Cetim - fabrication additive - décryptage d’une technologie de fabrication à fort potentiel - journée fabrication additive 2017

1. Janvier2017
1
CETIM 2017
La fabrication additive
Décryptage d’une technologie de
fabrication à fort potentiel
CTTC le 26 Septembre 2017
patrick.ebadi@cetim.fr

2. Janvier2017
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CETIM 2017
Plan de la présentation
LES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS
Une grande diversité avec des champs d’application très variés
MATÉRIAUX DISPONIBLES
Une offre incomplète ?
LES CONTRAINTES DE FABRICATION
Support, productivité, état de surface…
CONCEVOIR AUTREMENT
Une adaptation à la technologie et à ses potentialités
LES POST-TRAITEMENTS NÉCESSAIRES
Traitements thermiques, nettoyage, contrôle
ASPECT ÉCONOMIQUE
Investissement initial, coût, productivité
QUESTIONS/RÉPONSES

3. Janvier2017
3
CETIM 2017
Fabrication Additive : Définition
Procédé consistant à assembler des matériaux pour fabriquer des pièces à partir de
données de modèle en 3D, en général couche après couche, à l’inverse des méthodes de
fabrication soustractive et de fabrication mise en forme.(NF ISO/ASTM 52900)
CETIM
Données numériques
Fichier CAO 3D - STL
Finitions
Nettoyage, enlèvement des supports,
sablage, usinage,..
Fabrication
Préparation des fichiers
Correction fichiers, orientation,
placement pièces, support, tranchage

4. Janvier2017
4
CETIM 2017
Fabrication additive : quelle maturité ?
La FA a une histoire vieille de 26 ans pour le plastique, mais la capacité à faire des objets métalliques satisfaisant
aux contraintes industrielles remonte à 1995.
Marché de niches sur des applications à fortes valeurs ajoutées car matériaux matures « nobles » + procédés onéreux +
pièces unitaires
Roland Berger

5. Janvier2017
5
CETIM 2017
Tour d’horizon des
procédés polymères

6. Janvier2017
6
CETIM 2017
Les technologies
 Impression 3D
 Stéréolithographie SLA
 Dépôt fil FDM
 Frittage laser SLS
Fabrication additive Polymères
Illustrations : http://3dprintingindustry.com

7. Janvier2017
7
CETIM 2017
Material jetting
Projection au travers de multiples têtes
d’impression d’un matériau de
construction (à l'état liquide ou fondu ) et
d’un matériau support.
Puis polymérisation par flashage sous
Ultra Violet de ces matériaux
thermodurcissables à chaque couche.
Enfin élimination des supports par
étuvage ou nettoyage au jet d’eau sous
pression.
Possibilité de déposer simultanément plusieurs
matériaux.
Procédé d'impression 3D très précis , pièces avec une
finition très lisse (résolution de couches à 16 microns et une
précision à 0,1 mm)
Impression 3D

8. Janvier2017
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CETIM 2017
Binder jetting
La matière projetée est un liant ,
pulvérisé de manière sélective dans un
lit de poudre de la matière de la pièce à
fusionner
 Avantages :
• pas besoin de supports car le lit de poudre
soutient la pièce en construction.
• gamme large de matériaux possibles , y compris
la céramique et de la nourriture.
• possibilité d'ajouter facilement une palette de
couleurs (ajoutée au liant)
Procédé 3DP de Z corporation
Impression 3D

9. Janvier2017
9
CETIM 2017
Quelques indicateurs de
performance
Avantages
• Objet bi-matière mou et dur sans
assemblage
• Facilité d’emploi
• Précision d’impression
• Transparence
• « Infinité » de couleur
Inconvénients
• Sensible à la chaleur et à la lumière
Impression 3D
Exemples

10. Janvier2017
10
CETIM 2017
La stéréolithographie consiste à polymériser
localement un bain de résine photosensible à
l’aide d’un laser CO2.
La résine est polymérisée sur une plaque de
construction qui descend dans le bain de résine
au fur et à mesure de la construction.
La fabrication nécessite des supports qui sont
réalisés dans le même matériau que la pièce et
sont ensuite enlevés manuellement.
Reconnue comme la première technologie d’impression 3D
Stéréolithographie SLA

