#smps2016 enjeux et évolutions de la fabrication additive
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Enjeux et évolutions de la fabrication additive
Alain BERNARDProfesseur à l’Ecole Centrale de Nantes, IRCCyN UMR CNRS 6597
Vice-Président, AFPR (Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive)
1Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive
29/09/2016 2
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD
29/09/2016 3
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD
29/09/2016 4
De l’objet à l’objet
• Besoin d’un modèle numérique
• Besoin de technologies et de leur intégration
• Besoin de moyens de mesure et de contrôle
• Besoin de formaliser la connaissance
Digital scuplturePoints clouds
CAD referenceModel
Scanning strategy
CAD modeling
STL File
Partmade with
additive manuf
Interface
Additive manufacturing
Toolmade with
additive manuf
Tool
Rapid tooling
Final part
Control and comparaison
Prof. Alain BERNARD
Fabrication Additive
Points communs à toutes les technologies
Description numérique de l’objet
A partir d’un fichier CAO 3D, un fichier STL est généré et est tranché pour créer les différentes couches.
Sur la base de ces couches, l’objet physique est fabriqué couche par couche.
5Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: http://blog.cafefoundation.org/additive-manufacturing-for-electric-motors/
Fabrication Additive
FABRICATION COUCHE PAR
COUCHE
6Prof. Alain BERNARD29/09/2016
7 familles de technologies
7
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
7 familles de technologies
8
Source : Machine manufacturers
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
7 familles de technologies
9
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Principaux matériaux utilisés
29/09/2016 10
Source : Phil Reeves, Econolyst
Prof. Alain BERNARD
Plus que des technologies : une chaîne de valeur complète
11Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Post-treatments
Material qualification
Geometry and material design
Manufacturing
Manufacturing preparation
29/09/2016 12
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD
Les principaux aspects
29/09/2016 13Prof. Alain BERNARD
Design
Preparation
Fabrication
Finishing
Digital integration
Skills – Human factors - Safety
Value chain
Marketneeds
Materials
Mesure and control
14
Le matériau « juste nécessaire »
29/09/2016
Optimisation topologique
Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole Polytechnique, AEPR 2015
Prof. Alain BERNARD
Le matériau « juste nécessaire »
Source: Ian Campbell, AEFA 2015
15Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Optimisation de formes internes et externes
16
Le matériau « juste nécessaire »Structures lattice
Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Copyright 1991-2015 © CIRTES France – Editions DUNOD 2015
1729/09/2016
Structures lattice
Source : Multistation, journée formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris
Prof. Alain BERNARD
Meilleur développement decellules (os par exemple)
Echangeurs Amortisseur de choc
Amortisseur de vibrations
Le matériau « juste nécessaire »
Fabrication SLM Aluminum7 componants3 materials
2 componants (easy to assemble)1 material
Lower mass
530g ⇨438g
Strenght
Re-design for RM technology
Definition of mechanical constraints by Flying Cam Application
Specific re-design of the structure (Topol software) by Sirris (Topology)
Fabrication of the structure in Aluminum by MB Proto/Volum-e (Material/Geometry)
Re‐design and STL file generation
18
Ré-industrialisation
Source : MBProto/Volum-e
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
19
Simuler pour valider
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Courtesy: Brent STUCKER, http://3dsim.com
Courtesy: Lucas Dembinski, UTBM, IRTES, technical workshop, CNRS, Autrans, october 2015
20
KARMA System
KBE Tool
Algorithms FEA ToolMachinesMachinesMaterialsMaterialsBuild ScenarioBuild Scenario
TechnologiesTechnologies
Part PropertiesPart Properties
Knowledge Assisted Rapid MAnufacturing
Choix de la bonne stratégie
29/09/2016 Prof. Alain BERNARD
Infinite alternative orientations;
Multi-criteria/attributes decision or Multi- or Many-objective optimization.(cost, time, surface quality, mechanical properties, etc.)
Infinite alternative orientations/orientation combinations for a group of parts.
