les attentes de chacun _______________________________________27
Cas pratiques ______________________________________________________________ 27
Rappel des activités du CETIM en fabrication additive_______________________________ 28
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Journée technique Fabrication Additive
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INTRODUCTION
Cette journée technique sur la fabrication additive s'est déroulée dans les locaux du CETIM
(Centre Technique des Industries Mécaniques) à Saint-Etienne le 6 novembre 2015.
Elle réunissait plusieurs membres de la communauté de pratiques "Achats et Supply Chain"
animée par l'ARDI Rhône-Alpes. La principale mission de cette communauté réservée aux
industriels est de faciliter le partage d’expériences, les échanges et la capitalisation de bonnes
pratiques en matière d’organisation et de management industriel pour les responsables Achats
et Supply Chain.
Compte-tenu de l'impact opéré par la fabrication additive, notamment dans les fonctions Achats,
et plus globalement dans l'organisation des flux de production dans les entreprises, cette journée
avait pour objectif de présenter au groupe les enjeux et perspectives de la fabrication additive
pour que les participants puissent mieux appréhender les apports de cette technologie au sein
de leurs entreprises respectives.
Parmi les participants à cette journée, 2 profils professionnels ont été représentés :

Responsable achats et/ou supply chain.

Responsable bureau d'études et/ou développement.
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Ce billet d'étonnement, réalisé dans le cadre de l'action du DVM, Dispositif de Veille Mutualisée
entre la CCIR Rhône-Alpes et l'ARDI Rhône-Alpes pour qui la fabrication additive est une
thématique prioritaire, a pour but de restituer la teneur des différentes interventions tout en les
consolidant avec le travail de veille réalisé au quotidien par le dispositif.
Nous remercions Patrick EBADI et toute l'équipe du CETIM pour leur accueil et le temps qu'ils
nous ont consacré.
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DÉROULEMENT DE LA JOURNÉE
Cette journée s'est déroulée en alternant les présentations par des experts du CETIM, les
questions des participants, une démonstration en salle des machines ; et s'est conclue par des
échanges sur les attentes de chacun.
Programme
9h - 9h15
Introduction (Patrick EBADI)
9h15 - 10h30
Etat de l'art, panorama des différentes technologies, focus sur la
fabrication additive métallique, comment choisir une technologie
(Patrick EBADI)
10h30-11h15
L’optimisation topologique - Cas sur Inspire (Alain GARNIER)
11h15-12h
Démonstration sur une machine SLM et présentation de pièces
(Clément LALEVE)
12h-14h
Pause Déjeuner
14h-15h
Les coûts en fabrication additive (Florence DORÉ)
15h - 16h
Préparation et mise en support - Utilisation de Magics (Clément
LALEVE)
16h-17h30
Débat sur la faisabilité des pièces clients et suite à donner (Patrick
EBADI, Benoît VERQUIN, Gilles ALLORY)
Intervenants
Tous les intervenants de cette journée appartiennent au CETIM, Centre Technique des
Industries Mécaniques.

Patrick EBADI est consultant (pôle Procédés Performants et Innovants).

Alain GARNIER est spécialiste en calcul et simulation en mécanique.

Clément LALEVE est ingénieur (pôle Innovation Conception Simuation).

Florence DORÉ est docteur-ingénieur en ingénierie des poudres, chargée d'affaires en
fabrication additive (pôle Procédés Performants et Innovants).

Benoît VERQUIN (pôle Procédés Performants et Innovants).

Gilles ALLORY est responsable Ligne de produit fabrication additive (Pôle Procédés
Performants et Innovants)
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PANORAMA DES TECHNOLOGIES DE FABRICATION ADDITIVE
Selon la norme NF E67-001, la fabrication additive désigne l'ensemble des procédés
permettant de fabriquer, couche par couche, et par ajout de matière, un objet physique à partir
de son modèle numérique provenant des outils de CAO. Pour assurer la cohésion finale de
l'objet, chaque couche doit être liée de la manière la plus intime possible avec celle qui la
précéde. Le processus se déroule globalement en 4 étapes :

Création des données numériques par conception CAO 3D – STL.

Préparation des fichiers (corrections, orientation et placement des pièces, gestion des
supports, tranchage).

Fabrication proprement dite.

Finitions (nettoyage, enlèvement des supports, sablage, traitement thermique,
usinage,..).
Il existe aujourd'hui de nombreux procédés de fabrication additive, désignés par une multitude
de dénominations commerciales ou technologiques, sous forme de sigles ou libellés, en
français ou anglais, que la norme NF ISO 17296-2 de juin 2015 s'est efforcée de classer en 7
groupes que le CETIM nous a présentés.
Photopolymérisation en cuve
Ce procédé, connu sous le nom de stéréolithographie, repose sur la polymérisation d'une
résine liquide photosensible par lumière ultraviolette. C'est la première méthode de fabrication
additive à avoir été mise au point ; elle a été inventé quasi simultanément en France et aux
Etats-Unis il y a 30 ans, mais c'est l'inventeur américain Charles HULL qui a développé la
technologie en créant sa société, 3D Systems, en 1986.
Les photopolymères utilisés sont des fluides visqueux pouvant être colorés ou chargés à l'aide
de poudres plastiques, céramiques, métalliques, allant jusqu'à former une pâte photosensible ;
et l'objet final peut être rigide ou souple. C'est à ce jour, la technologie qui donne le meilleur
état de surface.
Une machine typique comporte une cuve remplie de photopolymère dans lequel est immergé
un plateau mobile en translation verticale, que l'on fait affleurer en début d'opération à la
surface du liquide. Chaque couche est ensuite construite en répétant autant de fois que
nécessaire les opérations élémentaires suivantes :

Descente du plateau d'une épaisseur de couche.