11. Janvier2017
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CETIM 2017
Quelques indicateurs de performance
Avantages
Possibilité de faire des pièces de grande
taille
Bon état de surface
Bonne précision dimensionnelle
Transparence
Technologie maîtrisée car la plus ancienne
Grande variété de résines ~100
Inconvénients
Les supports de fabrication limitent la
géométrie de la pièce
Jaunissement à la lumière
Mauvaise tenue dans le temps
Stéréolithographie SLA
Exemples

12. Janvier2017
12
CETIM 2017
La dépose de fil consiste à extruder au travers
d’une buse un filament de polymère
thermoplastique pour la construction et un autre
pour les supports.
Les filaments sont déposés couche par couche
sur une plaque de construction.
Les supports sont ensuite enlevés manuellement
ou dissous dans l’eau.
Fil : 1,7mm,  3mm
Dépôt fil FDM

13. Janvier2017
13
CETIM 2017
Quelques indicateurs de performance
Avantages
Réalisation de grandes pièces
Pièces fonctionnelles
Différentes couleurs
Machines « low cost »
Inconvénients
Fabrication avec supports
Limite dans la fabrication de géométries trop
complexes
Etat de surface strié, résolution, porosité
Dépôt fil FDM
Exemples

14. Janvier2017
14
CETIM 2017
Le frittage laser de poudre thermoplastique
consiste à déposer une couche de poudre et à la
fondre localement, sélectivement, à l’aide d’un
laser CO2.
La fabrication ne nécessite aucun support car la
poudre est autoporteuse, c'est-à-dire qu’elle
supporte totalement les parties en contre
dépouille.
Zone de fabrication préchauffée (T< Tf), le laser apporte
le DT pour fusionner
Frittage Laser SLS
Illustration : https://www. sculpteo.com

15. Janvier2017
15
CETIM 2017
Quelques indicateurs de performance
Avantages
Géométries complexes
Coût pièce
Fabrication de pièces fonctionnelles
Bonne résistance et durabilité
Paroi mince
Possibilité objet flexible
Inconvénients
Etat de surface granuleux
Porosité (peu d’allongement)
Choix limité de couleur
Frittage Laser - SLS
Resmed
Ventilateur de refroidissement
Exemples

16. Janvier2017
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CETIM 2017
Tour d’horizon des
procédés métalliques

17. Janvier2017
20
CETIM 2017
Avec fusionSans Fusion
Apport directLit de poudre
Dépôt
poudre
Dépôt
fil
Metal binder jetting
(impression 3D métal)
Fusion
laser
Fusion faisceau
d’électrons
Procédés de Fabrication Additive Métal
+ l’impression 3D de
moule en sable /
fonderie

18. Janvier2017
21
CETIM 2017
Avec fusionSans Fusion
Apport directLit de poudre
Dépôt
Poudre
Dépôt
fil
Metal binder jetting
(impression 3D métal)
Fusion
laser
Fusion faisceau
d’électrons
METAL BINDER JETTING -
IMPRESSION 3D MÉTAL

19. Janvier2017
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CETIM 2017
Etape 1: Mise en forme
par Impression 3D
Etape 2 : Consolidation
par Frittage
Superposition de couches de
poudres, agglomérées par un liant
polymère.
Après avoir brulé le liant (déliantage)
le frittage de la pièce « verte » vient
conférer les caractéristiques
mécaniques
Un procédé métallique sans fusion :
Metal Binder Jetting - Impression 3D métal

20. Janvier2017
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CETIM 2017
Green part As sintering As sintered + surface finishing
Un procédé métallique sans fusion :
Metal Binder Jetting - Impression 3D métal

21. Janvier2017
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CETIM 2017
Supports à
retirer
Supports à
retirer
Pas de support.
Composant final
obtenu directement
Fusion LaserImpression 3D
Un procédé métallique sans fusion :
Metal Binder Jetting - Impression 3D métal

22. Janvier2017
25
CETIM 2017
Metal Binder Jetting - Impression 3D métal
Exemples

23. Janvier2017
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CETIM 2017
Points forts
 Géométries complexes
 Pas de support
 Pas de contrainte résiduelle
 Moins cher que la fusion laser
 Etat de surface meilleur que les autres procédés
Domaines d’applications
 Médical
 Petite pièce mécanique
 Design
Points faibles
 Offre matériau très réduite (316L, 17-4PH)
 Uniquement pour des petites pièces (<100mm) en
raison du frittage
 Propriétés matériaux (porosité résiduelle) et
notamment en fatigue
 Maturité faible
Maturité
 Peu d’acteurs
 Technologie récente, peu connue
 En phase de développement
Metal Binder Jetting - Impression 3D métal
Bilan

