Etat de l`art des technologies de prototypage rapide

Etat de l’art dans le domaine de la
Fabrication Rapide/Directe assistée Laser
Ph. BERTRAND
Laboratoire DIPI, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint Etienne,
42023 St Etienne Cedex 2
Industries embracing the Rapid Prototyping
Technology
Military; 6%
Motor vehicles;
20%
Other; 8%
R&D Academic;
10%
Medical; 13%
Aerospace; 8%
Industrial
Machinery; 7%
Consumer
Products and
Electronic; 28%
Wholers Associates
cumulative systems installed by contry from 1988 through 2004 (13500
équipements)
Other; 9%
Taiwan; 2%
China; 7%
North America: 42 %
Europe: 24.7 %
Asia Pacific: 30.3 %
Other: 2%
Korea; 2%
US; 41%
Japan; 16%
Italy; 3%
UK ; 5%
Canada; 1%
Germany; 9%
Sweden; 1%
France (377); 3%
Wholers Associates
wide range of applications
Direct Manufacturing: rising from 3% in 2003 to 8% in 2004
Direct
Manufacturing;
8%
tooling
components; 7%
patterns for cast;
8%
patterns for
prototype toolin g;
10%
ergonomic
studies; 3%
Visual aids for
engineering; 13%
Visual aids for
toolmakers; 4%
requesting
quotes; 5%
presentation
models; 10%
functional models;
16%
fit and assembly;
11%
Wholers Associates
Du prototypage à la fabrication rapide
Sources B. VERQUIN CETIM
Prototypage : A partir de la fin des années 80
Outillage rapide : Début ∼ 1992
Fabrication rapide: Maintenant!
Fabrication rapide - Poudre métallique,
Sources B. VERQUIN CETIM
10 années d’évolutions, exemples :
~ 1996
Machines
Laser : CO2
Maintenant
Vitesse : 1.5 m/min
Laser : - Yag
- Disc
- Fibre
Vitesse : 10m/min
Process :
- Chauffage de
l’enceinte
- Double chambre de
fabrication
Poudre
Taille : 100 µm
Matériaux :
Acier+bronze
Taille : 20 µm
Matériaux :
- Aciers à outils
- Ti
- Acier Inox.
- CoCr
- ...
Offre
Deux: DTM
EOS
Onze :
ARCAM
CONCEPT LASER
EOS
MCP
PHENIX
TRUMPF
3D SYSTEMS
...
Applications
Outillage rapide
Prototypes
Prototypes
Médical
Aéronautique
Petites séries
Outillage rapide
….
Production rapide - Poudre métallique
Sources B. VERQUIN CETIM Le marché aujourd'hui
Fabrication directe
Sans Fusion
Fusion de poudre
Lit de poudre
1 étape
Electron
EOS
Apport direct
2 étapes
3D Systems
Arcam
Laser
Trumpf
MCP
Concept Laser
Optomec
Disc
DMLS
Fiber
YAG
SLS
Prometal
EOS
POM - Trumpf
Fiber
3DPrinting
Phenix Systems
Fiber
Aeromet
Principal avantage de ce type de Procédé
vis-à-vis des procédés conventionnels de fabrication
Fabrication d’objets 3D
à géométrie complexe
multimatériaux,
multifonctionnels
Utilisant toutes les
potentialités de conception
3D
16 pièces
+ collage
1 seule pièce
Principaux inconvénients de ce type de Procédé
vis-à-vis des procédés conventionnels de fabrication
Précision
État de surface
Opérations de finitions
La machine parfaite n’existe pas!
