Fabrication additive
Structures complexes avec des méthodes additives
La fabrication additive est passée, au cours de la dernière décennie, d’un outil de laboratoire pour la création de prototypes à une méthode désormais intéressante pour la production en série – juste à temps pour contribuer à l’Industrie 4.0. Ses principaux atouts résident dans la flexibilité du processus de production et l’ouverture à de nouvelles possibilités de fabrication en termes de géométrie et/ou de propriétés des matériaux.
Contrairement au moulage ou à la plupart des procédés soustractifs, les méthodes additives permettent à une même machine de produire une grande variété de pièces sans qu’il soit nécessaire de changer d’outil. L’élément décisif est uniquement le modèle transmis sous forme de fichier CAO. Même des formes géométriques complexes peuvent ainsi être réalisées en peu de temps.
Différentes méthodes de fabrication additive
Fusion par faisceau laser
Selon le matériau et l’objectif visé, différentes méthodes de fabrication additive sont appropriées.
Alors que l’« impression 3D » est historiquement bien établie dans le traitement des plastiques, elle s’impose de plus en plus dans la fabrication de pièces métalliques.
En Allemagne, les entreprises privilégient particulièrement le procédé de fusion par faisceau laser. Dans ce procédé, une poudre métallique est déposée en couches fines – généralement de 20 à 60 µm – sur une surface de travail. Un faisceau laser fait fondre le matériau de manière ciblée aux endroits où une structure solide doit être créée.
Fusion couche par couche au laser
La plaque de base est abaissée progressivement afin qu’une nouvelle couche de poudre puisse être appliquée. Ainsi, la structure souhaitée se forme couche par couche. Une fois le processus terminé, la poudre excédentaire et non utilisée est retirée. Contrairement aux procédés de fabrication conventionnels, la fabrication additive ne nécessite ni moules ni outils. Cela accélère la production et permet une diversité de formes quasiment illimitée.
Fusion par faisceau laser
Pour une variété presque infinie de formes
Lors de la fusion par faisceau laser, la poudre métallique est presque entièrement fondue, ce qui permet d’obtenir une pièce avec une densité spécifique supérieure à 99 %. Ainsi, de nombreuses propriétés mécaniques sont comparables à celles du métal traité de manière conventionnelle. Toutefois, cette méthode ne convient pas encore à tous les matériaux traditionnels, car certains métaux modifient leurs propriétés physiques lors du traitement. Des changements dans la tension superficielle ou la viscosité du matériau peuvent, entre autres, entraîner une non-conformité des pièces aux exigences de qualité.
La puissance du laser fait la différence.
La puissance du laser est l’un des facteurs déterminants pour rendre ces technologies adaptées à la production de masse. Des lasers plus puissants permettent notamment une vitesse de construction potentiellement plus élevée (cm³/h) dans le processus de fusion par faisceau laser. En général, la fabrication additive utilise des lasers à solide, des lasers à diodes ou des lasers à fibre monomode de puissance moyenne, avec des puissances de plusieurs centaines de watts. L’utilisation simultanée de plusieurs lasers permet d’augmenter encore l’efficacité.
Pour limiter l’évaporation de la poudre métallique et réduire les projections, un profil de faisceau légèrement élargi est généralement utilisé. Il est également important que le faisceau ne s’élargisse pas davantage en raison du décalage de mise au point induit par le laser (échauffement des éléments optiques), ce qui pourrait empêcher la fusion complète des couches.
Pièces uniques ou petites séries
Unicité
Actuellement, les procédés de fabrication additive sont encore souvent utilisés pour des pièces uniques ou des petites séries.
C’est dans ce contexte que les avantages de cette technologie se manifestent le mieux. Par exemple, dans le domaine de la technique médicale, des implants en titane peuvent être fabriqués sur mesure à partir des données physiologiques du patient.
Pour la production en masse de pièces standard, la plupart des entreprises continuent toutefois à recourir aux méthodes de fabrication conventionnelles pour des raisons économiques.