24. Janvier2017
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CETIM 2017
L’IMPRESSION 3D SABLE +
FONDERIE

25. Janvier2017
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CETIM 2017
aggloméré
Procédé :
Autre fabricant machine :
Impression 3D sable + Fonderie
Matériaux coulés :
 Alliages d'aluminium
 Magnésium
 Aciers
 Fontes
 Bronze

26. Janvier2017
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CETIM 2017
Avantages généralement constatés :
• Fonderie sable : délai de réalisation des
moules et flexibilité de la conception
• Fonderie cire perdue : coûts et délai en
remplacement de moules d’injection pour
la fabrication du modèle (cas de séries
relativement faible)Source : Voxeljet
Fabrication de modèles en cire ou
thermoplastique
Fabrication de Moules en sable
Impression 3D sable + Fonderie

27. Janvier2017
31
CETIM 2017
Points forts
 Pas de plaques modèles (prototype;
stockage; maintenance)
 Liberté géométrique (pas de règle de
démoulage)
 Gain de temps
Domaines d’applications
 Toutes pièces de fonderie classiquement
réalisée en fonderie sable
Impression 3D sable + Fonderie : Bilan
Points faibles
 Peu adapté à la série
 Coût
Maturité
 Disponible chez quelques fondeurs

28. Janvier2017
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CETIM 2017
Dépôt
poudre
Dépôt
fil
Metal binder jetting
(impression 3D métal)
Fusion faisceau
d’électrons
Avec fusionSans Fusion
Apport direct
FUSION LASER SUR LIT DE POUDRE
Lit de poudre
Fusion
laser

29. Janvier2017
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CETIM 2017
Laser Beam Melting
1-le plateau de fabrication descend d’une épaisseur de
couche.
2- une nouvelle couche est appliquée sur le substrat
au moyen d’une racle ou d’un rouleau.
3- la poudre est lasée de sorte à fusionner
sélectivement la section 2D de la pièce par absorption
de l’énergie du laser.
L’opération se fait dans une chambre sous atmosphère
contrôlée (gaz inerte)/
Laser fibre de plusieurs centaines de Watts
Le laser est dirigé suivant les directions X et Y au
moyen de miroirs.
Fusion Laser (LBM)

30. Janvier2017
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CETIM 2017
Fusion Laser (LBM)
Pièces complexes, canaux internes
Supports requis, fabrication sur embase plane
Parachèvement TTH détente /découpe / reprise supports

31. Janvier2017
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CETIM 2017
Points forts :
 Géométries complexes
 Pièce unitaire / petite série
 Assez large panel matériaux
 Nombreuses machines/sous traitants
Domaines d’applications :
 Outillages
 Médical
 Aéronautique
 Spatial
Fusion Laser (LBM) : Bilan
Points faibles :
 Productivité faible
 Coût élevé
 État de surface
 Support
 Contraintes résiduelles
Maturité :
 Sous-traitance de pièces
 Technologie métallique la plus diffusée

32. Janvier2017
36
CETIM 2017
Cage
intervertébrale
Fusion Laser (LBM) : Exemples
Dentisterie

33. Janvier2017
37
CETIM 2017
Aéronautique
 Pièce monolithique : 20 1 pièce
  durée de vie : X 5
  masse 25%
Leap Engine fuel nozzle
Co-Cr
Fusion Laser (LBM) : Exemples

34. Janvier2017
38
CETIM 2017
Conformal cooling
Fusion Laser (LBM) : Exemples

35. Janvier2017
39
CETIM 2017
Avec fusionSans Fusion
Apport directLit de poudre
Dépôt
Poudre
Dépôt
fil
Metal binder jetting
(impression 3D métal)
Fusion
laser
Fusion faisceau
d’électrons
FUSION PAR FAISCEAU
D’ÉLECTRONS

36. Janvier2017
40
CETIM 2017
Procédé EBM
Très similaire au LBM en termes de construction 3D de la
pièce.
La différence vient de la source d’énergie utilisée pour fondre la
matière : ici un faisceau d’électrons.
L’opération s’opère dans une chambre sous vide.
La poudre est préchauffée par passage du faisceau d’électrons
sur toute la surface de la couche.
Matériau : Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, ASTM F75CoCr, Inconel
Volume de fabrication :  300mm , H = 208mm
Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

