L`outillage rapide : la technique de frittage laser de poudre

VISIONS "Fiche n°1"
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Technique
SUPPLÉMENT
TECHNIQUE N
°1
PROTOTYPAGE
▼
L’outillage rapide : la technique
de frittage laser de poudre
Description
technique
EST DE NE PLUS RÉALISER du procédé
L’IDÉE DE BASE
DE L’OUTILLAGE RAPIDE
UNE EMPREINTE
EN PARTANT D’UN BLOC
ET EN PROCÉDANT
CLASSIQUEMENT PAR
ENLÈVEMENT DE MATIÈRE,
MAIS AU CONTRAIRE DE
CONSTRUIRE L’EMPREINTE
PAR AJOUTS SUCCESSIFS
DE MATIÈRE, COUCHE PAR
COUCHE.
CETTE MÉTHODE PERMET
DE RÉDUIRE
CONSIDÉRABLEMENT LES
TEMPS DE FABRICATION
ET DE DÉVELOPPEMENT DE
NOUVEAUX PRODUITS.
PLUSIEURS
TECHNOLOGIES SONT
DÉSORMAIS DISPONIBLES
SUR LE MARCHÉ,
MAIS LA TECHNOLOGIE
DE FRITTAGE LASER DE
POUDRE, CHOISIE PAR
LE PEP, SEMBLE ÊTRE
LA TECHNOLOGIE
LA PLUS RÉPANDUE
ET LA PLUS COMPLÈTE.
■ MACHINE : la machine de frittage
laser du PEP se décompose en
plusieurs éléments : un laser CO2
de 240W, un scanner galvo de
grande vitesse, une plateforme de
construction de 250 x 250 mm
(hauteur de construction maxi :
150 mm), une plateforme d’alimentation de poudre, un système de
racleur de haute précision et un
ordinateur de contrôle. Selon les
poudres utilisées, un générateur
d’azote peut-être branché. Enfin,
la plateforme de construction est
chauffée afin de réduire d’éventuelles contraintes dues à la
construction et d’éliminer l’humidité résiduelle de la poudre.
OBTENTION DES FICHIERS :
comme pour tous les procédés de
construction rapide, les produits
sortant de la machine sont réalisés
à partir d’un fichier CAO en trois
dimensions. A partir d’un logiciel,
un fichier numérique volumique
d’une pièce ou d’une empreinte
d’injection est créé. Dans le
cas d’empreintes, il est possible
■
CONTACT
Bruno LE RAZER, Chef de Projet R&D
PÔLE EUROPÉEN
DE PLASTURGIE
2, rue Pierre
et Marie Curie
01100 Bellignat
Tél : 04 74 81 92 60
Fax : 04 74 81 92 61
b l e ra z e r @ p o l e p l a stu r g i e. c o m
Fort de quatre années
d‘expérience acquises en
France (Multistation
revendeur de machines de
prototypage rapide) et à
l’étranger (Rover), ce docteuringénieur en matériaux s’est
forgé de solides connaissances en prototypage rapide
et en outillage rapide. Il est
chargé du développement de
l’activité prototypage rapide
au sein du PEP.
d’intégrer plusieurs fonctions
complémentaires comme les trous
d’éjection et les canaux de
refroidissement. Une fois obtenus,
ces fichiers sont transformés en
format standard STL, c’est-à-dire
que les surfaces des pièces sont
triangularisées.
■ OPTIMISATION DES PARAMÈTRES : pour optimiser l’utilisation du procédé de frittage laser de
poudre métallique, il faut suivre
quelques règles simples, mais
spécifiques, de construction. Tout
d’abord, il est important de minimiser le volume de construction et
surtout la hauteur des empreintes
qui a une incidence directe sur les
temps de fabrication. Lors de la
construction, des fissures, dues
à l’accumulation de contraintes
internes du fait d’un apport d’énergie important, peuvent apparaître.
Afin de réduire ce phénomène,
il est nécessaire de minimiser la
présence d’arêtes vives et les changements brusques de section. Les
arêtes externes des empreintes
doivent donc être arrondies.
Le stress interne est important
dans les premières couches de
construction qui servent à assurer
une bonne accroche de l’empreinte
sur la base. Afin de le diminuer,
un congé de raccordement est
appliqué à l’embase de l’empreinte.
Les stratégies d’exposition du laser
vont être modifiées suivant la
taille et la forme des empreintes à
construire. En standard, une stratégie de deux peaux et d’un noyau est
utilisée pour minimiser les temps
de fabrication et le niveau de stress
interne.
Ces deux peaux et ce noyau vont
avoir des épaisseurs et surtout des
densités différentes grâce à un
balayage variable du laser. La peau
externe, d’une épaisseur de 1 mm, a
une densité d’environ 98 % ; elle est
suivie par la peau interne, d’une
épaisseur de 3 mm et de densité
d’environ 85 % et enfin par le cœur
qui a une densité moyenne de 70 %.
Un moyen supplémentaire pour
minimiser le risque d’apparition de
fissures est de créer des supports
internes dans la pièce, réalisés par
une exposition plus intense au
laser. L’ensemble de la structure
ainsi créée peut s’apparenter à
une sorte de béton armé… Ces
opérations sont réalisées par le
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VISIONS/Juin 2002
VISIONS "Fiche n°1"
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technicien CAO en un temps variant
entre 5 minutes et une heure selon
le nombre et la complexité des
pièces.
