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Le potentiel de l’impression 3D
F.Petit(f.petit@bcrc.be)
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www.emra.euLe CRIBC –
Céramiques techniquesAir
Frittage de matériaux inorganiques
Matériaux réfractaires Conversion énergétiqueMise en œuvre des matériaux
inorganiques
Nanomatériaux Efficacité énergétique des procédés Prototypage rapide
Revêtements inorganiques et hybrides Récupération d’énergie
Technologies laser
Verre Recyclage des matériaux inorganiques
Traitements thermiques
Sols
Matériaux Environnement Procédés
Les 3 domaines d’expertise du CRIBC
Centre de Recherches de l’industrie Belge de la Céramique
Le CRIBC en bref : Centre de Groote (Fédéral), Centre de recherche agrée en RW, localisé à Mons
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®
Découpe laser
Marquage laser
Impression jet d’encreTraitement de surface
Usinage laser
Rechargement LaserFusion sélective par laser
~100µm
Procédé additif Procédé soustractif
Traitement de surface
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Fabrication additive (Définition) :
Production d’un objet réel en 3D par ajout progressif de matière.
Autres dénominations : impression 3D, prototypage rapide …
Chaque dénomination est porteuse de sens :
- Impression 3D : connote le principe de mise en œuvre
- Prototypage rapide : connote le premier usage industriel historique de ces procédés
- Fabrication additive : sous-entend une certaine maturité industrielle
Fabrication additive, … une (r)évolution !
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www.emra.euFabrication additive, … une (r)évolution !
Un concept récent ? NON !
Approche soustractive Approche additive
Où est donc l’innovation ? 1 / Automatisation de l’approche additive (= précision, qualité, reproductibilité), 2/ Usage des technologies numériques (= souplesse, versatilité)
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www.emra.euFabrication additive, … une (r)évolution !Fabrication soustractive Moulage par injection Fabrication additive
(Bénéfices attendus)
Très haute précision Très haute précision
Pièce complexe Temps fabrication ↑
Productivité élevée1 moule = 1 pièce
Coût ≠ f(complexité)Fabrication simultanée de
pièces ≠
Usure des outils Faible usure d’outil Pas d’usure d’outil
Problématiques matériaux Personnalisation des pièces
Restrictions géométriques Restrictions géométriques Complexité géométrique
Réduction de poids
Monomatériau Monomatériau Multimateriaux
Perte de bonne matière Peu de perte de matière Peu de perte de matière
Multiples opérations successives
Optimisation laborieuse
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www.emra.euFabrication additive, … une (r)évolution !
Procédé conventionnel
Fabrication additive
Nombre de pièces
Coût
par
piè
ce
Adapté de « Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts » E. Atzni et al
Fabrication additive(Limitations actuelles)
Fiabilité des équipements
Manque de contrôle sur le procédé
Coût des matières premières
Reprise et post-traitement
Faible productivité
Anisotropie des propriétés
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www.emra.euFabrication additive, … une (r)évolution !
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www.emra.euFabrication additive … moderne !
Principe général commun à tous les procédés
1 – Une représentation numérique de l’objet est constituée2 – L’objet est tranché virtuellement en couches d’épaisseur déterminée3 – Une couche de matière matière brute (solide, liquide, pâte) est déposée sur un support de fabrication. Une consolidation sélective de la couche est réalisée laquelle reproduit à l’identique la tranche numérique de l’objet.4 – L’étape 3 se reproduit couche après couche jusqu’à fabrication complète de l’objet
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www.emra.euFabrication additive … moderne !
Inventions spécifiques à la fabrication additive numérique
Fichiers numériques 3D .stl
Format spécifique issu de la stéréolithographie et standard actuel de
la fabrication additiveIl reconstruit l’objet par une triangulation
de sa peau.
Notion de « voxel »
Pixel « volumétrique » ou volume élémentaire permettant de discrétiser un
objet en cellules
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www.emra.euLa jungle des procédés additifsOn recense 7 familles de procédés additifs englobant chacune plusieurs déclinaisons
d’un même principe.
