Les perspectives et l'évolution de la fabrication additive...Source : ISO 17296-2:2014E ... Ecole Polytechnique, AEPR 2015 Prof. Alain BERNARD 30 . La complexité sans surcoût 13/12/2018

Fabrication Additive :

l’évolution rapide

de la fabrication métallique Alain BERNARD

Professeur des Universités à l’Ecole Centrale de Nantes

Chercheur au LS2N UMR CNRS 6004

Vice-Président, Association Française de Prototypage Rapide et de fabrication additive

1 13/12/2018 Prof. Alain BERNARD

AFPR : Association Française

du Prototypage Rapide

et de la fabrication additive

Créée en 1992

Objectifs de l’AFPR :

• Rassembler les partenaires de la Fabrication Additive

• Répondre à des besoins multisectoriels

• Favoriser la formation et le transfert de technologie

• Rassembler, capitaliser puis diffuser l’information la plus objective et la plus complète

• Soutenir les projets innovants

• Construire un lien d’échange didactique et technique

• Se positionner dans un cadre européen et mondial


Georges Taillandier

President

[email protected]

Prof. Alain Bernard

Vice-President

[email protected]

Philippe Vannerot

Vice-President

[email protected]

www.afpr.asso.fr

http://www.code80.net/afpr/content/assises/2011/photos/georges_taillandier.jpg

3 Prof. Alain BERNARD 13/12/2018

Source : https://iot-analytics.com/industrial-internet-disrupt-smart-factory/

La FA dans l’usine du futur

Principe de la fabrication additive METHODE DE CONSTRUCTION COUCHE PAR COUCHE

Points communs à toutes les technologies Un modèle numérique de

l’objet doit être créé.

A partir du modèle numérique, un fichier STL est généré et est coupé en différentes couches.

Sur la base de ces couches, la pièce physiques est construite couche par couche.


Source: http://blog.cafefoundation.org/additive-

manufacturing-for-electric-motors/

7 familles de procédés

13/12/2018 5

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD


13/12/2018 6

Source : Prof. Gideon LEVY

Prof. Alain BERNARD


7

Source : Machine manufacturers

Prof. Alain BERNARD 13/12/2018

6 grandes

familles

de

matériaux

13/12/2018 8

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD

X X

Du très petit…


Source: Microlight, http://www.microlight.fr/fr/master.html

Micro-impression by photopolymerisation 2 photons

Collagen structure 3D bio-printed

Microlight-3D

micro-printing

machine

Au plus grand !


Source: Benoit FURET, Université de Nantes

Et l’impression 4D !


Source: BMW et SelfAssembly Lab:

Et l’impression 4D !


Source: Georgia Tech:

https://www.youtube.com/watch?time_continue=16&v=t3QEl3MSug8 https://www.youtube.com/watch?v=Z4doQpUtVgU

Au siècle dernier…


Source : Constructeurs (EOS, Optomec, EWI, MIG)

Et aujourd’hui…


Source : Renishaw, Desktop Metal,Sauer Lasertec/ DMG- MORI, SLM Solutions:

Et aujourd’hui…


Source : BeAM:

Et aujourd’hui…


Source : Arcam :

https://www.youtube.com/watch?v=M_

qSnjKN7f8

https://www.youtube.com/watch?v=Cq

a3TMxje14

De nouvelles machines

17

Source : Machine manufacturer


DMAMS

Plus que des machines :