Insolation de la zone de travail par un balayage sélectif à l'aide d'un laser pour durcir
la résine et répétition du processus.
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Depuis quelques années, les brevets de base étant tombés dans le domaine public, de
nombreux fabricants proposent leurs propres produits avec de nombreuses variantes
destinées à réduire les coûts ou les temps de fabrication (changement de géométrie de la
machine, utilisation d'une source UV et d'un masque DLP à la place d'un laer, etc).
Projection de matière
Ce procédé repose sur le dépôt de minuscules gouttes de matière par projection sélective à
la surface de la pièce en cours de fabrication, grâce à des têtes d'impression multijets
fonctionnant sur le même principe que les imprimantes à jet d'encre, mais dont les orifices
sont adaptés.
Les matériaux utilisés sont des thermoplastiques ou de la cire à faible point de fusion, dans le
cas d'une solidification par refroidissement, ou bien des résines photosensibles avec un
durcissement par polymérisation aux ultraviolets. Certains peuvent être souples,
caoutchouteux ou chargés.
Une machine typique comporte un plateau mobile en translation verticale, au-dessus duquel
se trouvent les têtes d'impression (une source UV leur est juxtaposée en cas d'utilisation de
résines photosensibles) que l'on fait affleurer en début d'opération avec le plateau. Chaque
couche est ensuite construite en répétant autant de fois que nécessaire les opérations
élémentaires suivantes :


Projection sélective du matériau de construction sur la zone de travail et répétition du
processus.
Projection de liant
Ce procédé repose sur l'agglomération d'une poudre par un liant, projeté de manière sélective
à la surface de la pièce en cours de fabrication, grâce à des têtes d'impression multijets
fonctionnant sur le même principe que les imprimantes à jet d'encre. Il a été développé en
1993 par le MIT aux Etats-Unis, puis des licences d'exploitation ont été concédées à des
industriels.
Les matériaux utilisés sont des poudres plastiques, céramiques, métalliques, minérales ; le
liant, quant à lui, peut être disponible dans les 3 couleurs primaires et permettre ainsi la
création d'objets multicolores. Des traitements complémentaires, notamment d'imprégnation,
sont souvent nécessaires pour donner aux pièces des propriétés mécaniques augmentées.
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Une machine typique comporte une cuve munie d'un plateau mobile en translation verticale,
au-dessus duquel se trouvent les têtes de projection de liant que l'on fait affleurer en début
d'opération avec le plateau, et d'un réservoir de poudre. Chaque couche est ensuite construite
en répétant autant de fois que nécessaire les opérations élémentaires suivantes :


Dépôt sur la zone de travail d'une couche uniforme de poudre à l'aide d'une lame ou
d'un rouleau.

Dépôt sélectif de fines gouttes de liant par la rampe d'impression et et répétition du
processus.
Fusion sur lit de poudre
Ce procédé repose sur la fusion sélective d'un lit de poudre par un rayon laser projeté par une
tête galvanométrique sur la surface de travail, ou par un faisceau d'électrons.
Les matériaux utilisés sont des poudres métalliques, polymères ou céramiques. La nature
exacte des liaisons est fonction des matériaux.
Une machine typique comporte un bac muni d'un plateau mobile en translation verticale audessus duquel se trouve le système d'irradiation, et d'un réservoir de poudre. Au début du
processus, le plateau est positionné en eau de la cuve et chaque couche est construite en
répétant autant de fois que nécessaire les opérations élémentaires suivantes :

Descente du plateau d'une épaisseur de couche

Dépôt sur le plateau de travail d'une couche uniforme de poudre à l'aide d'une lame ou
d'un rouleau.

Fusion sélective de la poudre et répétition du processus.
Extrusion de matière
Ce procédé qui repose sur l'extrusion d'un polymère thermoplastique à travers une buse
chauffante a été développé initialement il y a environ 25 ans par Scott CRUMP, fondateur de
Stratasys. C'est une technologie qui s'est depuis largement démocratisée car elle est peu
coûteuse.
A la base, seuls des matériaux thermoplastiques peuvent être utilisés mais la gamme est très
large en terme de type de polymères, couleurs, charges, format (bobines de fils ou granulés).
Une machine typique comporte un plateau mobile en translation verticale, au-dessus duquel
se trouvent une ou plusieurs têtes d'extrusion que l'on fait affleurer en début d'opération avec
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le plateau. Le plateau et/ou l'enceinte de fabrication peuvent être chauffés pour améliorer la
cohésion finale de l'objet. Chaque couche est ensuite construite en répétant autant de fois que
nécessaire les opérations élémentaires suivantes :