2129/09/2016 Prof. Alain BERNARDSource: PhD Yicha ZHANG, Ecole centrale de Nantes, August 2014
Choix de la bonne stratégie
Photopolymérisation
22
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
De plus en plus vite…
23Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/y73z0GgW8nw https://youtu.be/c8uusNU5K6I
https://youtu.be/UpH1zhUQY0c https://youtu.be/hgGp59yFc8Q
Dépôt de matériau polymère et élastomère
24
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
En couleurs et en mixant les matériaux…
Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016
25Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Dépôt de liant sur un substrat poudre
26
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Sur du sable ou du métal…
27Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/wRj44e8D-xk
https://youtu.be/jO-olDixjcs
Dépôt de fil fondu
28
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
La pratique pour tous… Avec de nombreuses variantes de matériaux…
29Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/yKHMmKqdI68
Source: www.stratasys.com
Aussi, comme modèle pour des fabrications en série ou indirectes
Aeronautic parts (ULTEM)
30Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Collage de feuilles/ assemblage de plaques
31
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
La couleur…
32Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/LafffSXHNFY
StratoConception…
33Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/hhJIPv5bMYs
Ot’Arts Seat (Scale 1)(Source: CIRTES)
Custom made packagingPack&Strat process
(patented by CIRTES)Source: CIRTES
StratoConception : pour des objets uniques multi-matériaux
ou leur emballage
34Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Fusion de poudre par laser ou faisceau d’électrons
35
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Sources multiples…
29/09/2016 36Prof. Alain BERNARD
https://youtu.be/ay_VlIYdAwI
Source: ARCAM
Functional part
Source:Trumph
Pièces industrielles complexes…
Part manufactured with EBM (TA6)
Source: Philippe Bauer THALES
37Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Fusion de poudre ou de fil dans un flux d’énergie
38
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Dépôt en 5 axes…
29/09/2016 39Prof. Alain BERNARD
Source: IRCCyN MO2P team (Prof. MOGNOL – Prof. HASCOET)
Dépôts, gradients de matériaux…
functionnal surface :steel for mold 1.2344(finiting with machining)
Substrat material:Alloy (Ampco 940)
40Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source : Trumpf
Adding shapes and functions
Ø tube : 80mmMaterial : Inox 316 LDeposite :‐Width for two deposits(≈ 5 mm)
‐ Height 20 mm
Manufacturing time for 1 blade :4min26s
Technological possibilities
41
Ajout de fonctions…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source : http://www.beam-machines.fr/
Vers une fabrication hybride…
DMG MORI (Japon)
LaserTech 65
Alternance entre dépôt de matière et usinage
Source: https://www.youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA
42Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: http://www.contourcrafting.org/
Autres modes de dépôts pour d’autres matériaux (construction)
43Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Ne pas négliger post-traitements et finition…Machining and
Micro-machining
Cela dépend directement du procédé et du matériau… mais aussi du savoir faire
(supports, orientation, etc…)
44Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Heat Treatments
High Isostatic Pressure (HIP)
Polishing
Coating
Finishing
Etc…
68 hours of fabrication in Aluminum614 Mo of support structures 438g (reduction by 20%)
Micro Fusion Laser (SLM) AMMachined surfaces
29/09/2016 45
Exemple pratique…
Source : Eric BAUSTER, MBProto / Volum-e
Prof. Alain BERNARD
Ne pas non plus négliger la qualité initiale du matériau…
46
Source : Romain Vert, Tekna, AEPR 2015
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
47
Un facteur clef de succès : la chaîne numérique …
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source :: Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod
48
Sur l’ensemble de la chaîne de valeur…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: Streamlining the additive manufacturing digital spectrum: A systems approachhttp://www.sciencedirect.com/science/journal/aip/22148604
49
Différents formats…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source :: Exploring model-based engineering concepts for additive manufacturing, Robert R. Lipman, Jeremy S. McFarlane
Hygiène et sécurité : un sujet à part entière…
29/09/2016 50Prof. Alain BERNARD
Source : Lucas Dembinski, IRTES/UTBM, AEFA 2015
29/09/2016 51Prof. Alain BERNARD
Mieux connaître les phénomènes, assurance qualité et traçabilité
Source: André Surel, EOS, AEFA 2015
29/09/2016 52Prof. Alain BERNARD
Contrôle in-process…