une chaîne de valeur complète


Post-treatments

Material qualification

Geometry and material design

Manufacturing

Manufacturing preparation

18

Une vision systémique


Source: Master thesis, Laura Martinez, IS3P team, LS2N, Centrale Nantes

19

13/12/2018 20 Prof. Alain BERNARD

Un processus complexe

Source : groupe adhoc sur les standards numériques. Publication du NIST

De nombreux acteurs et flux


Source: Master thesis, Laura Martinez, IS3P team, LS2N, Centrale Nantes

1. Generate CAD model

1.1 Scan Part

1.1.1 Digitalize Physical Part

1.1.2 Process Points Cloud

1.1.3 Develop Geometric Model

1.2 Obtain CAD File

1.3 Optimize Topology

1.3.1 Generate Optimal Topology

1.3.2 Optimize 3D Model

1.4 Analyze Model

2. Generate Tessellated Model

2.1 Tessellate Model

2.2 Repair/Modify Tessellated Model

3. Generate Build Model

3. 1 Plan process - Geometry information

3.1.2 Choose orientation

3.1.3 Generate supports

3.2 Plan process - Process information

3.2.1 Set Build Orientation

3.2.1.1 Place Part

3.2.1.2 Generate Slices

3.2.1.3 Path Planning

3.2.1.3.1 Determine Paths

3.2.1.3.2 Compute Paths

3.2.1.3.3 Determine Path

Parameters

3.2.2 Set Process Parameters

3.2.2.1 Set Quality Parameters

3.2.2.2 Set Control Parameters

3.2.2.3 Set Powder Parameters

3.3 Process simulation

5. Manufacture Part

5.1 Preheat Build Plate

5.2 Build Part

5.2.1 Create Powder

Layer

5.2.2 Fuse Powders

5.2.2.1 Melt Powders

5.2.2.2 Solidify

5.2.3 Lower Build Plate

7. Post-process Part

7.1 Remove Supports

7.2 Enhance Properties

7.2.1 HIP Treatment

7.2.3 Annealing

7.3 Enhance Accuracy

7.3.1 Machining

7.3.2 Chemical Polishing

7.4 Improve Surface Texture

7.4.1 Shot Peening

7.4.2 Milling

7.4.3 Grinding

7.4.4 Sanding,

7.4.5 Polishing

7.4.6 Abrasive blasting

8. Ensure Quality

8.1 Test Mechanical Properties

8.2 Perform a Non-destructive Evaluation

4. Preparation of the Machine

4.1 Review Job File

4.2 Start Machine

4.2.1Configure AM Machine

4.2.2 Set AM Machine Parameters

4.3 Submit Job

6. Obtain Manufactured Part

6.1 Extract Surplus Powder

6.2 Treat Surplus Powder

6.2.1 Recycle Powder

6.2.2 Remove Non Profit Powder

6.3 Remove Part from the Build Plate

9. Create Digital Twin

10. Machine Maintenance

10.1 Corrective Maintenance

10.1.1Powder Supply

10.1.2Reparation

10.2 Preventive Maintenance

10.2.1 Check Recoating Blade

10.3 Predictive Maintenance

11. Clean AM Machine 12. Supply Powders to the

Machine

13. Ensure

Safety

21

Pour créer de nouveaux produits…

Prof. Alain BERNARD 13/12/2018 22

Pour créer de nouveaux produits…


Pour fabriquer des pièces de rechange…


Source : Beam, Courtesy : Chromalloy

Source : Leolane,

Courtesy : PWC(PriceWaterhouseCoopers)

Source : Leolane,

Courtesy : Mercedes Benz truck

Pas seulement des pièces,

aussi des outillages…


Inserts in molds

Source: PEP

Injection molding toolings - PS Application PMP

R&D contract PSA / CIRTES (Aluminium)

Blowing tools

Source: CIRTES

Inserts in molds

Source: Realizer

25

Le potentiel des

technologies exploité

pleinement grâce à une

nouvelle manière de

concevoir matériau et

géométrie en même temps



Une évolution complète

de la conception

… qui permettent de nouvelles façons de concevoir

Nouveaux matériaux

Gradient fonctionnel de matériaux

Antenne imprimée en 3D avec son

circuit électronique

Nouvelles formes et topologies

Boucle en titane

Nouvelles structures d’assemblage

Injecteur

Source : Daniel Pyzak, AEFA 2016


Une vision fonctionnelle

Source : Renishaw


Une vision fonctionnelle

General Electric

Farinia Group

La juste matière au juste endroit

13/12/2018

Optimisation topologique

Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole Polytechnique, AEPR 2015

Prof. Alain BERNARD 30

La complexité sans surcoût

13/12/2018 Prof. Alain BERNARD

Toute géométrie est

envisageable au regard

des possibilités des

procédés.