Dépôt en continu sur la zone de travail d'un fil fondu et répétition du processus.
Il faut souligner que ces dernières années, une technologie dérivée est apparue, consistant à
remplacer la buse chauffante par un pousse-seringue pour pouvoir extruder toutes sortes de
matières pâteuses (béton, matières alimentaires, biologiques, etc) mais les applications
s'éloignent ici du secteur de la mécanique.
Dépôt sous flux d'énergie dirigé
Ce procédé met en œuvre une projection de poudre ou une fusion de fil métalliques dans un
flux d'énergie laser, plasma ou faisceau d'électrons. Il est dérivé de la technique de
rechargement laser utilisée habituellement pour des opérations de réparation de pièces en
métal. De part son principe de fonctionnement, il ne peut être utilisé que si un support
métallique intégré à la pièce finale est déjà présent.
Les matériaux employés sont donc des poudres ou des fils métalliques.
Une machine typique est semblable à une machine-outil multiaxes mais les outils coupants
traditionnels sont remplacés par une torche approvisionnée en matériau fusible. Chaque
couche est ensuite construite en répétant autant de fois que nécessaire les opérations
élémentaires suivantes :

Positionnement en continu de la pièce support.

Dépôts successifs de métal.
Bien que ce procédé ne permette pas de fabriquer des pièces aussi complexes que la fusion
sur lit de poudres, il offre l'avantage de permettre la réalisation de grosses pièces ou l'ajout de
parties sur des pièces existantes.
Stratification de couches
Ce procédé repose sur la découpe de matériaux en feuilles qui sont ensuite liées entre elles
pour former l'objet final.
Tous les matériaux qui peuvent être approvisionnés en feuille ou en plaque sont utilisables
(plastiques, bois, papiers, métaux, etc).
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Les 7 grandes catégories de procédés
Matériaux
Polymères thermodurcissables (époxy et
acrylates)
Photopolymérisation
en cuve
Projection de
matière
X
X
Polymères thermoplastiques (PA, ABS,
PPSF, etc)
X
Projection
de liant
Fusion sur lit
de poudre
Extrusion
de matière
Dépôt de matière sous
flux d'énergie dirigé
Stratification de
couches
X
X
X
X
Bois (bois, papiers, etc)
X
Métaux (aciers, alliages titane, chrome-cobalt,
etc)
Matériaux céramiques industriels (alumine,
zircone, nitrure de silicium, etc)
Matériaux céramiques structurels (ciment,
sable de fonderie, etc)
Pour en savoir plus
sur chaque procédé,
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FOCUS SUR LES TECHNOLOGIES ADDITIVES MÉTALLIQUES
Le CETIM intervient plus particulièrement sur la fabrication additive métallique car elle permet
d'obtenir des pièces directement fonctionnelles avec de bonnes propriétés mécaniques, aussi
bien pour des prototypes à haute valeur ajoutée que des pièces finales adressant le marché
de l'aéronautique, du médical, de l'outillage, etc.
L'intervention du CETIM s'est donc poursuivie en abordant les variantes technologiques
permettant de réaliser de telles pièces.
Impression 3D métal
Ce procédé fait partie de la catégorie "Projection de liant" décrite dans le chapitre précédent.
La poudre utilisée est une poudre métallique, éventuellement mélangée avec un additif qui va
réagir avec le liant projeté par la rampe d'impression multijets. Après fabrication, la pièce
obtenue doit alors subir un post-traitement :

Déliantage d'une durée de 6 à 12h, qui consiste à éliminer les traces de liant.

Frittage sous vide à 1100 C pour souder les grains métalliques.

Infiltration par capillarité de bronze.
Une variante utilisant la même technologie "Projection de liant" permet de réaliser la pièce
métallique de manière indirecte. On remplace la poudre métallique par du sable de fonderie
pour obtenir un moule dans lequel on coule ensuite du métal en fusion.
Enfin, une dernière variante utilise la technologie "Projection de matière" pour créer un positif
en cire que l'on va utiliser dans le procédé de moulage à cire perdue pour obtenir la pièce en
métal.
Rappel des acteurs-clés :

Prometal (groupe ExOne, Etats-Unis, création en 2015).

SLS de 3D Systems

Digital Metal (groupe Höganäs)

VoxelJet (Allemagne, création en 1995)
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Fusion laser sur lit de poudre
Ce procédé fait partie de la catégorie "Fusion sur lit de poudre" décrite dans le chapitre
précédent, l'énergie thermique étant ici apportée par un faisceau laser.
L'offre disponible est relativement étendue et les différents modèles proposés par une dizaine
de constructeurs se distinguent par :

Une taille de plateau comprise entre 100 x 100 mm et 600 x 400 mm.

Une hauteur de travail comprise entre 80 et 500 mm.

Une température de l'ordre de 120 °C dans l'enceinte de travail.

Une puissance laser installée oscillant généralement entre 200 et 500 W, avec
quelques exceptions à 1 ou 2 kW, et quelques cas d'utilisation de 2 lasers.

Un investissement entre 200 et 1500 k€.
La gamme de matériaux est elle aussi relativement large, on trouve :

Des alliages de titane (TiAl6V4, TiAl6V4 ELI, T40, Ti Al6Nb7).

Des alliages chrome-cobalt (MP1, SP2).

Des alliages d'aluminium (AlSi10Mg, AlSi12).

Des aciers à outils (Maraging 1.2709, H13).

