Les évolutions et les perspectives de la Fabrication Rapide Métallique.

Compte rendu de la conférence Fabrication Rapide Métallique par Sylvestre Nunès.

Le 26 novembre 2003, le Pôle Européen de Plasturgie (PEP - www.poleplasturgie.com) a organisé une conférence sur les évolutions et les perspectives de la Fabrication Rapide Métallique appliquée à la fabrication d'outillages de fonderie et à la fabrication directe de pièces. Une centaine de personnes, dont principalement des outilleurs, étaient présentes.

Ce que nous avons retenu pour essentiel …

… du côté des technologies

Le procédé d'agglomération de poudre par frittage au laser demeure à ce jour l'offre commerciale de référence en termes de précision (0,1 à 0,2 mm) et de qualité des surfaces (faible granulosité). L'impression 3D métallique qui fait son entrée sur le marché offre des avantages en termes de rapidité de fabrication (au moins 4 fois plus rapide) et de taille des pièces (1000 x 500 x 250 mm) pour une précision et une qualité de surface équivalentes. Toutefois, ces deux procédés ont pour inconvénient majeur le fait que la fabrication ayant recours à un liant pour assembler les particules de poudre, la pièce ou l'empreinte obtenues (en sortie de machine chez EOS ou après cuisson chez 3D Systems et ProMetal) ont une densité de 60%. Pour combler ce vide, on infiltre du bronze ou de la résine, ce qui permet d'ores et déjà de réaliser des outillages permettant de produire quelques centaines de pièces voir même quelques milliers comme dans les exemples présentés. Par compression on peut obtenir une densité de plus ou moins 90% mais le retrait de près de 20% des cotes engendré par cette compression compromet la précision puisqu'il faut anticiper cette déformation sur le modèle numérique de la forme à fritter, ce qui n'est pas une mince affaire.

Deux nouveaux procédés de fabrication par fusion de poudres métalliques amorcent leur commercialisation: le premier développée par Arcam en Suède repose sur une technologie de fusion par faisceau d'électrons et le deuxième commercialisé par MCP repose sur la fusion par laser. L'avantage de la fusion est qu'elle permet d'obtenir une densité se rapprochant de 100%, mais l'inconvénient, pour l'instant, est la qualité des surfaces (trop granuleuses) qui nécessitent une finition par usinage. Malgré la nécessité de reprendre les pièces, ces technologies s'avèrent intéressantes pour la fabrication d'outillages complexes car elles permettent de placer les canaux de refroidissement, de réduire le temps d'usinage, et aussi de réduire la quantité de matériau transformée en copeaux (non négligeable selon le coût du matériau).

Enfin, les derniers procédés présentés lors de cette journée reposaient sur la fabrication additive par projection de métal en fusion. L'avantage de ces procédés est qu'ils permettent de venir déposer la matière via une buse ou une torche déplacée par un robot ou un portique, et offre ainsi la possibilité de fabriquer des pièces de grande taille, mais surtout ils permettent d'obtenir des pièces bonne matière. La technologie présentée par le CLFA est basée sur la projection de poudres mises en fusion par laser. Elle offre comme avantage la possibilité d'effectuer des projections de 7 à 8 kg/h, ou au contraire de réaliser des microsystèmes, en fonction de la buse utilisée. Le procédé du CLFA est en phase finale de validation dans l'industrie aéronautique européenne (collaboration avec le GIFAS) pour la fabrication directe de pièces bonne matière, et entre dans sa phase d'industrialisation. Notons que cette technologie est éprouvée dans le domaine du rechargement et qu'elle peut être utilisée pour des applications comme la réparation d'outillages.
Snecma Moteurs a également présenté des applications de plasmaformage réalisées avec le LERMPS. Le procédé de plasmaformage permet de réaliser des ébauches proches des côtes finales et des propriétés de matériaux forgés, réduisant ainsi le cycle d'usinage.
Pour sa part, le LERMPS a présenté un procédé de projection thermique, le procédé arc fil, qui permet de réaliser une coquille métallique de moule en projetant le métal en fusion sur un modèle pouvant être, par exemple, en résine. Ce procédé s'apparente au Sprayform mis au point par Ford.

… du côté du choix des techniques de fabrication

Vers la fabrication hybride
L'ENS Cachan - antenne de Bretagne a présenté une méthode d'aide au choix du ou des procédés à utiliser pour la fabrication rapide d'outillages prototypes entre l'UGV, le frittage laser et l'électroérosion. A l'issue d'une étude techno-économique, le centre de recherche arrive à la conclusion que le meilleur compromis est souvent la fabrication hybride, avec l'utilisation à la fois de l'UGV et du frittage laser de poudre métallique, l'électroérosion venant palier aux difficultés rencontrées par ces deux techniques. De plus, les opérations d'usinage et de fabrication additive peuvent être menées simultanément, ce qui permet encore une réduction de temps.
La méthode d'aide au choix a été programmée pour créer un prototype d'outil qui permettrait, en entrant les données d'un cahier des charges selon le process d'aide au choix établi, de définir le procédé prioritaire, l'association possible des procédés et l'équilibrage des temps de fabrication.
Pour ces travaux, l'ENS Cachan - antenne de Bretagne a du également définir une méthode de calcul des temps de fabrication par le procédé de frittage laser métallique. L'ambition du centre de recherche est de développer un logiciel qui analyserait les modèles CAO et qui en fonction de la topologie (forme et volume) isolerait les surfaces (codes couleurs) et déterminerait automatiquement la technique de fabrication préconisée pour chaque surface ou ensemble de surfaces. A suivre …

… du côté des applications

Les domaines d'application de la fabrication additive métallique sont les moules de vulcanisation, les moules d'injection plastique, les outils d'injection de métal sous pression et les pièces métalliques. A terme le marché le plus important devrait être celui de la fabrication directe de pièces métalliques mais pour l'instant, c'est surtout dans les domaines des outillages et des prototypes fonctionnels que sont utilisées ces techniques de fabrication rapide.

