impression 3d : une révolution à ne pas manquer pour l ... · rapport d’étude du ministère de...
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Philippe LIGER,
SOGETI Hign Tech
Impression 3D : une révolution à ne pas manquer pour l'avenir de votre entreprise
Sujet d’actualité
Manifestations
Médias
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Manifestations
Pôles de compétences
Une actualité riche
Politique gouvernementale
Rapport d’étude du Ministère de l’industrie, de l’Energie et de l’Economie
Numérique (publié en 2011) :Objectif : mener une analyse des forces et faiblesses du développement des nouvelles technologies en France
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Prémisses d’une arrivée à maturité en 2015
Définition – Réglementation
En-cours juridiques sur des problématiques liées à :
- la propriété intellectuelle ,- l’utilisation de matériaux certifiés
(biomédical, alimentaire, …),- la gestion des déchets et des émanations- la consommation des énergies.
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« … Le manque de normes européennes et internationales en fabrication additive est un obstacle à la mise en œuvre industrielle de ce type de fabrication … le programme Sasam, vise à accompagner le développement de la fabrication additive en intégrant et en coordonnant les activités de normalisation en Europe. »
Source : CETIM
Principes fondamentaux
Un modèle numérique en 3D du produit à construire e st représenté via un logiciel de CAO.
Ce modèle, englobé dans un volume, est maillé puis exporté au format standard (STL).
Le progiciel positionne le produit dans l’environne ment machine, définit les paramètres d’impression du modèle (opti misation du
Un progiciel (souvent lié à la machine) découpe en sections le fichier du modèle 3D.
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définit les paramètres d’impression du modèle (opti misation du process) et lance la fabrication.
La machine empile le(s) matériau(x) couche par couc he ou point par point jusqu’à obtention du modèle fini.
Outils CAO 3D
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Source : http://dcorbille.free.fr/?p=2238Source :http://www.monunivers3d.com/guide/logiciels /
Procédés
En 2015 , beaucoup de technologies …
StéréoLithography Apparatus – SLA
Digital Light Product – DLP
Polyjet
Two-Photon Polimerization – 2PP
Selective Laser Sintering – SLS Direct Metal Laser Sintering – DMLS
Electric Beam Melting – EBM Three Dimensional Printing – 3DP
Multi-Jet Modeling – MJM
Fused Deposition Modeling – FDM
Laminated Object Manufacturing – LOM
Selective Laser Melting – SLM
Solid State Sintering – SSS
Laser EngineeredNet Shaping – LENS
Direct Metal Deposition – DMD
Continous Liquid Interface Production – CLIP
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… autant de manières de les classifier
Two-Photon Polimerization – 2PP Continous Liquid Interface Production – CLIP
Fin 2000
Les procédés basés sur la capacité de certains matériaux à se solidifier sous
l’action d’un rayon UV
Les procédés fonctionnant par liage de poudre
Les procédés fonctionnant par dépôt successif de matière.
Procédés La 1ère brevetée et mise au point en 1986. SLA
Principe : bac de résine liquide solidifiée (photopolymérisation) par laser à rayons UV
� AVANTAGES
� Précision d’impression,
� Qualité des détails et de la finition (0,005 mm detolérance par rapport au design initial),
� Réalisation de grandes pièces possible (technologieMammoth ���� pièce de 2m de diamètre)
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� INCONVENIENTS
� Technique aboutie mais lente et coûteuse (complexité du dis positif),
� Matériaux limités en nombre et fragiles,
� Post-traitement fastidieux : rinçage par solvant + suppres sion desattaches support + renforcement mécanique dans un four UV (a vecrisque de déformation) + travaux de rendu
� APPLICATIONS
� Médical : moule dentaire, appareil auditif
� Bureau d’Etudes : maquette
� Automobile : maître modèle pour duplication sous vide ou moulage RIM
Vol. maxi = 1500 x 750 x 550 mm 3
800 000 €
Procédés DLP
Principe : concept similaire au SLA mais avec une lumière orientée par puce électronique.
� AVANTAGES
� Idem SLA
� Plus rapide que SLA (car seul le plateau sedéplace en Z), … et le FDM
� Potentiel matériaux plus important qu’en SLA,
� Raideur matériaux proche de l’ABS .
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� Raideur matériaux proche de l’ABS .
� INCONVENIENTS
� Technique coûteuse (complexité du dispositif),
� Post-traitement nécessaire.
� APPLICATIONS
� Bijouterie : moule
� Ameublement : pièces de finition (petite série)
Vol. maxi = 280 x 210 x 200 mm 3
3 600 €
Procédés Polyjet
Principe : projection de résine couche/couche polymérisée instantanément par rayon UV.
� AVANTAGES
� Impression multi-matériaux,
� Large gamme de matériaux (caoutchouc àéquivalent ABS, opaque à transparent),
� Suppression des supports à l’eau.