Source: André Surel, EOS, AEFA 2015
29/09/2016 53Prof. Alain BERNARD
Contrôle post-process…
X-Rays tomography
Different materials including metals
Images of internal shapes of lattice or complex geometries
XT H 450 BladeRunner
Nikon 750kV microfocus X-ray source
Source : Multistation, seminar on teaching, 11 december 2015, ENSAM Paris
On sait déjà faire beaucoup de choses…
29/09/2016 54Prof. Alain BERNARD
Source : Georges Fadel, AEFA 2015
Avec des moyens industriels…
et des unités de production… units
Source: Machine manufacturers
55Prof. Alain BERNARD29/09/2016
56Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Vers des unités de production intégrées…
Source: http://www.conceptlaserinc.com/am-factory-of-tomorrow-2/
Avec plusieurs technologies dans les mêmes machines…
Source : http://cfg.mit.edu/content/multifab-machine-vision-assisted-platform-multi-material-3d-printingMultiFab: A Machine Vision Assisted Platform for Multi-material 3D PrintingPitchaya Sitthi-Amorn, Javier E. Ramos, Yuwang Wang, Joyce Kwan, Justin Lan, Wenshou Wang, and Wojciech Matusik ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH 2015)
57Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source : Personnal picture, TNO, Fritz FEENSTRA
58Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Avec plusieurs technologies dans les mêmes machines…
29/09/2016 59
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD
60Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Un large impact… des connaissances « multi-échelle »…
Source: https://engineering.purdue.edu/cdesign/wp/the-status-challenges-and-future-of-additive-manufacturing-in-engineering/
Une chaine de valeur en transformation…
29/09/2016 61Prof. Alain BERNARD
Source: Olaf Diegel, AEFA 2015
• Hier, avant la révolution industrielle…
Aujourd’hui…
Demain…
Evolution de la demande…
62Prof. Alain BERNARD29/09/2016
63
Customized jewels
Customisation…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: Ian Campbell, AEFA 2015, images de Future Factories, Design-Milk et Freedom of Creation
Personnalisation…Fabrication of customized sugars
http://www.fubiz.net/2014/10/11/3d-printed-sugar/
64Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Complexity for Free…
Source: Olaf DIEGEL, 21rst AFPR EFAM, Paris 2016
Deluxe Tapware by American Standard
65Prof. Alain BERNARD29/09/2016
De nombreux de secteurs de progrès…
66
System/process
MaterialsUpstream/ Downstream
Applications
Application orientedAutomatisation
Manipul. part and materialContinuous production
Adaptative controlClosed loopProductivitéyRepeatability
PolymeresMetals
CeramicsCompositesBiomaterials
AppliancesAeronautics
SpaceEnergy
TransportsLuxury/jewels
Medical materialsImplants
ProsthesesOrgans
Functional designTopology/geometry
Material designFinishing operations/
THTCoatingsRepairing
SustainabilityEnvironnementQuality/control
ResearchProf. Alain BERNARD29/09/2016
On peut faire cela aujourd’hui…
67Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Pas seulement des pièces, aussi des outillages…
68Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Inserts in moldsSource: PEP
Injection molding toolings - PS Application PMPR&D contract PSA / CIRTES
(Aluminium)
Blowing toolsSource: CIRTES
Inserts in moldsSource: Realizer
ISO/ASTM agreement: Joint development
Les standards avancent…
69Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Trophées AFPR 2016
70Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive
Conclusions- La Fabrication Additive est un des facteurs clefs de progrès dans le monde du
céveloppement rapide de produit.
- La Fabrication Additive est un ensemble de procédés supplémentaires et complémentaires aux technologies plus « traditionnelles ».
- La Fabrication Additive permet la complexité et la diversité des produits et des processus sans coût additionnel significatif.
- La Fabrication Additive a besoin de modèles numériques de qualité, de nouveaucformats sont en phase de création pour représenter tout le potentiel de représentation de la géométrie et de la structure des matériaux.
- La Fabrication Additive permet de repenser la conception des pièces par une approche fonctionnelle et une validation produit-process intégrée et robuste, dans une approche favorisant la différentiation et la personnalisation des produits.
- La Fabrication Additive mobilise des compétences spécifiques.
- La Fabrication Additive permet de mettre « la juste matière au juste en droit, avec moins de consommation d’énergie, moins de temps de fabrication, moins d’impact environnemental ».
71Prof. Alain BERNARD29/09/2016
72Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Questions / DiscussionAlain BERNARDalain.bernard@ec-nantes.fr
www.afpr.asso.fr
Merci pour votre attention !
73Prof. Alain BERNARD29/09/2016
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