37. Janvier2017
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CETIM 2017
Applications médicales
Plaque : 180mm x 130mm x 5mm
Pièce de moteur
Source : ARCAM
Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

38. Janvier2017
42
CETIM 2017
Exemples de réalisations chez
Secteur : F1
Matériau : TA6V
6 pièces en 45 heures
Fabrication d’un brut « proche des cotes » puis usinage
complet d’une surépaisseur en finition.
 réduire le temps copeau
Secteur : Spatial
Matériau : TA6V
Pièce support de réflecteur satellite
Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

39. Janvier2017
43
CETIM 2017
Points forts :
 Géométries complexes
 Productivité supérieure à la fusion laser
 Faibles contraintes résiduelles
 Peu de supports
 Possibilité d’empilement de pièces
Domaines d’applications :
 Médical
 Aéronautique
 Spatial
Fusion par faisceau d’électrons (EBM) : Bilan
Points faibles :
 Productivité faible
 Coût élevé
 Etat de surface
 Temps de refroidissement
 Enlèvement de la poudre/recyclabilité
 Offre matériau restreinte
Maturité :
 Sous-traitance de pièces

40. Janvier2017
44
CETIM 2017
Avec fusionSans Fusion
Apport directLit de poudre
Dépôt
poudre
Dépôt
fil
Metal binder jetting
(impression 3D métal)
Fusion laser Fusion faisceau
d’électrons
DÉPÔT DE MATIÈRE SOUS ÉNERGIE CONCENTRÉE
DIRECTED ENERGY DEPOSITION (DED)

41. Janvier2017
45
CETIM 2017
A partir de poudres DMD, …
Le procédé utilise un faisceau laser pour former un
bain de fusion sur un substrat métallique.
La poudre est alimentée co-axialement au laser, elle
fond pour former un dépôt (cordon) lié par fusion au
substrat.
Le laser et la buse à partir de laquelle la poudre est
délivrée sont manipulés au moyen d’un robot CNC ou
système à portique.
Le DMD est utilisé pour une large gamme
d'applications, y compris la génération de structures
3D de forme libre et pour des applications de
revêtement et de réparation.
Dépôt poudre
The process of laser deposition is known by several names, most of which are trademarks of various machine manufacturers or research establishments. These
include Laser Metal Deposition (LMD), Direct Metal Deposition (DMD), Direct Laser Deposition (DLD), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laser Cladding,
Laser Deposition Welding and Powder Fusion Welding.

42. Janvier2017
46
CETIM 2017
IREPA LASER : CLAD
- Vitesse de dépôt : 1200mm/min
- 2-12 cm3/h pour micro-CLAD
- 100-200 cm3/h pour le macro CLAD
Dépôt poudre

43. Janvier2017
47
CETIM 2017
Points forts :
 Productivité
 Ajout de fonction
 Possibilité de faire du multi matériaux
Domaines d’applications :
 Aéronautique
 Mécanique
Dépôt poudre : Bilan
Points faibles :
 Géométrie assez simple (tubulure, ajout de
fonction)
 Etat de surface
Maturité :
 Nombre d’acteurs plus limités qu’en fusion
laser mais nombreux développements
 Procédé moins automatisé (nécessite une
mise au point)

44. Janvier2017
48
CETIM 2017
 la matière première n'est pas sous forme de poudre mais de fil
métallique.
Une buse montée sur un bras multiaxes dépose un matériau fondu
sur un substrat où il se solidifie. L'énergie pour la fusion peut être
apportée par :
Electron Beam Fabrication Free Form / Sciaky
Gas Metal Arc Welding / Cranfield University
Plasma / NTiC
Ion Fusion Formation (IFF) / Honeywell
Dépôt fil
Ajouts de formes sur embase, grande dimension
Pas de Supports
Parachèvement reprise Usinage, TTH détente?
Matériaux : Alliage titane,

45. Janvier2017
49
CETIM 2017
Procédé WAAM (Wire + Arc Additive Manufacture )
Env. 500 cm3/h (4kg/h)
MX 3D
Dépôt fil

46. Janvier2017
50
CETIM 2017
Points forts :
 Productivité
 Ajout de fonction
 Grande dimension
Domaines d’applications :
 Aéronautique
 Défense
Dépôt fil : Bilan
Points faibles :
 Forme simple sur une embase
 Ebauche à usiner
 Etat de surface
Maturité :
 Peu d’acteurs
 Diffusion restreinte

