SAYMTECH, votre partenaire-conseil en fabrication additive

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PRINCIPE

Utilisée depuis plus de 30 ans dans l’industrie mais accessible au plus grand nombre depuis peu, la fabrication additive consiste à reconstituer un objet couche par couche à partir d’un modèle numérique.

Elle permet de réduire les cycles de développement de nouveaux produits (prototypage rapide), d’optimiser les processus de fabrication (outillage industriel) ou encore de concevoir et produire des pièces personnalisées et/ou dotées de formes complexes, impossibles à obtenir grâce aux méthodes traditionnelles (fabrication rapide).

La fabrication additive permet par ailleurs de diminuer la consommation de matière et de faciliter le recyclage. En ce sens, elle contribue au développement d’une industrie plus responsable.

LES DIFFERENTS PROCEDES

La fabrication d’un objet en 3D par fabrication additive peut être effectuée par différents procédés reposant sur différents principes physiques :

Fusion d'un fil plastique au travers d'une buse chauffante (FDM)

Une bobine délvre un fil de matière plastique d'environ 1,5 à 2 mm de diamètre, à travers une buse d'extrusion qui va chauffer ce matériau et le comprimer afin de générer un écoulement constant de matière en fusion. Comme la buse est déplacée transversalement (X,Y) puis comme la table se déplace verticalement (Z), elle peut ainsi déposer un mince cordon de plastique et former chaque couche. Le plastique se refroidit et durcit immédiatement au contact de la couche précédente et se lie ainsi à elle.

Projection d'un liant sur un substrat de type poudre

Une tête de type impression par jet d'encre à canaux multiples vient déposer un liant liquide sur la couche supérieure d'un lit de matériau en poudre dans lequel l'objet est construit. Les particules de la poudre sont alors liées dans les zones où le liant est déposé formant ainsi une couche de l'objet. Dans le système d'alimentation en poudre constitué d'un réservoir placé en dessous ou bien sur le côté du bac de fabrication, le piston se déplace vers le haut de façon incrémentale pour fournir la bonne quantité de poudre qui sera ensuite étalée et tassée par le système d'égalisation de la poudre, sur le dessus du lit de poudre. La dernière couche étant réalisée, l'objet doit être extrait de la poudre compactée mais non liée.

Polymérisation d'une résine sous l'action d'un laser (SLA)

Une plate-forme se déplace suivant la verticale afin de pouvoir être plongée dans une cuve de résine liquide. La plate-forme est donc séquentiellement submergée à une profondeur prédéfinie sous le niveau de la résine, la profondeur correspondant à la résolution choisie lors de l'étape de tranchage. Le troisième équipement important est la source de lumière. Il s'agit le plus souvent d'une source laser munie d'un dispositif de contrôle du faisceau permettant à celui-ci de balayer rapidement toute la surface de la plate-forme. L'objet est construit couche par couche suivant l'enchaînement séquentiel des actions de ces trois éléments principaux : pour chaque couche, la plate-forme est enfoncée à une profondeur donnée sous la surface liquide, le racleur effectue un va-et-vient puis le faisceau laser réalise le balayage de la section.

Solidification de poudre sous l'action d'une source d'énergie de moyenne à forte puissance (laser ou faisceau d'électrons)

Chaque couche formant l'objet est ici réalisée par le balayage d'un faisceau laser qui la reproduit sur une surface de poudre. Cette surface a été précédemment déposée et fortement compactée par un système d'égalisation. Pour accélérer la réalisation, la chambre de fabrication ou plus localement, la couche de poudre sont maintenues à une température juste inférieure au point de fusion de la poudre de sorte que la chaleur du laser suffise à élever la température pour provoquer la fusion. Une fois la couche finie, la chambre de fabrication est descendue d'un incrément correspondant à l'épaisseur d'une couche déposée et compactée. Une nouvelle couche peut alors être créée à partir du bac d'alimentation de poudre neuve. Le cycle est ainsi répété jusqu'à la réalisation de la dernière couche.

Projection de gouttes de matériau

Le principe de fonctionnement de cette famille de système repose sur le dépôt de minuscules gouttelettes de matière. Chacune de ces gouttelettes est déposée l'une à côté de l'autre grâce au déplacement latéral de la tête de manière à fabriquer la couche en cours. Une fois la couche achevée, une tête de fraisage vient surfacer celle-ci afin de la calibrer en épaisseur. La tablé élévatrice est ensuite abaissée d'un incrément. La couche suivante peut alors être construite à son tour. Ces séquences s'enchaînent alors jusqu'à achèvement de la pièce.

Projection de poudre (ou fusion de fil) dans un flux d'énergie (laser ou plasma)

Le principe du dépôt de poudres fondues par laser consiste à fusionner un matériau d'apport métallique ainsi qu'une très mince couche de la surface du substrat de manière à assurer une liaison métallurgique. Grâce au faisceau laser focalisé, l'apport thermique est précis et localisé. L'apport de matière se fait principalement sous forme de poudres, offrant l'avantage de disposer d'un très large choix de matériaux métalliques. La poudre est essentiellement injectée de façon coaxiale par rapport au faisceau laser, au moyen d'une buse avec un sortie annulaire conique. La matière est déposée pour former un cordon aux dimensions maîtrisées et répétables, avec une hauteur de couche de quelques centaines de micromètres. La juxtaposition des cordons et la superposition des couches suivant des trajectoires programmées permettent de fabriquer le volume de la pièce.

AVANTAGES

  • Liberté de conception : la fabrication additive permet de concevoir des formes quasi-arbitraires en pensant uniquement aux fonctions que doit remplir la pièce. Le gain de masse associé peut être significatif (jusqu’à 40%). Il est également envisageable d’améliorer les fonctionnalités comme le refroidissement, le chauffage ou la capacité de filtrage ou d’obtenir des propriétés mécaniques originales par la structure géométrique de la pièce.
  • Simplification des systèmes : il est possible de fabriquer des assemblages de multiples pièces d’un seul tenant et donc de grandement réduire la complexité logistique et d’assemblage associée.
  • Gain de matière : en plus du gain de matériau lié à l’optimisation de forme, il est possible dans une certaine mesure de réutiliser le matériau qui n’a pas été solidifié dans la pièce.
  • Production de pièce complexe, personnalisée, unique et à la demande sans coût additionnel : le coût de production dépend principalement du volume de la pièce et non de sa forme
  • Gain de temps : la chaîne logistique étant simplifiée, en particulier lorsque la complexité d’un assemblage est réduite, le gain de temps final peut être substantiel

Source : Fabrication Additive : Mobiliser les forces françaises – Paris, Presse des Mines, Les Docs de La Fabrique 2016

PRINCIPAUX DOMAINES D'APPLICATION

  • Médical : prothèse, implant, orthèse, …
  • Mécanique : corps de  vanne, turbine, filtre, échangeur, …
  •  Plasturgie : carter, capotage, pièce technique, structure, …
  • Art & Décoration : meuble, objet déco, décor spectable, accessoire, …
  • Emballage – Packaging : colisage, emballage, calage, présentoir, …
  • Publicité – Marketing : PLV 3D, figurine, objet pub, …
  • BTP : restauration, oeuvre d’art

Source : Fabrication Additive : Du Prototypage Rapide à l’impression 3D – Dunod 2016