Des aciers inoxydables (316L, 304L, 15-5 PH, 17-4 PH).

Des alliages de nickel (Hastelloy X, Inco 625, Inco 718).

Des métaux précieux (or, argent).
Les principaux acteurs sont :

Concept laser (Allemagne, création en 2000).

EOS (Allemagne, création en 1989).

3D Systems (Etats-Unis, création en 1986, via une prise de participation majoritaire en
2013 dans la société française Phenix Systems).

Realizer (Allemagne, création en 2004).

Renishaw (Royaume-Uni).

SLM Solutions (Allemagne, société très ancienne mais dont l'implication dans la fusion
laser remonte à l'année 2000).
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Fusion faisceau d'électrons sur lit de poudre
Ce procédé fait partie de la catégorie "Fusion sur lit de poudre" décrite dans le chapitre
précédent, et l'énergie thermique est apportée par un faisceau d'électrons, l'enceinte étant
maintenue sous vide secondaire, ce qui permet d'éviter l'oxydation et la présence de bulles
d'air.
L'offre disponible est extrêmement étroite puisqu'il n'existe qu'un seul fabricant, Arcam (Suède,
création en 1997) qui propose une gamme de 3 modèles caractérisés par :

Une taille de plateau de 200 x 200 mm ou de Ø 350 mm.

Une hauteur de travail de 180 ou 380 mm.

Une température de l'ordre de 700 °C dans l'enceinte de travail.

Une puissance du faisceau d'électrons de 3 kW au maximum.
La gamme de matériaux est relativement étroite, on trouve :

Des alliages de titane (TiAl6V4, TiAl6V4 ELI).

Des alliages chrome-cobalt (ASTM F75).
Les principaux avantages sont :

La productivité grâce à la puissance élevée du faisceau d'électrons alliée à la vitesse
très élevée du balayage (8000 m/s) due à la déflexion électrostatique du faisceau.

Faibles contraintes résiduelles grâce à la température de travail élevée et la fusion
simultanée sur plusieurs couches.

Peu ou pas de supports, car la cohésion de la poudre non fusionnée est suffisamment
forte à cause de la température de travail qui lui fait subir un préfrittage. Seuls quelques
supports sont nécessaires pour évacuer la chaleur.

Possibilité d'empilement de pièces, toujours grâce à la cohésion de la poudre.
Les principaux inconvénients sont :

Etat de surface moyen.

Temps de refroidissement.

Enlèvement de la poudre, il faut pouvoir extraire la pièce de sa gangue de poudre
agglomérée qui n'est pas toujours récupérable.

Offre matériau faible.
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Apport direct par dépôt de fil fondu
Ce procédé fait partie de la catégorie "Dépôt sous flux d'énergie dirigé" décrite dans le chapitre
précédent. Il met en œuvre une fusion de fil métallique dans un flux d'énergie pouvant être,
selon les fournisseurs d'équipements, de plusieurs types :

Un faisceau d'électrons, solution notamment proposée par la société SCIAKY, un
spécialiste du soudage qui a tiré profit de son expérience antérieure pour mettre au
point cette offre de fabrication additive qui permet d'éviter oxydation et bulles grâce aux
conditions de mise en œuvre sous vide secondaire.

Une exploitation du Gas Metal Arc Welding (GMAW), mis au point à l'université
Cranfield au Royaume-Uni.

Plasma / NTiC

Ion Fusion Formation (IFF) mis au point par Honeywell

Cranfield University (Royaume-Uni)

Honeywell Aerospace (Etats-Unis)

Sciaky (Etats-Unis, création en 1939)
Apport direct de poudres métalliques avec fusion laser
Ce procédé fait partie de la catégorie "Dépôt sous flux d'énergie dirigé" décrite dans le chapitre
précédent. Il met en œuvre une projection de poudres métallique dans un flux d'énergie laser.
Fixée dans le mandrin d'une machine multiaxes, la pièce est orientée en permanence pour
toujours présenter une surface de travail horizontale et s'affranchir des problèmes de gravité.

BeAM (France, création en 2012)

Optomec (Etats-Unis, création en 1998)

Trumpf (Allemagne, création en 1923)
Apport direct de poudres métalliques - machines hybrides
Bien qu'il soit le résultat d'un rapprochement avec la fabrication soustractive, ce procédé
s'inscrit néanmoins dans la catégorie "Dépôt sous flux d'énergie dirigé" décrite dans le chapitre
précédent. Il met en œuvre une projection de poudres métalliques dans un flux d'énergie par
rayon laser.
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Les géants mondiaux de la machine-outil commencent à proposer des machines hybrides
résultant d'une association entre un centre d'usinage traditionnel et un système de fabrication
additive. Ils mettent en avant la complémentarité des deux systèmes, et les solutions
proposées permettent d'alterner, sans décharger la pièce, les phases de construction additive
et les reprises par enlèvement de matière nécessaires à la finition. On retrouve notamment :

DMG Mori (en partenariat avec Sauer Lasertec) et Mazak.

ELB Schliff et Hamuel Reichenbacher, en partenariat avec la société Hybrid
Manufacturing Technologies qui a conçu une tête amovible spécifique pour être
installée dans les machine-outils.
Certains experts sont partagés sur la pertinence d'une telle offre car les traitements thermiques
habituellement pratiqués pour libérer les contraintes ne peuvent pas être mis en œuvre dans
cette configuration. Néanmoins, le CETIM pense que des réponses adaptées seront
prochainement proposées.