47. Janvier2017
51
CETIM 2017
Avec fusionSans Fusion
Apport directLit de poudre
Dépôt
poudre
Dépôt
Fil
Pièces
Complexe, <100mm
Précision : 5/100 - 1/10
Rugosité : Ra≈10µm
Pas de supports
Taille chambre
max 800×500×400
Productivité
env. 1cm/h
Matériau
316L, 17-4PH
Coût : 300-600k€
Autre
Frittage ultérieur
Metal binder jetting
(Impression 3D métal)
Pièces
Complexe/petite
Précision : 2/10
Rugosité : Ra≈40µm
Peu de supports
Taille chambre
Ø 350-380
Productivité
25 à 100cm3/h
Matériaux : Titane, CoCr,
inconel
Coût : 600-1000k€
Autre
Sous vide et température
Pièces
Complexe/petite
Précision : 5/100 – 2/10
Rugosité : Ra≈20µm
Supports nécessaires
Taille chambre
max 600×400×500
Productivité
1 à 70 cm3/h
Matériaux : Titane, Alu,
nickel, maraging, inox,
CoCr…
Coût : 400-1000k€
Autre
Technologie la plus
diffusée
Fusion
Laser (LBM)
Fusion faisceau
d’électrons (EBM)
Procédés de Fabrication Additive Métal
Pièces : Grande, peu
complexe, ajout de
fonction
Précision : 3 à 5/10
Rugosité : dépend de la
buse
Taille chambre
Max 1500×800×800
Productivité
100 à 200cm3/h
Matériaux : Idem lit de
poudre + nuance
rechargement
Coût : 1 à 2 M€
Autre
Multi-matériaux possibles
Pièces : Grande, ébauche,
ajout de fonction
Précision : 5/10 à 10/10
Rugosité : très forte
Taille chambre
Max 6300×1400×1500
Productivité
200 à 500cm3/h
Matériaux : Idem lit de
poudre + nuance
rechargement
Coût : 2 à 3M€
Autre
Multi-matériaux possibles

48. Janvier2017
52
CETIM 2017
MATÉRIAUX DISPONIBLES
Une offre incomplète ?

49. Janvier2017
55
CETIM 2017
Rm
(MPa)
Rp 0,2
(MPa)
A%
(%)
Dureté
Kv
(J)
Masse Vol
(g/cm3
)
Porosité
(%)
fritté 510 190 57 55 HRB 50 7,72 3,1%
fritté + HIP 520 195 74 / 270 7,97 < 0,1%
MPIF Standard 35
(MIM, état fritté)
450
à 520
140
à 175
40
à 50
/ / 7,6 4,6%
EN 10088-2
(laminé chaud, Hypertrempe)
530
à 680
220
à 240
40 /
60
à 120
7,97 /
Fusion Laser
(état brut de fusion)
540 à
640
425 à
530
40 à 56 / / / /
fritté 1050 900 4 25 HRC / 7,62 2,3%
fritté + TTh 1250 1060 11 33 HRC / 7,62 2,3%
fritté + HIP + TTh
EN 10088 partie 2 et 3
Etat durci (P1070)
1070
à 1270
1000 10 / / 7,8 /
Fusion Laser
(état brut de fusion)
850 à
960
530 à
645
25 à 35 / / / /
Fusion Laser
(état durci, source Concept
Laser)
1310 1170 10 388 HB / / /
à caractériser
Digital
Metal
Digital
Metal
Références
316L
17-4PH
Références
Metal Binder Jetting : Impression 3D métal
 Inconel (ExOne) + Titane en développement dans l’année

50. Janvier2017
56
CETIM 2017
Nuances commerciales disponibles
Titane
TiAl6V4
TiAl6V4 ELI
T40
Ti Al6Nb7
Co-Cr MP1, SP2
Aluminium
AlSi10Mg
AlSi12
Acier Outils
Maraging 1.2709
H13
Base Nickel Hastelloy X, Inco 625, Inco 718
Inox
Austénitique : 316L, 304L
Martensitique : 15-5 PH, 17-4 PH
Autres Or, Argent
Fusion Laser (LBM) : Matériaux
Source : POWDER METALLURGY / REVIEW – n°2