La première différentiation s’effectue sur base du type de matière première
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www.emra.euLes procédés en vogue - 1
Procédé par dépôt de fil fondu (Fused Deposition Modeling – FDM)
Simple extrudeur monté sur un robot cartésien
Extrusion de polymères thermoplastiques Rapide et pas cher Capable d’imprimer des objets mono ou bi-
matière en :- PLA, ABS, Nylon, PETG, PC, …
Stratasys est le leader mondial du marché Meilleur choix actuel pour le
développement rapide de pièces mécaniques & prototypes
Gamme de prix entre 500 € et 150 000 € !
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www.emra.euFiche signalétique - FDM
Abréviation FDMClasse de matériaux Polymères sous forme solide (bobines
de filaments)Matériaux typiques Thermoplastiques , élastomères Taille max. objet >1 m3
Taille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 100 µmPrécision 20 µmFinition de surface Légèrement rugueuse à très rugueuse
selon l’épaisseur des couchesVitesse de fabrication Modérée
Pièces en Nylon - Stratasys
Pièce en ABS - Stratasys
Pièce en PLA - BigRepOne
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www.emra.euFDM – Exemples de machines
Imprimante professionnelle 12 matériaux disponibles Impression bi-matière (possibilité d’imprimer des
supports solubles) Enceinte de fabrication chauffée Zone d’impression : 35 cm x 25 cm x 25 cm Résolution 127 µm Prix : 185 000 $ (mais premier prix chez
Stratasys : 15 000$)
Stratasys FORTUS 400mc Zortrax m200
Imprimante « personnelle » 3 matériaux disponibles Impression mono-matière Zone d’impression : 20 cm x 20 cm x 20 cm Résolution approx. 50 µm Prix : 2000 $
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www.emra.euFDM – Exemples de machines
Impression sur Fortus 400mc Matériau : Nylon 12
Impression sur Zortrax m200Matériau : ABS
Visuellement les imprimantes FDM « domestiques » jouent jeu égal (et parfois surclassent) avec leurs équivalents industriels
MAIS
Elles ne sont pas capables de gérer (ou mal) les matériaux techniques (ex : Nylon, PC)L’impression bi-matière est très insatisfaisanteLeur fiabilité reste modérée
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www.emra.euFDM – intérêt de la bi-matière= Possibilité de créer des supports de fabrication solubles qui s’éliminent aisément sans
laisser de « cicatrices » sur l’objet
Exemple d’impression bi-matière chez Stratasys
Supports de fabrication
« Cicatrices résiduelles »
De manière générale, la fabrication de structures complexes requiert l’utilisation de
« supports de fabrication »
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www.emra.euLes procédés en vogue - 2
La stéréolithographie
Ancienne technologie (brevetée en 1986 !) A laissé son nom aux fichiers .stl Matériaux constitués de résine (chargée ou
non ; ex : charge céramique) Procédé mono-matériau exclusivement 3D system est leader du marché Résolution et finis de surfaces les plus
élevés de toutes les technologies existantes Principe : un laser UV polymérise
sélectivement une résine photosensible par balayage (variante : DLP = projection des UV sur la totalité de la couche en une fois)
Gamme de prix entre 1000$ et qqs. 10 k$
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www.emra.euFiche signalétique - Stereolithographie
Pièces de coulée SLA – 3D Systems
Pièce de grande dimension SLA & Charles Hull
Abréviation SLAClasse de matériaux Résines sous forme liquide,
photopolymérisablesMatériaux typiques Résines acrylatesTaille max. objet >1 m3
Taille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 50 µmPrécision <20 µmFinition de surface Surface lisseVitesse de fabrication Modérée à rapide
Formlabs
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www.emra.euStereolithographie - Machines
3D Systems ProX 950
Imprimante professionnelle 12 matériaux disponibles Grande vitesse de fabrication Zone d’impression : 1,5 m(!) x 0,8 m x 0,55 m Système d’imagerie intégré Résolution 50 µm Prix : > 500 000 $
Formlabs – Form X
Imprimante « personnelle » 4 matériaux disponibles Vitesse de fabrication lente Problèmes d’adhérence sur le plateau Zone d’impression : 12,5 cm x 12,5 cm x 12,5 cm Résolution 300 µm Prix : 3000 €
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www.emra.euStéréolithographie « chargée »= Possibilité d’incorporer dans la résine un pigment ou une charge minérale, par
exemple une poudre céramique
Résine chargée
Fabrication d’un objet par SLA conventionnelle
Traitement thermique de déliantage (élimination de la résine et constitution d’un squelette
céramique)
Frittage de la céramique = obtention par cuisson d’un objet dense,
fonctionnel
Lithoz
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www.emra.euLes procédés en vogue - 3
La Fusion Sélective par Laser (Laser Beam Melting)
Exploite un laser de puissance (type fibré ou CO2) pour assurer la fusion sélective de lits de poudre, couche après couche.