Les fichiers supports et les fichiers
empreintes sont alors découpés
numériquement en tranches de
20µm. La fabrication peut alors
commencer. Une couche de poudre
de 20µm est étalée sur le support
métallique à l’aide du racleur. Le
laser vient scanner la géométrie qui
correspond à la première couche
des fichiers tranchés, ce qui va
fusionner localement la poudre. A
la fin d’une couche, le racleur vient,
lors du premier passage, écrouir
la surface frittée et étaler une
épaisseur de poudre de 20µm au
deuxième passage. Cette opération
se répète jusqu’à la fin de la
construction. A la fin du procédé,
la poudre non frittée est recyclée
dans le bac d’alimentation et l’empreinte est retirée de la machine.
FINITION : avant d’effectuer les
étapes de finition traditionnelles,
comme le polissage, l’usinage et
l’ajustage, les surfaces sont
■
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Applications
Deux poudres de même granulométrie sont disponibles : bronze et
acier. Le matériau idéal est choisi
selon que le facteur décisif est la
vitesse de fabrication, la résistance
des empreintes ou la qualité des
surfaces obtenues.
L’application principale de cette
technologie est la fabrication
rapide d’outillage pour l’injection
de matières plastiques. Des canaux
de refroidissement ayant des
formes complexes peuvent être
spécialement dessinés et inclus
dans la fabrication. Il est donc
possible de créer des canaux qui
suivent au mieux la forme de la
pièce à injecter ce qui, lors de
l’injection, permettra de diminuer
les temps de cycle.
Cette technique permet de repousser certaines limites d’usinage. Il est
même possible de combiner
plusieurs technologies afin de
retrouver dans une carcasse des
empreintes frittées par laser avec
des éléments fabriqués de manière
traditionnelle.
PROPR IÉTÉS MÉCAN IQU ES DES MATÉR IAUX EOS
(POUDRE 20µm)
Précision (mm)
Paroi mini (mm)
Porosité (%)
Force de rupture (MPa)
Dureté (HB)
Ra (µm)
CTE (10-6/K)
Conductivité thermique à 25°C (W/mK)
Temp. Maxi d’utilisation (°C)
écrouies avec de la grenaille d’acier
et de la poudre de céramique, pour
“destresser” localement, fermer la
porosité et améliorer l’état de
surface, qui passe alors d’un Ra de
10 à un Ra de 4µm.
La précision obtenue après
grenaillage est, dans la plupart des
cas, de l’ordre de ± 0.05 mm suivant
les trois directions. La dureté de
surface est d’environ 25 HRC ou
250HB. Les propriétés mécaniques
(voir tableau) correspondent à
un acier semi-tendre, ce qui est
suffisant pour des empreintes
destinées à la réalisation de moules
prototypes. Ces propriétés mécaniques peuvent être améliorées par
des traitements de surface conventionnels.
VISIONS/Juin 2002
BRONZE
ACIER
± 0,05
0,6
8
400
110
3
18
25
400
± 0,05
0,7
2
600
250
4
9
13
800
La plupart des matières plastiques
peuvent être injectées dans ces
empreintes frittées et ce pour des
séries allant jusqu’à plusieurs
milliers ou dizaines de milliers de
pièces. L’avantage le plus important
de cette technologie est la possibilité de réduire de façon
drastique les délais de fabrication
d’outillage "prêt à mouler ", à moins
de trois semaines dans la plupart
des cas ce qui ouvre de nouvelles
perspectives dans le développement de produits.
Le procédé décrit ci-dessus est
aussi particulièrement bien adapté
à la fabrication d’outillage pour :
●
●
●
la coulée en coquille
d’aluminium, de magnésium
ou de zinc de présérie,
l’injection de pâte métallique
et céramique pour des petites
séries de pièces,
la vulcanisation, l’emboutissage
ou le formage de feuilles
métalliques.
La production directe de pièces
métalliques de géométries complexes ou d’inserts pour les moules
d’injection, en bronze ou en acier
est également une application en
plein essor. Elle rend possible la
création de cavités internes et de
contre-dépouilles ne pouvant être
obtenues qu’avec beaucoup de
difficultés, voire pas du tout, par
des méthodes traditionnelles.
Aucun outillage n’est nécessaire
pour produire ces pièces complexes en un minimum de temps :
de 1 à 3 jours suivant la taille de la
pièce. Plusieurs pièces identiques
ou non peuvent être produites en
une seule fabrication, ce qui ouvre
de nouvelles voies de production.
Conclusion
Cet article a permis de décrire
brièvement cette technologie de
frittage laser de poudre métallique,
ainsi que les applications qui en
découlent. Elles sont nombreuses
mais non exhaustives et, ensemble,
nous pourrons peut-être en trouver
d’autres qui n’ont pas encore été
explorées. ●
P OI NT S F ORT S DE L A TEC H NOLOG I E
DE FR IT TAG E L ASE R DE P OU DR E EOS
Fabrication par empilage successif de couches
Utilisation de poudre métallique
● Pas d’additif organique
● Procédé de fabrication direct et précis
● Retrait minimum
● Procédé automatique
● Pas de post-traitement
● Finition minimisée
● Fabrication d’empreintes pour
- l’injection plastique
- la coulée en coquille
● Fabrication de pièces directes
●
●