DMG Mori (Allemagne), voir aussi cette vidéo

ELB Schliff (Allemagne)

Hamuel Reichenbacher (Allemagne)

Hybrid Manufacturing Technologies (Royaume-Uni)

Mazak (Japon)

Sauer (Allemagne)
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DÉMONSTRATION SUR UNE MACHINE SLM EN ATELIER
Pour illustrer les propos relatifs aux différents procédés et variantes technologiques existants,
une démonstration a été faite en atelier sur une machine de technologie SLM (fusion laser)
EOS M 290 qui dispose d'une capacité de fabrication de 250 x 250 x 325 mm soit environ
20 dm3.
La puissance du laser est de 400 W (diamètre de faisceau 70 microns) ; les matériaux utilisés
sont des alliages Titane (Ti6Al4V ELI) ou chrome-cobal (Co-Cr).
Sur la photo, la machine (à droite) est accompagnée de son système de filtration (à gauche).
Le travail a lieu sous atmosphère protectrice d'azote ou d'argon pour empêcher l'oxydation
et/ou l'inflammation spontanée.
Le budget d'acquisition de cet équipement fabriqué par le constructeur allemand EOS est
d'environ 700 000 €.
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L'impression a lieu sur un plateau d'impression massif du même métal que la poudre. Le
balayage du faisceau laser obéit à des stratégies géométriques particulières destinées à limiter
l'anisotropie de fabrication. A la fin du processus, la pièce est retirée par sciage (sous fluide
de coupe notamment pour le titane pour éviter l'inflammation spontanée).
Pour éviter que les pièces se déforment dès la séparation du plateau, il est souvent nécessaire
de pratiquer un traitement thermique de détensionnement afin de libérer les contraintes
résiduelles créées lors de la fabrication.
Après chaque séparation, le plateau (qui fait office de support solidement fixé sur la machine)
doit être fraisé et/ou rectifié.
Le Ti6Al4V est l'alliage phare de l'industrie du titane, également connu sous le nom Grade 5,
TA6V ou Ti 6-4. Il est conseillé pour un usage aréonautique, spatial ou médical.
Entre chaque fabrication, il faut compter environ 4 heures de main d'œuvre pour laisser
refroidir la machine, aspirer la poudre, nettoyer les filtres, etc. Ces opérations doivent se faire
avec les plus grandes précautions avec des équipements de protection individuelles (les
poudres sont volatiles, certaines sont toxiques ou s'enflamment très facilement) ; présence de
2 personnes simultanément, extincteur classe D spécial feux de métaux à proximité.
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OPTIMISATION TOPOLOGIQUE
Dans le calcul des structures en général, l'optimisation topologique consiste à définir des
géométries qui offrent le meilleur compromis entre les performances mécaniques et la quantité
de matière engagée.
Ce calcul est confié à des logiciels spécialisée comme :

Inspire édité par SolidThinking, une société du groupe Altair.

Optistruct édité par Hyperworks, une société du groupe Altair.

Abaqus/ATOM édité par Dassault Systèmes.

TOSCA Structure édité par FE-DESIGN, une société du groupe Dassault Systèmes.

Genesis édité par VR&D.
Pour le mettre en œuvre, on commence par définir un avant-projet en CAO que l'on soumet à
l'outil d'optimisation topologique en lui spécifiant un certain nombre de critères :

Un volume de construction limite.

Des critères de dimensionnement relatifs aux efforts et sollicitations qui seront
appliqués à la pièce (déformées, contraintes statiques, flambage, vibrations, inertie,
etc).

Des critères de fabrication (zones où la matière est imposée, points d'ancrage,
épaisseur minimale ou maximale des renforts, etc)
Le logiciel réalise ensuite un calcul qui peut prendre de quelques minutes à plusieurs heures
selon la complexité de la pièce et délivre un modèle 3D, de topologie organique parfois
surprenante, dans lequel toute la matière faiblement chargée, voire inutile, a été enlevée. Des
zones peuvent aussi être remplies partiellement de matière, de type treillis.
Ce modèle est ensuite reconstruit en CAO pour s'insérer correctement dans un processus
classique de bureau d'études et lui donner une meilleure acceptabilité visuelle (raffinage de la
géométrie).
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L'optimisation topologique n'est pas réservée à la fabrication additive mais c'est avec elle
qu'elle prend tous son sens pour plusieurs raisons :

La matière première est chère, surtout lorsqu'il s'agit de poudres métalliques, et si
l'optimisation permet de l'économiser, le coût de l'objet final en est réduit d'autant.

La principale limitation de la fabrication additive étant la lenteur d'impression, réduire
la quantité de matière à traiter permet aussi de raccourcir la durée du process.

