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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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] Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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) Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 PolyJet - applications Simulation surmoulage/multi-injection, soft touch Médical Prothèses dentaires 10 [Stratasys] Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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] Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 SLA – applications Maquette conceptuelle, visuelle Aide à la réalisation d’outillages en silicone [3D Systems] 13 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 3DP – applications Fabrication de pièces multicolores / prototype visuels [Z-Corp - 3D Systems] 16 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 SLS – applications 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 SLS – applications Design Industrie [Eos GmbH] Lampe design Automobile Trompette d’admission 20 Carter d’huile Collecteur d’admission d’air Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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 Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 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] Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013