« Si vous essayez de reproduire simplement des composants standards avec une imprimante 3D, vous constaterez souvent que cela prend plus de temps et que le résultat ne correspond pas aux critères de qualité habituels », explique le Prof. Dr.-Ing. Jan T. Sehrt, titulaire de la nouvelle chaire de fabrication additive hybride à l’Université de la Ruhr à Bochum.
« Cela est souvent dû non pas à la technologie elle-même, mais aux étapes préalables sur l’ordinateur. Pour utiliser la fabrication additive de manière rentable, il faut également adapter la conception du produit à cette technologie. Idéalement, le concepteur possède des connaissances tout au long de la chaîne de processus, y compris sur l’utilisation finale de la pièce. »
De nombreux facteurs doivent être pris en compte pour obtenir un résultat optimal. Plus les couches métalliques sont épaisses, plus le produit est fabriqué rapidement. En revanche, cela accentue l’« effet de marche » sur les courbes, les surfaces libres et les angles obtus, ce qui réduit la qualité de surface. Il faut donc trouver un compromis qui garantisse une qualité de surface élevée tout en maintenant des temps de production acceptables.
Les propriétés physiques du matériau jouent également un rôle. Le dépôt couche par couche peut entraîner des effets anisotropes dans la pièce. Ces effets peuvent être évités en modifiant la position du produit sur la surface de travail, par exemple en l’inclinant légèrement pendant la fabrication. Pour que la pièce reste solidement fixée à la plateforme de fabrication tout au long du processus, il est nécessaire de prévoir des structures de support qui seront retirées après la fabrication. Ces renforts réduisent également les déformations qui peuvent survenir lors du refroidissement du matériau et affecter la structure entière. De plus, ils permettent d’évacuer l’énergie thermique générée lors de la fusion de la poudre.
La bonne stratégie d'exposition
a une influence significative sur la qualité du produit
Outre le modèle de conception, la stratégie d’exposition correcte a également une influence décisive sur la qualité du produit. Chaque zone d’une pièce impose des exigences différentes. De plus, il est possible d’ajuster les propriétés de la pièce de manière ciblée via les paramètres d’exposition au laser. Par exemple, une pièce pourrait être construite avec une densité plus élevée dans sa partie extérieure que dans sa partie intérieure.
Les zones en surplomb jouent un rôle particulier en raison des structures de support, et certaines zones nécessitent une qualité de surface particulièrement élevée. Ces facteurs peuvent être influencés par différents paramètres d’exposition – par exemple, la durée d’exposition ou la distance entre les traces de fusion. Des programmes informatiques permettent ici de déterminer la stratégie d’exposition optimale afin d’obtenir une qualité de produit maximale.
L’impact de toutes ces mesures sur le processus de production et la qualité du produit peut être simulé par le concepteur sur ordinateur avant le début de la fabrication réelle.
« Comme dans de nombreux domaines de l’industrie 4.0, la charge de travail se déplace ici aussi du processus de fabrication vers la planification et le contrôle », explique le professeur Sehrt.
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Beyond Borders
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Le système d'analyse de faisceau BWA-MON permet le suivi en temps réel de tous les paramètres des faisceaux des lasers à hautes-performances.
Cube séparateur de faisceau indépendant de la polarisation
Plusieurs corrections peuvent être effectuées à l’aide d’un seul élément diffractif.
Les DOE sont avantageux lorsqu’un élément doit produire plusieurs faisceaux.
Pour longueur d’onde typique dans l’IR lointain (2.94 µm)
Pour les longueurs d’onde classiques dans le proche IR et le IR lointain.
Changement sélectif du profil.
Les panneaux Brewster sont utilisés pour séparer la lumière polarisée S et la lumière polarisée P.
Plaque translucide à plans parallèles pour la transmission du faisceau
CODIXX offre des ensembles témoin de ses polariseurs pour l'évaluation avec un prix escompté.
Les lames d’ondes achromatiques se composent de deux lames.
Les lames d’ondes sont utilisées afin de faire pivoter la polarisation.
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