51. Janvier2017
57
CETIM 2017
Fusion par faisceau d’électrons (EBM)
Seuls trois matériaux disponibles en sous-traitance :
• Titane : Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI
• Base Cobalt : ASTM F75CoCr
• Base nickel : Inconel 718 – inconel 625

52. Janvier2017
58
CETIM 2017
Dépôt poudre
Source :
IREPA LASER : CLAD

53. Janvier2017
59
CETIM 2017
Synthèse sur les matériaux disponibles
Il manque plusieurs familles de matériaux :
• Les aciers au carbone, à outils ou rapide en raison principalement de leur soudabilité
• Les alliages d’aluminium à durcissement par précipitations  soudabilité
• Les cuivreux en raison de leur réflectivité (laser) et de leur conductivité thermique
Des changements à venir notamment :
• En fusion laser grâce aux machines intégrant du préchauffage
• En impression 3D métal, plus de problème de soudabilité !

54. Janvier2017
60
CETIM 2017
CONCEVOIR AUTREMENT
Une adaptation à la technologie et à ses potentialités

55. Janvier2017
61
CETIM 2017
Positionnement de la fabrication additive

56. Janvier2017
62
CETIM 2017
Dans quels cas aller envisager la fabrication additive ?

57. Janvier2017
63
CETIM 2017
 Zone de fabrication X-Y-Z limitée
 Présence de support
 Prévoir l’évacuation de la poudre
 Eviter les angles vifs – Mettre des congés
 Epaisseur minimale de paroi 0,4 mm – Il est toutefois peu conseillé de descendre sous le mm
 Précision dimensionnelle à +/– 0,2 % avec pour limite basse +/- 0,2 mm
 Etat de surface dépend de l’orientation de la surface
 Anisotropie des propriétés mécaniques XY ≠ Z
Grande liberté géométrique en fusion laser, faisceau d’électron et impression 3D
La reconception est quasi systématique
Une pièce ne sort pas finie de la machine !
Conception : une multitude de règles

58. Janvier2017
64
CETIM 2017
Source : Mike Ayre, http://prezi.com/qgiujvngqxj0/copy-of-dmls-design-guide-v4
Conception : Exemple de réduction des supports
Changement d’orientation de
fabrication  support réduitChangement d’orientation de fabrication
et de design  aucun support
Nombreux supportsDesign initial

59. Janvier2017
65
CETIM 2017
Principe : trouver pour un volume de conception et un cas de chargement donné, la meilleure répartition de
matière possible pour parvenir à un objectif (par exemple minimiser le poids), tout en respectant des critères de
dimensionnement ou de fabrication fixés par les concepteurs
1 objectif possible (minimiser ou maximiser) :
-le poids
-la rigidité, l’inertie
-la fréquence (vibratoire) …
 Critères de dimensionnement possibles
-Déformées
-Contraintes statiques
-Flambage
-Fatigue
-Vibratoire
-Volume, inertie, Force …
Critères de fabrication
-Épaisseurs de renforts mini et maxi
-Avec ou sans trous
-Contraintes d’éjection ou d’extrusion …
Conception : Optimisation topologique
Vconception
Vnon modifiable

60. Janvier2017
66
CETIM 2017
Exemple : Pivot
Contexte:
 Machine d’enroulement de câbles
 Efforts inertiels importants
 Pièce mécano-soudée
 Lyre -> 700tr/min
 M pivot=2,34kg / Aluminium
Conception : Optimisation topologique

61. Janvier2017
67
CETIM 2017
Exemple : Pivot
Cas de charge
 Encastrement entre le tube du pivot et la lyre
 Efforts sur les différents alésages représentant les efforts des poulies sur le pivot
et l’effort dû à l’inertie du pivot.
Conception : Optimisation topologique

62. Janvier2017
68
CETIM 2017
Exemple : Pivot Zones Design, Non-Design
Conception : Optimisation topologique

63. Janvier2017
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CETIM 2017
Exemple : Pivot Topologie
Conception : Optimisation topologique
Brut de calcul Après nettoyage Reconstruction

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CETIM 2017
Exemple : Pivot Topologie
Intégration des contraintes de fabrication
Conception : Optimisation topologique
Figure 28 : Pivot
Vérification par calcul

