fabrication additive laser : état de l’art · 2017-10-02 · geometry and material design...

Fabrication additive laser : état de l’art

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 02/10/2017 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

Principe de la fabrication additive METHODE DE CONSTRUCTION COUCHE PAR COUCHE

3 Prof. Alain BERNARD 02/10/2017

Source : Alain BERNARD, Copyright et droits photo

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

02/10/2017 5

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD

6 familles

de

matériaux

02/10/2017 6

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD


7

Source : Machine manufacturers

Prof. Alain BERNARD 02/10/2017


8

Source : NF E 67-001 - ISO 17296-2:2014E


1. Photopolymérisation d’une résine avec un laser

Example in medical field (source 3D systems)

Example of design parts (source 3D Prod) Copyright: Fabrication additive, Barlier, Bernard, Editions DUNOD 2015


9

Source : https://youtu.be/-ANHctWXk0s






Source: 3DSystems

Source: production 3dprinters

Source: 3DSystems



4. Solidification de poudre avec une source d’énergie (laser faisceau d’électrons)

Example of complex structured part (source: EOS)

Example of complex channels (source: EOS) Copyright : Fabrication additive, Barlier , Bernard – Editions DUNOD 2015

Source : NF E 67-001 - ISO 17296-2:2014E




Source : www.eos.info

Examples of polymer parts




Source : mission Fabrication additive Chine, mai 2017




Source : Farsoon, https://www.youtube.com/watch?v=aN8uetqcHns




Source : Spartacus3D, https://www.youtube.com/watch?v=Lbm92uwdbZU




Source : SLM Solutions, https://youtu.be/JItvU9hRRzs




Medical parts: Sources Phénix Systems - 3D Systems

Source: Renishaw

Part mafucatured with SLM (AL 6061)

Source: Philippe Bauer, THALES



5. Projection de poudre (ou apport de fil) dans un flux d’énergie (laser ou plasma)

Source : NF E 67-001 - ISO 17296-2:2014E

Example of mechanical

part (source: Optomec)

Example of complex chanels

(source: Irepa laser)

Copyright : Fabrication additive, Barlier, Bernard – Editions DUNOD 2015




Source : BeAM, https://www.youtube.com/watch?v=Pjqysyy1ySs




Example of an airduct (TA6V)

(Source: IREPA-Laser / Dassault Aviation)

Turbo-propulsor rotating part (Inconel 718 )

Repared with CLAD (Source : BeAM / Chromalloy France)





DMAMS

Plus que des technologies :

une chaîne de valeur complète


Post-treatments

Material qualification

Geometry and material design

Manufacturing

Manufacturing preparation

02/10/2017 24 Prof. Alain BERNARD

Un processus complexe

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

Une vision systémique


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




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

Generate CAD model

Le potentiel des

technologies exploité

pleinement grâce à une

nouvelle manière de

concevoir matériau et

géométrie en même temps


Créer de nouveaux produits…


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


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

34

La juste matière au juste endroit

02/10/2017

Optimisation topologique

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

Prof. Alain BERNARD

35

La juste matière au juste endroit

02/10/2017 Prof. Alain BERNARD

Optimisation géométrique

Source : ISO/TC/SCN 243 - Additive manufacturing — Technical Design Guideline for Powder Bed Fusion — Part 1: Laser-based

Powder Bed Fusion of Metals

Supports required

thickness

length

Initial shape, after topological optimization

New shape for LBM process

Thin wall

Fillet radius

36

Complexité sans surcoût

02/10/2017 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

37

Concevoir matériau et structure

02/10/2017

Structures lattices

Source : Fabrication Additive, Barlier et Bernard, Editions DUNOD

Prof. Alain BERNARD

38

Des formes intérieures fonctionnelles

02/10/2017

Source : Olaf Diegel, 21èmes Assises Européennes de la Fabrication Additive, Paris 2016,

Prof. Alain BERNARD

39

Avec une vision organique et

esthétique

02/10/2017

Source : Julien Bernard, Volum-e

Prof. Alain BERNARD

Source : exposition imprimer le Monde, Centre Pompidou, mars 2017

Le potentiel des technologies

exploité pleinement grâce à

une nouvelle manière de

concevoir les gammes de

fabrication


41

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


Ajout de fonctions sur des pièces

Ajout de fonction

42

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

Fabrication hybride


Combiner les procédés et notion de gamme

Intégrer les machines dans une

chaîne technologique complète

incluant des techniques de

parachèvement


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

Fabrication Micro Fusion Laser (SLM) Surfaces ré usinées

02/10/2017 44

Finition 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

Assurer la continuité numérique

et la traçabilité totale le long de

la chaîne de valeur


47

Transférer des données


Source : Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod

48

Transférer des données


Source : Exploring model-based engineering concepts for additive manufacturing, Robert R. Lipman, Jeremy S. McFarlane

A

M

F

S

T

L

3

M

F

S

T

E

P

S

T

E

P

-

N

C

Maîtriser la qualité le long

de la chaîne de valeur


Contrôle de la qualité

de la matière première

50

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 à venir pour

une réelle intégration

industrielle de la

fabrication additive !



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



Prochaine étape pour la FA Principaux challenges



Prochaine étape pour la FA Principaux challenges : simulation et modélisation



Prochaine étape pour la FA Principaux challenges : matériau



Prochaine étape pour la FA Principaux challenges : répétabilité



Prochaine étape pour la FA Principaux challenges : contrôle des processus



Prochaine étape pour la FA Principales pistes de recherche




Source : Development of an integrated KBE CAPP system for qualified AM, Y. Zhang, A. Bernard et al., AEFA 2017

Experimental Multi-axis carbon printing AM setup & mechanism and printed 3D thin wall part.




3-axis flat layer planning Multi-axis non-flat layer planning Multi-process non-flat layer planning

Identified key features for shape accuracy problem analysis: (a) thin walls; (b) long shaft

(a) (b) To be investigated: identifying key areas on free

form CAD models for manufacturability analysis



Source : Synergistic integration of Hybrid processes and multiple technologies, K.P. karunakaran, A. Bernard et al., SFF Austin, 2017



Planification systématique à base de connaissance en FA (Zhang et Bernard, 2014)

01

0

0

0

( )/

1(1 ) 100% (1 )

1+ +=

1+ + + -n

i i i iiP P

p k

k p k

p k p k

s sC V

s se s s

Multi-criteria Decision

Making Model

CAPP Based design &

design evaluation

Part

Clustering

Prediction modeling

(data mining)

Curved slicing & multi-

axis tool-path generation

Group

Orientation

Projection

based Nesting

KBE CAPP Proposition

Systematic CAPP Framework



Vers des unités de

production intégrées

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


Vers des unités de

production intégrées

Source: AddUp

AddUp FlexCare System AddUp FormUp 750


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/


Conclusions


Conclusions

La fabrication additive n’est qu’à un stade intermédiaire de développement. La fabrication additive doit encore être inventée et modélisée afin de donner aux technologues les mêmes possibilités que pour les autres familles de technologies de fabrication. La prochaine étape sera systémique.



Ouvrage collectif sur la

Fabrication Additive

Plus de 35

contributeurs !

Coordination

Claude BARLIER Alain BERNARD


ASSISES

EUROPEENNES

DE LA

FABRICATION

ADDITIVE

27-29 Juin 2017

CentraleSupélec

www.afpr.asso.fr

www.afpr.asso.fr

Questions / Réponses

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


http://www.afpr.asso/

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