Des règles de

conceptions couplées

aux outils de simulation

ouvrent des possibilités

nouvelles.

Applications principales :

allègement des pièces

implants spécifiques à

un patient particulier

pièces adaptées au

chargement

Source : S. Galjaard, S. Hofman, S. Ren, Arup, Amsterdam, The Netherlands © Springer International Publishing Switzerland 2015 P.

Block et al. (eds.), Advances in Architectural Geometry 2014, pp 79-93

31

Le potentiel des technologies

exploité pleinement grâce à la

combinaison des procédés et

un nouveau découpage des

étapes de fabrication


33

Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)


Ajout de fonctions sur des pièces

Ajout de fonction

34

Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)

Fabrication hybride


Combiner les procédés et notion de gamme

68 heures de fabrication en Aluminium 614 Mo de supports 438g (diminution de 20%)

Fabrication Micro Fusion Laser (SLM) Surfaces ré usinées

13/12/2018 35

Usinage après FA

Source : MBProto – Volum-e

Prof. Alain BERNARD

Ne pas négliger post-traitements

et finition… Usinage ou

micro-usinage Cela dépend directement du

procédé et du matériau… mais aussi du savoir faire

(supports, orientation, etc…)


Traitements thermiques

Compression isostatique à chaud (HIP)

Polissage

Coating

Etc… Finition


Le potentiel des technologies

exploité pleinement grâce à la

continuité numérique, la

traçabilité totale et la qualité

tout au long de la chaîne de

valeur

Transférer des données


Source : Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod

38

STL AMF 3MF STEP STEP-NC

Contrôle de la qualité

de la matière première

39

Source : Romain Vert, Tekna, AEFA 2015



Mesure in situ

Source: André Surel, EOS, AEFA 2015


Mesures post-process

Tomographie par rayons X

Différents matériaux incluant le métal

Images de l’intérieur de formes lattices

et/ou complexes

XT H 450 BladeRunner

Nikon 750kV microfocus X-ray source

Source : Multistation, séminaire formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris

Mais ce n’est que le

début de l’histoire, avec

de grands enjeux pour

la recherche!



Prochaine étape pour la FA

Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583


Prochaine étape pour la FA Mieux adresser la complexité

des phénomènes et des processus




Principales pistes de recherche





Principales pistes de recherche

En appui d’une

dynamique d’intégration

et de développement

industriel !



Vers des unités de

production intégrées

Source: http://www.conceptlaserinc.com/am-factory-of-tomorrow-2/

48


Vers des unités de


Source: https://www.a3dm-magazine.fr/wp-content/uploads/2018/01/AddUp_HSE_fabrication_additive_metallique_a3dm.jpg/

49

AddUp FlexCare System™


Vers des unités de


Source: AddUp

50

Une volonté industrielle forte !


Source: BMW et SelfAssembly Lab:


L’usine du futur intègrera

la fabrication additive.

Source: l’Usine FA 4.0 – ACTENIUM - https://www.actemium.fr/smart-industry/smart-process/alafu-le-futur-de-latelier-industriel/

52

Conclusions

La fabrication additive pour pièces métalliques est sur une pente ascendante en termes d’applications industrielles La fabrication additive mobilise de nombreuses compétences et des technologies additionnelles dans la chaîne de valeur.

Les modèles de simulations s’améliorent et deviennent de réels outils prédictifs. Il reste encore de grands progrès à réaliser !


13/12/2018 Prof. Alain BERNARD

Ouvrage collectif sur la

Fabrication Additive

Plus de 35

contributeurs !

Coordination

Claude BARLIER Alain BERNARD

54

13/12/2018 Prof. Alain BERNARD 55

Du 25 au 27 juin 2019

Questions / Réponses

Alain BERNARD [email protected] www.afpr.asso.fr


http://www.afpr.asso/

Documents

Les perspectives et l'évolution de la fabrication additive...Source : ISO 17296-2:2014E ... Ecole Polytechnique, AEPR 2015 Prof. Alain BERNARD 30 . La complexité sans surcoût 13/12/2018