65. Janvier2017
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CETIM 2017
Exemple : Pivot
Version tubulaire
Bilan
 Gain masse : 65%
 Gain masse (avec supports) : 45%
Conception : Optimisation topologique

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CETIM 2017
LES POST-TRAITEMENTS
NÉCESSAIRES
Traitements thermiques, nettoyage, contrôle

67. Janvier2017
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CETIM 2017
Cycle de vie en fabrication additive
Plateau de fabrication en sortie machine

68. Janvier2017
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CETIM 2017
Des post-traitements, quels intérêts ?
Un composant souvent complexe géométriquement nécessitant des étapes
ultérieures pour obtention d’un composant fonctionnel…
 Impact majeur sur les coûts, les délais et la fiabilité
Constat Solution
Procédés concernés
Impression
3D métal
Fusion
laser
EBM
Dépôt
poudre
Dépôt
fil
Liaison soudée à un plateau Découpe mécanique, fil +++ +++ +++ +++
Présence de supports
de fabrication
Minimiser (simulation,
état de l’art),…
+ +++ + + +
Contraintes résiduelles
Détensionnement,
préchauffage
+++ + +++ +++
Etat de surface médiocre
Reprise mécanique,
chimique
+ ++ ++ +++ +++
Présence de poudre résiduelle Nettoyage +++ +++ +++ +
Présence de défauts
Mise sous contrôle du
procédé, HIP
+++ +++ +++ +++ +++
Microstructure non optimisée Traitement thermique +++ +++ +++ +++ +++

69. Janvier2017
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CETIM 2017
Supports
Les supports permettent :
La construction au regard des problèmes
D’effondrement
De surfusion
De limiter les déformations dues aux contraintes
résiduelles
Supports détachables Travail sur la réduction des supports Supports internes pour l’allègement
Supports fragmentables

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CETIM 2017
Etat de surface
Un impact majeur sur la tenue à la fatigue
Surface latérale en fusion laser Surface supérieure en fusion laser
Source : Effects of Defects in Laser Additive Manufactured Ti-6Al-4V on Fatigue Properties, Eric Wycisk
L’état de surface est
médiocre en fabrication
additive et souvent
hétérogène

71. Janvier2017
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CETIM 2017
Etat de surface
Quelle voie d’amélioration ?
Usinage (in situ?)
Voie mécanique : sablage, tribofinition…
Voie chimique
Une solution spécifique dépendant :
Du besoin fonctionnel
De l’accessibilité
Du risque de contamination
supplémentaire
Impression 3D métal, avant et après tribofinition
Essai de sablage (avant et après traitement) Essai par voie chimique

72. Janvier2017
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CETIM 2017
Nettoyage
Plusieurs solutions envisageables : soufflage, aspiration, ultrasons, fluide chargé…
Pas de solution unique, cela dépend du besoin fonctionnel
Exemple de référentiel pour mesurer la propreté particulaire :
Norme ISO 16232  Conditions d’extraction
• Récipient placé dans un bain (fluide Biosane)
• Puissance US = 33W/L
• F=45KHz
• Durée=2x5min
Conformal cooling Cupule avec structure lattice

73. Janvier2017
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CETIM 2017
Traitement thermique
Trois objectifs
Eliminer les contraintes résiduelles
Restaurer une microstructure optimale
Parfois éliminer certains défauts internes (HIP)
TA6V - Brut fusion laser
Phase α’
TA6V Forgé
Phase α/β équiaxe
Fissure à l’interface pièce/plateau
Porosités internes
Microstructures

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CETIM 2017
Analyse d’images
 Contrôle de la mise en couche du procédé (avec ou non rétroaction)
 Observation après lasage
Contrôle du faisceau
 Mesure de l’intensité émise par le faisceau
Contrôle du bain de fusion
 Mesure par pyrométrie
 Mesure de l’intensité du rayonnement
Autres
 Taux d’oxygène
 Température…
Qmcoating Concept Laser
Mise sous contrôle du procédé

75. Janvier2017
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CETIM 2017
1 solution = tomographie
 Contrôle dimensionnel par mesure
des écarts / CAO
 Détection de défauts
Détection de porosités à
l’interface Corps –
Structure lattice
Mise sous contrôle du procédé

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CETIM 2017
ASPECT ÉCONOMIQUE
Investissement initial, coût, productivité