Enfin, les résultats d'une optimisation débouchant souvent sur des formes organiques,
la fabrication additive offre beaucoup plus de liberté pour les fabriquer que les
techniques traditionnelles.
La présentation a été faite avec le logiciel Inspire.
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PRÉPARATION ET MISE EN SUPPORT
En fonction des technologies et des matériaux, il est souvent nécessaire de recourir à des
supports construits en même temps que la pièce pour soutenir les parties en contre-dépouille,
sous peine de voir basculer la pièce au cours du process.
De par le principe de fonctionnement de la fusion laser sur lit de poudre, les pièces se
retrouvent forcément soudées sur le plateau de construction, ce qui constitue un premier
support par défaut. Au fur et à mesure que la construction progresse, d'autres supports
peuvent être nécessaires car ils assument plusieurs rôles :

Ils supportent les surfaces nouvellement fusionnées, en particulier les faces en contredépouille ou en porte à faux.

Ils évitent que des portions de pièces en constuction basculent par gravité dans le lit
de poudre.

Ils servent à dissiper la chaleur en utilisant le plateau de fabrication comme radiateur.

Ils peuvent prévenir une déformation de la pièce liée à la dilatation différentielle de
zones plus ou moins chaudes qui pourrait entraîner une collision avec le mécanisme
de dépôt de poudre.
Néanmoins, comme les supports consomment de la matière et qu'il faut ensuite les enlever
manuellement, on essaie d'optimiser au mieux le positionnement et la forme de la pièce afin
de les réduire au maximum, et l'on fait notamment appel à des logiciels de mise en support
comme Magics, qui est utilisé par le CETIM.
Magics est un logiciel, proposé par Materialise, qui permet d’importer un fichier CAO et de
l'exporter ensuite en fichier STL prêt pour la fabrication additive. Ses fonctionnalités couvrent
notamment la réparation et l’optimisation des modèles 3D, l’analyse des pièces, l’installation
sur la plateforme de conception, la création des supports.
Grâce à lui, on peut visualiser la pièce selon différentes orientations, choisir celle qui génère
le moins de supports ; positionner plusieurs pièces identiques sur le plateau de travail de
manière à ce qu'il y ait le moins d'angles susceptibles de heurter le rouleau.
Un aperçu des règles de mise en support est disponible ici.
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LES COÛTS EN FABRICATION ADDITIVE
Il est possible d'obtenir un premier chiffrage en se connectant sur le site dédié proposé par le
fournisseur de services d'impression Materialise. Après identification, on charge le fichier STL
que l'on veut imprimer, puis l'on choisit la technologie, le matériau, la finition, la quantité, le
délai et l'on obtient directement une cotation.
Les coûts présentés ici sont basés sur le retour d'expérience en fusion laser sur lit de poudre
avec la machine EOS M 290 installée au CETIM.
L'évaluation des coûts en fusion laser sur lit de poudre se décompose en trois parties :

Coût machine (prix d'achat de la machine, maintenance, consommables hors poudre).

Coût de la matière.

Coût de la main d'œuvre comprenant (

Le temps d'ingénierie (CAO, optimisation topologique, mise en support,
contrôles)

Le temps opérateur (préparation machine, déballage, nettoyage, séparation de
la pièce du plateau).
Le retour d'expérience a montré qu'il est impossible de dégager une proportion unique entre
ces 3 coûts. Le tableau suivant donne une estimation du coût de production pour une capacité
d'utilisation maximale du plateau, c'est-à-dire en regroupant le plus possible de pièces d'une
même série ou de séries différentes sur un même plateau.
Coût de production
Petite pièce en titane
Grosse pièce en inox
46 g
4 kg
10 cm3
490 cm3
18
1
Temps de fabrication
20 h
51 h
Temps de main d'œuvre
1h
1h
500 € / kg
80 € / kg
Poids de la pièce
Volume de la pièce
Nombre de pièces par plateau
Coût de la poudre
Coût du plateau
Coût de la pièce unitaire
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1350 €
3230 €
dont 30 % pour la matière
dont 10 % pour la matière
75 €
3230 €
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A ces coûts, il convient d'ajouter également ceux concernant, le cas échéant :

La conception en bureau d'études : CAO, optimisation topologique, préparation et mise
en support, contrôle.

Le détensionnement, soit 750 € pour 6 plateaux.

La séparation des pièces du plateau par sciage, soit 120 € par plateau.

La compression isostatique à chaud pour fermer la porosité résiduelle, soit 315 € par
plateau.

Un traitement thermique, soit 1200 € pour 6 plateaux.
Quant au prix des poudres, le tableau ci-dessous donnent des prix indicatifs qui sont à ajuster
selon :

Les négociations commerciales.

La granulométrie.

La présence en stock ou sur-mesure.