Évolutions technologiques nécessaires pour
développer les applications industrielles
• Ê Répétabilité du process
• Utilisation de poudres du commerce
• Ì Coûts (poudre, machine)
• Ê productivité
Fusion sur lit de poudre
Fichiers CAO – processeur machine – frittage couche de
poudre – obtention de la pièce bonne matière
laser
Propriétés Mécaniques
STAINLESS STEEL
NON FERROUS ALLOY
SUPER ALLOY
TOOL STEEL
Materials
Mechanical
strength
Rm (Mpa)
Mechanical
strength
Rp 0.2 (Mpa)
A
(%)
Average
hardness
(HV30)
316L
690
595
21
220 ± 4
904L
892
772
24
277 ± 3
CoCr
1240
1015
37
395 ± 6
Inconel
718
1032
868
26
320 ± 9
17-04 PH
880
870
22
348 ± 3
Z40CDV 5
1479
1416
-
518 ± 7
Accuracy : +/-50µm/120mm
Caractéristiques géométriques
Details size : 100µm
Repeatability : 20µm on x, y, z
Ceramic materials
Alumina
Mullite
Accuracy : +/-50µm/120mm
Details size : 300µm
Repeatability : 20µm on x, y, z
Applications industrielles de la Fabrication Directe
Outillage
Prototypes
Médical
Automobile :
Prototypes, Compétition
Fabrication
directe
Aéronautique
Petites séries
A découvrir
Nucléaire
Applications Nucléaires: Divertor for ITER
Applications Nucléaires: Divertor for ITER
Applications Nucléaires: Divertor for ITER
Applications Dentaires
NiCr, CoCr
Programme de recherche
sur des prothèses en
ZrO2-Y2O3
Projet ANTIOPE
Moulistes et transformateurs
Cogemoule
SVO
Legrand
RP2i
(mouliste)
(mouliste)
(transformateur)
(distributeur stratoconception)
Centres techniques
CLFA
(laser)
CEA
(brasage)
EMAC / CROMeP
(analyse matériaux et simulation)
CIRTES
(stratoconception)
PEP
(frittage et injection)
Financement
MINEFI
Outillage rapide : boitier électrique
LEGRAND
poinçon
Pièce
matrice
Canaux de refroidissement
Fichiers STL
Poinçon
Matrice
Bronze:
2 empreintes
Temps: 27h
Dimensions: 70 x 60 x 45mm
Apport Direct de poudre
Apport Direct de poudre
Base du procédé: Le rechargement Laser
Laser
beam
Laser beam
Powder flow
(coaxial)
Carrying gaz
with particles
Coating
Shielding gaz
Last deposited
layer
Particle flow
Sample
Substrate
Substrate
cold particles
hot particles
HAZ
GPP MULTIMAT : Grand Projet Poudre - Ingénierie et Industrialisation
d’équipements fabriquant des composants 3D à géométrie complexe,
multi matériaux, multi fonctions, à base de poudre.
Objectif :
Développer des procédés industriels/équipements innovants (Compaction frittage, frittage/fusion
Laser) pour fabriquer des composants 3D à géométrie
complexe multi-matériaux (multifonctions) à base de poudre. Fabrication Directe
GPP MULTIMAT
Etat de l’art :
Prototypage rapide Prototypage rapide
stéréolitographie
Outillage rapide
Fusion /
Monomatériaux
Fabrication Directe « Bonne Matière »
Poudre
Frittage
dédiée/commerciale
Poudre dédiée
80’s
90’s
00’s
Pas de tenue méca. Prop Méca Inférieure Prop Méca Infér.
05’s
Prop. Méca
Comparables
Fabrication Directe
Multimatériaux /
Multifonctionnels
Poudre commerciale
10’s
Prop. Méca
Supérieures
Livrables :
« Prototypes pièces et machines validés »,
« unité pilote de production partagée » sur le territoire.
Emploi :
Durant le projet : 5 doctorants, 4 ing. et tech. plateforme.
L’unité pilote partagée emploiera à terme 2 ingénieurs et 4 techniciens
Constructeurs Machine: une dizaine d’emplois par constructeurs (basé sur l’expérience du
développement de machines antérieures) à court terme
Marchés :
Départ : Automobile, aéronautique, biens d’équipements, …
Suite : Nouveaux marchés, Nouveaux débouchés, nouveaux besoins sur d’importantes niches.
La démarche est multi-phases, elle s’appuie sur :
•
•
•
•
Des travaux scientifiques sur la maîtrise et la modélisation des procédés innovants
Des investigations de veille et étude de marchés sur les potentiels économiques
Des études de faisabilités sur des pièces industrielles de marchés pilotes
Des études d’industrialisation des machines mettant en œuvre les procédés
Spécifications et bilan des acquis
Faisabilités et pièces prototypes
Méthodologie Multi-matériaux
Etudes technico
économiques
Mise en œuvre des procédés,
Modélisation, Caractérisation
Validation
Faisabilités et machines prototypes
Concepts de machines
multimatériaux
Ingénierie machine
STOP
ou
Équipements prototypes
OK
Pièces de démonstration
…
Approche technicoéconomiques
Mise au point - validation
Test de performances
Mise en œuvre d’unités pilotes de production partagées pour des pièces
Multi-matériaux multi-fonctions à partir de poudre