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Concevoir pour imprimer en 3D

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La fabrication additive (FA) s’impose depuis trois ans comme la petite - ou grande c’est selon - révolution de l’industrie manufacturière. Ajouter de la matière couche après couche, au lieu d’en enlever pour produire une pièce est un process qui a déjà plus de vingt ans. Cependant, les récents progrès accomplis autour des matériaux, de leur mise en œuvre, de la productivité des machines, des coûts, enfin du savoir-faire industriel inaugurent une nouvelle ère en matière de fabrication manufacturée. Une remise en cause qui passe notamment par une nouvelle manière d’aborder la conception des pièces imprimées en 3D et le workflow d’industrialisation.

 

Le Boom de la fabrication additive

Le récent rapport du cabinet Wholers estime le chiffre d’affaires généré par la vente de machines et de services autour de la fabrication additive à 5.165 milliards de dollars en 2015. Une croissance de 25,9% par rapport à l’année précédente, elle-même en forte hausse par rapport à 2013. Ce rapport a été établi sur les données recueillis auprès de plusieurs centaines de fabricants de machines, de matériaux et de services associés de 33 pays et se concentre sur la FA métallique et les imprimantes 3D de bureau.

Les avantages de la FA sont en effet nombreux. Gain de poids, pas de limitation de forme, intégration de fonctions supplémentaires sur la même pièce, customisation de masse, fabrication d’outillages à la demande, rapidité d’obtention des pièces, etc. Bref, la FA séduit de plus en plus. Mais il ne s’agit pas d’un procédé miracle permettant de basculer telle qu’elle une pièce réalisée par usinage en fabrication additive, en gagnant immédiatement sur tous les tableaux. Loin de là !

 

 

 

Mais un procédé exigeant

L’exemple de ces passionnés américains d’automobiles anciennes le prouve. L’équipe du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) aux Etats-Unis a utilisé une imprimante 3D géante pour réaliser une réplique de la légendaire voiture de sport Shelby Cobra. Le châssis fut imprimé d’une seule pièce par dépose successive d’un matériau plastique contenant 20% de fibres de carbone courtes. Lorsque les responsables ont retiré le châssis de la machine, celui-ci a littéralement explosé par délamination des différentes couches !

Daniel Pyzak, Catia Engineering Center of Excellence Director, chez Dassault Systèmes : « Ils nous ont interrogé pour comprendre ce qui s’était passé. Avec Simulia nous avons pu découvrir les contraintes mécaniques à l’origine de la casse. Cette même simulation nous a permis d’optimiser tous les paramètres géométriques de la pièce, et du process de pose. Le second prototype a parfaitement rempli son cahier des charges. »

« Dans le domaine de la fabrication additive » rajoute-t-il « un taux de rebut de 25% voire plus est très courant. Pour progresser, il faut maîtriser trois paramètres : la pièce, le process, et le matériau. Dans le premier cas, c’est la topologie qui est important. Dans le second, ce sont notamment le positionnement des supports, le traitement et le transfert du fichier CAO vers la machine, ou encore la gestion et la puissance et du parcours du faisceau laser. Enfin, ce qui se passe dans le matériau au moment de la fabrication, comme le changement de phase après la fusion des billes de métal, conditionne la santé matière. »

La démarche de conception d’une pièce fabriquée par FA est donc souvent le résultat d’une collaboration entre bureau d’études et le fabricant qui dispose du savoir-faire lié au process de fabrication et de sa variabilité. On rajoutera, l’importance du contrôle de la pièce en sortie de machine : contrôle des dimensions, de la santé matière, des caractéristiques mécaniques … notamment de sa résistance à la fatigue, un domaine peu documenté jusqu’à maintenant. D’ailleurs, il faut souvent fabriquer plusieurs prototypes pour valider la conception de la pièce

 

 

 

Les questions à se poser

On le comprend, l’introduction de ce procédé de fabrication ouvre de nouvelles perspectives, mais comporte aussi son lot de nouvelles contraintes. Les industriels qui se lancent dans l’aventure doivent se poser trois questions essentielles : pour quelles pièces la fabrication additive est-elle adaptée ? Comment concevoir ces pièces ? Et comment intégrer le procédé de fabrication additive dans la démarche de production ?

« La fabrication additive est adaptée aux formes complexes, mais c’est un process coûteux. Il faut donc être capable de générer de la valeur à partir de cette complexité » note Frédéric Vignat de l’IPG de Grenoble. « Par exemple, sur un injecteur pour un équipement GE, nous sommes passés de 20 à 1 seule pièce, tout en augmentant la performance globale et la longévité grâce à la FA. Concevoir des pièces pour qu’elles soient fabriqués en FA suppose avant tout de vaincre l’inertie psychologique des designers. Cela passe aussi par de nouvelles règles de conception, imaginer de nouvelles formes et jouer avec les matériaux disponibles. »

Le cycle idéal à adopter ? Définir l’espace de conception, optimiser la topologie de la pièce, reconstruire la forme « théorique » délivrée par le logiciel, puis lancer une optimisation paramétrique. La démarche la plus aboutie passe donc par une triple optimisation : topologique, formelle et paramétrique ... >> Retrouvez la suite de l'article sur notre Cad Magazine 193

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