Le coût des matières premières.
Exemples de prix des poudres
Fournisseur machine
Fournisseurs tiers
Acier Maraging
130 €/kg
Inox 316L
80 €/kg
50 €/kg
AlSi10Mg
110 €/kg
35 €/kg à 56 €/kg
Co-Cr (médical)
220 €/kg
TiAl6V (médical)
590 €/kg
Inconel
135 €/kg
303 €/kg
Il faut aussi prendre en compte le prix de la poudre nécessairement engagée dans une
machine pleine même si, à fin du process, seuls quelques pourcents auront été fusionnés. Ce
coût peut atteindre près de 20 k€ pour une poudre titane pour remplir la machine EOS M290
installée au CETIM.
Les poudres sont généralement fournies par les fabricants de machines eux-mêmes. Les
meilleurs résultats sont obtenus avec une distribution gaussienne de la granulométrie, ce qui
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suppose des contrôles très stricts. Des fabricants génériques commencent à apparaître, avec
des coûts inférieurs mais l'appel à ces fournisseurs tiers est encore limité.
En effet, un fabricant conseille d'utiliser ses poudres, sinon il ne garantit pas le résultat ou la
fiabilité de la machine. Le prix élevé des poudres vendues par les fabricants sont
accompagnées d'une garantie de résultat et des paramètres de fabrication spécifiques pour
chaque poudre (épaisseur de couche, puissance du laser, vitesse et stratégies géométriques
de déplacement). En fait, en achetant un kg de poudre, on ne paie pas que le métal, mais
aussi tous les paramètres optimisés pour le couple poudre/machine, une garantie de résultats
et une garantie de bon fonctionnement de la machine.
Le CETIM va s'équiper prochainement d'une tour d'atomisation pour pouvoir fabriquer ses
propres poudres.
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LES ENJEUX EN FABRICATION ADDITIVE MÉTALLIQUE
Les atouts de la technologie
La fabrication additive est indispensable ou difficilement contournable par rapport à un certain
nombre de critères.

Production de formes gauches.

Formation d'évidements : possibilité notamment de réaliser des canaux internes aux
formes complexes pour la circulation des fluides, notamment pour le conformal cooling
dans les outils d'injection des matières plastiques (avec les techniques
conventionnelles, on peut arriver à un résultat approchant en réalisant une succession
de perçages bouchages).

Allégement : La réduction de quantité de matière utilisée grâce à la texturation des
surfaces et des parois, grâce à l'optimisation topologique.

Limitation des assemblages : c'est une grande force de la technologie car principale
source d’économie dans la construction de pièces complexes.

Fabrication sans outillage.

Personnalisation : c'est notamment le cas pour la réalisation des prothèses qui
peuvent s'adapter parfaitement à la morphologie des patients.

Texturation des surfaces : toujours dans le domaine des prothèses par exemple, les
surfaces en contact avec l'os peuvent être réalisées en structures de type "lattice" pour
favoriser l'accroche et la repousse osseuse.

Ajout de fonctions.

Réparation : le dépôt sous flux d'énergie dirigé est particulièrement adapté à la
réparation des pièces mécaniques, notamment de grande taille. Sur certaines
machines de fusion sur lit de poudre, on peut également reprendre des pièces
existantes grâce à un plateau de travail spécifique.
Les points clés pour la maîtrise de la technologie
Il existe une forte interdépendance entre les matériaux, les procédés et les post-traitements.

Conception optimisée de la pièce (optimisation topologique, structuration, éviter les
angles vifs, mettre des congés, prévoir l'évacuation de la poudre, etc).

Choix de la technologie de fabrication, paramétrage de la machine, mise en plateau,
création des supports.

Choix des matériaux et caractéristiques de la poudre.
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
Post traitement : découpe des supports, traitements thermiques ou de surfaces,
reprises d’usinage, nettoyage, contrôle non destructif.
Verrous et limitations actuelles de la technologie
La fabrication additive métallique est limitée à la réalisation de bruts ouvragés pour du
prototype ou de la petite série.

En raison du faible débit matière (actuellement de l'ordre de 10 cm3/heure pour du lit
de poudre ou 100 cm3/heure pour de la projection), la technologie est inadaptée aux
grandes séries. C'est la limitation la plus durable.

Rugosité et précision moyennes (Ra 5 à 20, précision 0,1 à 0,5 mm).

Effet escalier fonction de l'épaisseur des couches et de l'orientation de la surface par
rapport à l'horizontale.

Anisotropie (les caractéristiques métallurgiques selon les axes de construction X-Y
sont différentes de l'axe Z).

Volume de fabrication relativement faible pour le lit de poudre (125 dm 3 pour la plus
grande des machines actuelles).
Les coûts sont en évolution à la baisse.

Prix et productivité des machines (puissance, volume, débit…)

Prix poudres-résines (structuration filières d’approvisionnement)
Des qualifications sont en cours de déploiement

Validation sur applications « phares » : aéronautique (GE) - médical (ORTHOPEE).

Normalisation en plein déploiement (UNM 920, TC ISO 261, projet EU SASAM).

Nouveaux matériaux / maîtrise des propriétés (exemple : projet FUI MOULINNOV…),
réservé aux matériaux soudables.
Règles et compétences à formaliser en conception

Assimilation des règles de conception (normes, logiciels dédiés) et formation.