Peut-être mis en œuvre sur thermoplastiques ou métaux (les machines sont toutefois différentes)
Utilisé pour produire des pièces fonctionnelles
Etat de surface très dépendant de la finesse des poudres initiales
Les pièces requièrent une post-finition Gamme de prix : > 300 k€ pour les métaux,
>100 k€ pour les polymères
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www.emra.euFiche signalétique - LBM
Abréviation LBM (anciennement SLM) ou DMLSClasse de matériaux Matières pulvérulentesMatériaux typiques Poudres métalliques ou
thermoplastiquesTaille max. objet Plateau jusqu’à 50 cm de côté pour le
métalTaille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 10 µmPrécision <20 µmFinition de surface Surface rugueuseVitesse de fabrication Modérée à rapide
LBM métal - EOS
LBM de céramique (CRIBC)
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www.emra.euLBM – Autres éléments d’appréciation
Le LBM permet la fabrication rapide de pièces prototypes fonctionnelles MAIS :
-Les pièces fabriquées peuvent être le siège d’importantes contraintes résiduelles = distorsions de forme & tenue mécanique affectée-Le sens de fabrication des objets peut affecter leurs propriétés-Les états de surface doivent le plus souvent faire l’objet d’une reprise = conséquence sur les tolérances dimensionnelles
Pièce EOS brute de fabrication et après reprise
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www.emra.euLBM – Le futur … très proche !
Les nouvelles machines visent à surmonter ces limitations :
-Meilleure contrôle des paramètres de process,-Mise en œuvre de procédé(s) innovant(s) pour assurer la reprise des surfaces in situ lors de la fabrication
Cette machine combine la technologie LBM avec du fraisage conventionnel (assurant la reprise des bords de l’objet couche après couche au cours de sa fabrication)
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www.emra.euLes procédés en vogue - 4
La Fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting) Procédé totalement similaire au LBM mais
substitution du faisceau laser par un faisceau d’électrons
Mis en œuvre sur alliages de titane et CoCr Applications aéronautiques et biomédicales
principalement Plus rapide que le LBM mais états de
surface moins bons Technologie commercialisée par la société
ARCAM exclusivement Prix : > 1 M€
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www.emra.euEBMAbréviation EBMClasse de matériaux Matières pulvérulentesMatériaux typiques Alliages de Titane et CoCrTaille max. objet Plateau 20 cm x 20 cm x 30 cmTaille min. détails 50 µmEpaisseur de couches minimale 50 µmPrécision <50 µmFinition de surface Surface rugueuseVitesse de fabrication Rapide
Pièces TA6V Arcam
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L’Impression sur lit de poudre (Binder Jet)
Une couche de poudre est étalée sur le plateau de fabrication
Un liant est déposé sélectivement sur la poudre par impression jet d’encre
Le procédé se poursuit couche après couche
Peut produire des pièces multicolores Produit des pièces poreuses mais procédé
compatible tout matériau La plus faible résolution de toutes les
technologies existantes Prix : > 150 k€
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Abréviation Binder JetClasse de matériaux Matières pulvérulentesMatériaux typiques Tout matériauTaille max. objet Jusqu’à plusieurs mètresTaille min. détails 100 µmEpaisseur de couches minimale 50 µmPrécision <100 µmFinition de surface Surface très rugueuseVitesse de fabrication Rapide
Impression multicolore 3D Systems Copie (échelle 1) d’une œuvre architecturale - Voxeljet
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www.emra.euLa fabrication additive … pour qui et pour quoi ?
Données économiques issues du Wöhlers report 2013
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www.emra.euRépartition géographique
Données économiques issues du Wöhlers report 2013
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