Maintenant
Compte tenu du coût actuel machines/matériaux/maintenance, les technologies de fabrication additive métallique sont principalement destinées à la fabrication de géométries complexes. Sinon, l'UGV est plus compétitif. La taille des pièces ou des empreintes est également un facteur déterminant car pour l'instant les procédés commercialisés offrent pour la plupart un faible volume (environ 250x250x200 mm chez EOS, MCP et Phenix Systems, 380x330x450 chez 3D Systems) et les temps machines, qui restent élevés, sont dépendants du volume à fabriquer (ex. : 100 cm3/h chez 3D Systems, 30 cm3/h sur la machine d'EOS, 5 cm3/h chez MCP). Aussi, plus une pièce est petite et complexe, plus la fabrication additive s'avère compétitive. Certes, la machine d'impression 3D de ProMetal offre une plus grande capacité et une plus grande vitesse (4100 cm3/h) mais encore faut-il posséder un four pour la cuisson d'une pièce de 1 m linéaire comme l'a précisé Thierry Dormal du CRIF. C'est à priori dans la fabrication directe de quelques exemplaires de pièces que l'impression 3D métallique devrait être la plus compétitive.

La solution (logiciel et matériel) de projection thermique de métal pour la réalisation de coquilles de moules en acier, mise au point par le LERMPS, est prête à être commercialisée. Elle comprend le logiciel de programmation hors ligne et simulation, le procédé Heatcool® de contrôle des contraintes résiduelles, et le pistolet arc fil. Notons que ce procédé permet la réalisation de canaux de refroidissement. Le prix du pistolet arc fil est évalué à 30.000 euro.

La technologie de projection laser du CLFA permet d'ores et déjà de faire du rechargement. Par exemple, comme l'a souligné Pascal Aubry du CLFA, la réparation d'un moule par rechargement de métal suivi d'un usinage de surface peut s'avérer beaucoup plus économique et rapide que la fabrication d'un nouveau moule. Cette technologie peut aussi être utilisée dès à présent pour la fabrication d'ébauches de pièces pour des économie de matière et des réductions du temps d'usinage. Par exemple, le procédé de fabrication directe de pièces en Titane de la société Aeromet est uniquement destiné à la fabrication d'ébauches et répond à une demande de l'aéronautique américaine.

Dans les prochains mois
Comme nous l'avons vu précédemment, les techniques les plus utilisées reposant sur l'agglomération de poudre permettent essentiellement la réalisation d'outillages prototypes pour la production de quelques exemplaires ou de petites séries. Or, l'attente industrielle est de réaliser des outillages de série pour la production de masse et des pièces bonne matière.

Dans le cas des technologies les plus utilisées à ce jour d'agglomération des poudres, la maîtrise par simulation numérique du retrait lors de la compression d'une pièce agglomérée est une réponse. Toutefois, pour les pièces ou les empreintes bonne matière de forme complexe, c'est certainement l'amélioration de la qualité de finition des pièces réalisées par agglomération de matière en fusion qui va permettre d'atteindre ce résultat. Notons que la technologie française de Phenix Systems en test au CLFA permet d'atteindre une densité supérieure à 99% et la technologie de MCP testée par la société MMB (Moules et Modèles de la Bresle) permet d'atteindre une densité d'environ 95%.

Pour la fabrication directe de pièces bonne matière, notamment de forme convexe mais de morphologie plus simple, et pour les pièces à matériaux durs, les technologies de projection de métal en fusion par laser s'avèrent une solution très intéressante. En effet, cette technologie offre des débits de buse pouvant aller jusqu'à 8 kg/h, une densité de 100%, un très bon niveau de précision, et pas de limite de taille, si ce n'est celle du portique ou du robot. Cette technologie offre aussi l'avantage de permettre la fabrication directe de pièces combinant plusieurs matériaux. C'est donc une technologie à suivre, notamment pour les activités de réalisation de petites séries de pièces métalliques comme l'aéronautique, le spatial, l'armement, le naval, ...

… du côté des ressources

Pour l'instant, les prestataires de services en fabrication additive métallique sont équipés des machines de fabrication par frittage laser d'EOS ou de 3D Systems. En France, seule la société Crésilas propose des services via le procédé Optoform. Pour recourir aux autres technologies vous devez vous adresser à des centres de transfert de technologies ou à des centres de recherche. Le CRIF, en Belgique, va s'équiper très prochainement de l'imprimante 3D métallique de ProMetal et participe également au programme de mise au point de la machine Optoform. Le CLFA propose des études dans le domaine de la fabrication additive par projection de métal en fusion, ainsi que dans le frittage par laser de poudres métalliques ou céramiques sur la base de la technologie de la société française Phenix Systems.