Développement d’outils de simulation des procédés.
Le futur de la fabrication additive
Ces technologies sont loin de leurs limites. Elles vont prendre une place importante pour la
réalisation de pièces brutes ouvragées unitaires (ou petite série) à forte valeur ajoutée
(applications exigeantes, géométries complexes, matériaux nobles comme le Titane, etc).
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Aujourd'hui, les applications métalliques ont été développées dans quelques industries mais
la fabrication additive ne réprésente généralement qu'une part marginale de la fabrication.
Malgré sa forte croissance, le marché reste faible par rapport à l'industrie de la machine-outil
(10 % pour la fabrication additive métallique).
Le gain sur le cycle de vie des produits sera le paramètre champion de la fabrication additive
et celle-ci doit évoluer vers une meilleure performance produit pour dépasser celle des pièces
issues de procédés conventionnels.
Le coût reste élevé par rapport aux procédés conventionnels mais les analystes tablent sur un
potentiel de réduction important de 60 % à 5 ans et de 30 % supplémentaires à 10 ans.
Les donneurs d’ordre et les fabricants de produits et composants vont avoir accès à des
géométries complexes permettant de limiter le nombre d’assemblages et d’optimiser le ratio
fonctionnalité / coût des pièces.
La fabrication additive est une opportunité de diversification pour les sous-traitants en
mécanique (usineurs, forgerons, fondeurs, etc) comme certains ont déjà commencé à le faire ;
mais aussi pour les constructeurs d'équipements de production qui ont des places à prendre
pour proposer des solutions dans l'architecture des machines, l'intégration des servitudes, les
contrôles de fonctionnement, etc.
Introduction de plusieurs lasers.
Structure de couches optimisée avec différentes épaisseurs.
Vitesse de construction
Mis en parallèle des processus de mise en couche et lasage.
Plusieurs chambres de fabrication.
Meilleure stabilisation du process du fait de nouveaux mode de suivis en
ligne.
Coût accepté par les clients.
Prix des machines
Amélioration des processus et augmentation des contrôles qualité, de
l'électronique, du nombre de lasers augmentent le prix de la machine, en
partie compensé par des économies d'échelle.
Les prix de vente par les fournisseurs n'est pas représentatif des coûts
de production.
Prix des poudres
Avec l’accroissement en volume du marché, les producteurs de poudres
vendront directement aux utilisateurs, mais problématique de la
qualification des poudres à prendre en compte.
Baisse des prix du fait de l’accroissement des volumes de fabrication
(consommation attendue augmentée de 900 à 9000 tonnes d’ici 2023)
Coût du travail
Des systèmes fiables permettront de réduire l'effort de surveillance et de
dépannage.
Introduction de systèmes d'élimination automatique des excédents de
poudre.
Ils ne sont actuellement pas perçus comme le facteur limitant.
Volume de chambre
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Les problèmes liés à la fiabilité du processus mettront au second plan
les efforts pour augmenter le volume
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LES ÉCHANGES ET LES ATTENTES DE CHACUN
A la fin de la journée, les entreprises ont soumis aux experts du CETIM des cas pratiques qui
ont été examinés et débattus. Afin de préserver l'anonymat des entreprises et la confidentialité
des projets, les 2 cas présentés ici à titre d'illustration ont été sortis de leur contexte.
Cas pratiques
Dans son process de fabrication, l'entreprise X utilise des outillages qui comportent des
serpentins de différentes tailles en tube de cuivre. Lorsqu'ils subissent un choc, ils doivent être
impérativement changés car les déformations provoquées, mêmes mineures, faussent
l'outillage et compromettent la répétabilité du process. Afin de s'affranchir des problèmes de
stock et/ou de délais de fabrication, la société X s'interroge sur la faisabilité d'une production
à la demande en fabrication additive, impérativement en cuivre.
Pour répondre à cette préoccupation, la fusion sur lit de poudre pourrait être utilisée mais
l'usage du cuivre n'est pas très répandu en fabrication additive. De plus, les caractéristiques
électriques et mécaniques attendues sont particulières et même si l'on trouve la bonne poudre,
il faudra une opération de qualification des paramètres, comme déjà mentionné.
En abordant le problème sous un autre angle, la fusion sur lit de poudre pourrait être utilisée
avec un polymère pour construire un serpentin post-traité en métallisation par dépôt
électrolytique de cuivre, comme le pratique la société Corima Technologies, avec des
épaisseurs qui peuvent atteindre plusieurs millimètres. Il resterait à éliminer le plastique, à
l'aide d'un solvant par exemple.
L'entreprise Y a présenté une pièce réalisée en tôles pliées, poinçonnées puis assemblées en
mécanosoudure, d'une vingtaine de centimètres de côté. S'agissant de petites séries, la
société s'interroge sur la possibilité de les passer en fabrication addive.
En terme de réponse, il s'avère que le passage direct à la fabrication additive ne sera pas
viable, car beaucoup trop onéreux par rapport au faible coût des techniques conventionnelles
employées jusqu'ici. Par contre, un besoin d'ajout de nouvelles fonctions venant compliquer la
réalisation pourrait changer la donne, car c'est là que la fabrication sait montrer sa force.
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Rappel des activités du CETIM en fabrication additive
Le CETIM peut accompagner les industriels à différents niveaux dans leur démarche
fabrication additive.
Domaines d'intervention :

Etudes de faisabilité technico-économiques.

Accompagnement à l’industrialisation.

(Re)Conception de produits.

Mise en forme de nouveaux matériaux.

Développements collaboratifs (ORTHOPEE, MOULINNOV, etc).

Formation professionnelle.
Le CETIM intervient à plusieurs niveaux de la chaîne de valeur :

Choix et caractérisation des poudres.

Choix et paramétrage des machines.

Optimisation de la conception des pièces.

Mise au point de la fabrication et des traitements thermiques, notamment avec la
réalisation de pièces de démonstration, ou l'accès à de plateformes de travail
partagées.

Contrôle ; caractérisation métallurgique, métrologique et mécanique.
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Journée technique CETIM sur la "Fabrication additive"

Transcription

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