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Avec l’impression 3D en une étape vers la production en série

Les méthodes de fabrication servent à produire des pièces. Pour chaque production, une ou plusieurs méthodes de fabrication sont nécessaires. Une vue d’ensemble clarifie les choses et présente les possibilités de la nouvelle fabrication additive par l’impression 3D, pour l’identification et la certification en temps réel des éléments.

Chaque article technique dans le domaine «Non-food» peut être fabriqué aujourd’hui par un grand nombre de méthodes de fabrication différentes. On désigne par méthodes de fabrication tous les processus techniques et artisanaux par lesquels un produit peut être fabriqué. Chaque production est basée sur une méthode de fabrication. La fabrication est réalisée de préférence à partir de métal, d’aluminium ou de plastique.

Pour créer une vision d’ensemble, différentes méthodes de fabrication sont réparties en 6 groupes dans la norme DIN 8580. Cette répartition s’oriente selon la manière de modifier la cohésion de la matière.

Transformation primaire
On entend par transformation primaire la fabrication d’un corps solide dans une matière informe. La fabrication est réalisée par coulée ou par frittage.

Transformation
Dans la transformation, le corps d’origine est modifié dans sa forme par forgeage ou laminage. Aucune matière n’est ajoutée ou retirée.

Séparation
Dans la séparation, la forme de la matière est modifiée et globalement réduite par tournage, fraisage, sciage ou forage.

Assemblage
Dans l’assemblage, deux ou plusieurs matières sont reliées par soudage, brasage, vissage ou collage.

Revêtement
Par le revêtement, une couche informe adhésive est appliquée par laquage, galvanisation ou galvanisation à chaud à la surface de la matière.

Modifier les propriétés de la matière
Par le trempage ou le recuit, les propriétés de la matière sont modifiées de manière permanente.

Termes fondamentaux de la fabrication additive
L’affectation usuelle dans l’espace anglophone convient beaucoup mieux pour la répartition claire de la nouvelle méthode de fabrication additive, car on différencie ici selon le type de création de la géométrie.

Méthodes de fabrication soustractives
La géométrie souhaitée est produite par enlèvement dans différentes zones par tournage, fraisage ou érosion.

Méthodes de fabrication formatives
Un volume donné est déformé par forgeage, coulée, laminage ou emboutissage profond dans la géométrie souhaitée sans modification du volume total.

Méthode de fabrication additive
La juxtaposition d’éléments de volume produit la géométrie souhaitée.

Si, comme dans la dernière méthode citée, la géométrie en 3D est obtenue à partir de différentes couches, on parle de méthode de construction par couches, également appelée impression 3D, fabrication additive ou Additive Manufacturing (AM). Les premières approches sont arrivées sur le marché en 1987, sous le nom «Rapid Prototyping», avant que le processus du Selective Laser Melting (SLM, fusion sélective par laser) soit inventé en 1995 sous sa forme actuelle, par l’Institut Fraunhofer allemand.

De l’idée au produit
La fusion laser sélective désigne une méthode dans laquelle l’élément est divisé en différentes couches. La matière à mettre en oeuvre sous forme de poudre est déposée en une mince couche sur une plaque de base et la trajectoire que le rayon laser parcourt de manière sélective est calculée. La matière pulvérulente est ainsi fondue de manière sélective et après solidification, elle forme une couche de matière solide.

La plaque de base est ensuite descendue de l’épaisseur de la couche (30 à 80 ?m) et la poudre est à nouveau appliquée. Ce processus est répété jusqu’à ce que toutes les couches soient fondues. Ensuite l’élément fini est débarrassé de la poudre en excès, la pièce est desserrée de la plaque de base et au besoin elle subit un traitement ultérieur.

Cependant la méthode SLM n’est plus utilisée uniquement pour les composants des industries aéronautique et spatiale, ou l’industrie de la médecine (prothèses dentaires, de hanche et de colonne vertébrale). L’attrait des méthodes de fabrication additive réside essentiellement dans le fait que les propriétés de processus diffèrent fondamentalement des méthodes conventionnelles pour satisfaire aux exigences de coûts, de qualité et de délai de commercialisation. Ainsi les coûts unitaires dans la fabrication additive affichent une courbe constante, tandis que dans les fabrications soustractives et formatives, les coûts unitaires présentent une courbe fortement régressive.

Pour cette raison, les méthodes de fabrication additive comme le Selective Laser Melting conviennent en particulier pour la fabrication de petits volumes (1 à 10 000 pièces), tandis que par la suite, c’est-à-dire au-delà du seuil de rentabilité, les méthodes formatives, comme le moulage par injection ou le moulage de précision, présentent un avantage de coût évident pour la production en série.

Attention à la marche!
L’avantage majeur de la fabrication additive donne également naissance au plus grand défi. La structure en couches de cette méthode génère un effet dit d’escaliers (voir figure). À la surface des arrondis, des courbes ou des cambrures apparaissent des épaulements, dûs à l’étalement différent des couches. On obtient le même effet quand on essaie de former un cercle avec des légos.

Souvent, les points critiques de ce type sont munis de structures dites de soutien pendant le processus de fabrication, qui doivent être éliminées par une machine à l’issue de la fabrication. Malgré la rugosité nettement supérieure sur les surplombs, l’état de surface des surfaces fabriquées de manière additive est généralement comparable à celui des surfaces coulées.

En raison de l’apport de chaleur important sur les pièces fabriquées de manière additive, il faut souvent compter sur la formation de fissures et de retassures. Il devient donc nécessaire d’effectuer une finition mécanique ou thermique par Hot Isostatic Pressing (HIP), une méthode pour éliminer les porosités et augmenter la densité.

Identification 4.0
Pour la numérisation des industries techniques, qui consiste essentiellement en l’identification univoque de biens d’investissement en métal, en aluminium ou dans d’autres métaux non ferreux à l’aide de supports de données numériques, les méthodes de fabrication additive représentent une approche très attrayante.

L’abandon des outils de mise en forme procure un avantage par rapport aux méthodes de forme initiale, avec un gain de temps allant jusqu’à 80 %! Ainsi un produit peut être mis sur le marché jusqu’à 9 mois plus tôt et de manière plus économique. En plus, l’impression de pièces prototypes dès la phase de fabrication permet d’obtenir un produit validé beaucoup plus tôt. En outre, les géométries extrêmement complexes qui ne peuvent pas être obtenues par des méthodes de transformation primaire sont possibles.

La production directe de supports de données, comme par exemple le Data- Matrix de GS1 ou le code QR de GS1, pendant la fabrication signifie que maintenant, les biens d’investissement peuvent être produits dans des tailles de lots relativement réduites de manière rentable et simultanément également en série. Nous voyons bien que les méthodes de fusion sélectives au laser comme par exemple le SLM ou le Laser Powder Bed Fusion (LPBF, fusion laser d’un lit de poudre), ont une bonne longueur d’avance sur les méthodes de fabrication conventionnelles basées sur un moule, comme par exemple la coulée.

Dr Uwe Rüdel   

Informations complémentaires
GS1 Switzerland
Dr Uwe Rüdel
Directeur due secteur Industries techniques
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