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CETIM 2017
Fusion Laser (LBM) : Coûts
Formation / Recrutement
• Compétences mécaniciennes (manip machine)
• Compétences CAO (fichiers, CFAO)
• Compétences Métallurgie (qualité pièce, TTh…)
BATIMENT
• Electricité env. 10kW
• Air comprimé, Gaz neutre
(selon machine)
• Loyers5 à 10 k€ / an
MACHINE + Périphériques
• Machine
• Périphériques : tamiseuses,
chargement, aspiration &
recyclage
• Sableuse, scie, four TTH,…
500 à 1000 k€
MAINTENANCE / Entretien
• Consommables (filtres, racles
poudres)
• Maintenance
40 k€/ an
CFAO / logiciels dédiés
• Ex Magics
• Optionnel, logiciels spécifiques :
Optimisation topologique
Structure lattice
…
20 k€ + opt20k€
Qualification process
Ordre de grandeurs :
• Machine : 50 à 80 €/h
• Fabrication : quelques heures à quelques
jours

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CETIM 2017
Coûts en FA Métal / LBM
Exemples de prix de poudres pour LBM
Variable selon :
• Négociations commerciales
• Granulométrie
• Sur stock ou à façon
• Coût de la matière première
• …
Coût de matière engagée dans une machine
AlSi10Mg – 2,7 g.cm-3 – 60 €.kg-1 1 300 € 5 180 €
316L – 8 g.cm-3 – 90 €.kg-1 5 760 € 23 040 €
TA6V – 4,4 g.cm-3 – 500 €.kg-1 17 600 € 70 400 €
Fournisseurs
Machine
Fournisseurs
De Poudres
Maraging 85 à 130 €/kg
316L 80€/kg 50€/kg
AlSi10Mg 110€/kg 35 à 56€/kg
Co-Cr (médical) 220€/kg
TiAl6V4 ELI (médical) 460 à 590€/kg 300€/kg
Inconel 135€/kg

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CETIM 2017
Coûts en FA Métal / LBM
Exemple 3 : bielle en TA6V (70x38x9mm)
Epaisseur de couches 30µm Epaisseur de couches 60µm
126 pièces / plateau
Temps de fabrication :67,2h Temps de fabrication : 47,22h
* brut de fabrication (hors parachèvement, TTh,…)
9 à 12€/cm3
47 €/pièce* 39 €/pièce*

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CETIM 2017
Coûts en FA Métal / LBM
Exemple 5 : Gains par la reconception
*Brut de fabrication fusion laser, Prix matière 1ère :80€/kg
670 €/kg 855 €/kg
12 pièces/plateau
Tps de Fab : 9h
Poids pièce : 90g
12 pièces/plateau
Tps de Fab : 19h
Poids pièce : 185g
-38%
124 €/pièce* 77 €/pièce*

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CETIM 2017
Coûts en FA Métal / LBM
Projection des coûts :
On attend une multiplication par 7 des vitesses de fabrication dans un futur proche
 Coût divisé par 2 pour 1 pièce
 Coût divisé par 4 pour 9 pièces
Pour information, le prix actuel de la pièce en ST est de 1,9k€
Hypothèses :
• Machine 10 cm3/h = 110€/h (M.O. incluse)
• Machine 70 cm3/h = 140€/h (M.O. incluse)
• Matière 1ère: 80€/kg

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CETIM 2017
Coûts en FA / DMD
Exemple : double hélice (H160, Lblade 70mm, 1kg)
1 pièce : production 8h (tps d’attente pour refroidissement entre deux couches)

Prix  si nombre de pièces 
Minimum 7 pièces en // 
tps d’attente pour refroidissement entre les couches n et n+1 = construction des couches n des 6 autres pièces
10 pièces =
2000 €/pièce*
530 €/pièce*

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CETIM 2017
CONCLUSIONS

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CETIM 2017
• La fabrication additive = un marché de 1,7milliards d’euros en 2012 , prévu pour quadrupler au cours
des 10 prochaines années
• Fabrication d’objet métallique sans limitations géométriques
• Une opportunités de développement de nouveaux produits aux performances accrues
• Une opportunité pour fabriquer des pièces en très petites séries dans des matériaux haut de gamme
• Des produits innovants à imaginer
• Nous avons besoin de recueillir vos besoins
Remplissez l’enquête
Conclusions
Source : EPRC

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