Brevetée par OBJET en 1999.
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� INCONVENIENTS
� Gestion des matériaux relativement complexe
� APPLICATIONS
� Arts créatifs : sculpture, jouet, maquette architecturale
� Bureau d’Etudes : maquette fonctionnelle
� Médecine : guides chirurgicaux
Vol. maxi = 294 x 192 x 148.6 mm 3
35 000 €
Procédés SLS
Principe : particules de poudre dans un bac, frittées par laser CO2 (entre 70 et 200 W).
� AVANTAGES
� Large gamme de matériaux (plastique, céramique, verre, …),
� Réduction des déchets (la poudre non fusionnée « peut »être réutilisée),
� Post-traitement réduit : pas de matériau support
� INCONVENIENTS
Brevet exploité en exclusivité par 3D Systems… jusqu’en 2014.
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� Porosité des pièces et état de surface « grossier »(homogénéité des grains),
� Consommation énergétique importante (puissance duLaser + temps de chauffage et de refroidissement)
Vol. maxi = 550 x 550 x 750 mm 3
1 000 000 €
� APPLICATIONS
� Aéronautique = conduit de ventilation
� Médecine = guide de perçage, prothèse
� Électronique = boîtier
� Automobile = équipement habitacle
Procédés DMLS
Principe : technologie SLS avec des métaux et un laser à fibre optique de 200 à 500W.
� AVANTAGES
� Technologie de production
� Précision de 0,1 mm
� Traitement de surface, thermique et finitions
� INCONVENIENTS
Mise au point par EOS en 1994.
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� INCONVENIENTS
� Épaisseur mini des parois de 0,7 mm
� État de surface grossier et rugueux au toucher
� Métaux : gamme limitée, homogénéité impérative, prix élevé s
� APPLICATIONS
� Médical : implant dentaire
� Mécanique : pignon, engrenage
� Horlogerie : mécanisme intégré
� Aéronautique: prototype fonctionnel, élément de structur eVol. maxi = 250 x 250 x 300 mm 3
1 000 000 €
Procédés Mise au point par ARCAM créée en 1997 EBM
� INCONVENIENTS
� Pré et post-traitement d’éléments de support
Canon à électrons = 3600 W� AVANTAGES
� Rapidité d’exécution (le faisceau peut agir en +sieurs endr oits en même temps)
� Potentiel de réutilisation de la poudre non fusionnée + impo rtant qu’en DMLS.
� Intégrité matière garantie liée au process de fabrication ( sous vide)
Principe : projection de grains métalliques, fusionnés par faisceau d’électrons
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� Gamme limitée de matériaux (conducteurs et qualifiés par leconstructeur)
� APPLICATIONS
� Aérospatiale : pièce ouvragée (rouets, moteurs)
� Aéronautique : composant de moteur, fuselage, ailette, fer rure, cadres,
� Energie : assemblage mécanique, vanne, aubes de turbine
� Sport automobile : pièce de moteur (turbo)
� Défense : composant de pièces d’armement
� Biomédical : prothèses, modèles « lattices » pour favoriser la fixation etla croissance osseuse
Vol. maxi = 350 x 350 x 380 mm 3
800 000 €
Procédés Développée par IREPA Laser et exploitée par BeAM.
CLAD
Principe : projection et fusion laser (4 kW) simultanées de particules métalliques.
� AVANTAGES
� Réparer et ajouter des fonctionnalités sur des piècesexistantes
� Excellentes performances métallurgiques
� Quantité de matière optimisée (recyclage possible)
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� INCONVENIENTS
� Process efficace mais long à mettre en œuvre(paramètres)
� APPLICATIONS
� Aéronautique : reconstruction aubes de compresseurs,rechargement pièces de turbopropulseur
Vol. maxi = 1500 x 800 x 800 mm 3
? ??? 000 €
Procédés Brevet déposé par STRATASYS en 1989 … tombé dans le domaine public en 2009.
FDM
Principe : fil de matière chauffée puis extrudée sous forme de filament via une buse.
� AVANTAGES
� Technologie propre, facile à utiliser, adaptée au bureau
� Technologie de base pour développement de machinespersonnelles (projet REPRAP, origine de MakerBot, …)
� Thermoplastiques techniques stables tant du point de vuemécanique qu'environnemental.
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� INCONVENIENTS
� Précision médiocre (ou coûteuse)
� Matériaux en exclusivité constructeurs (ex : ULTEM 9085)
� APPLICATIONS
� Services de consommations : capotages d’électroménager,de téléphone, de matériel informatique
� Jouets : Lego Vol. maxi = 914 x 610 x 914 mm 3
400 000 €
Matériaux
Format Technologie Particularité Prix
ABSDérivé
BobineLiquide
FDMSLA, Polyjet
Résistance à l’eau, la chaleur
Fil : entre 30 et 200 €/kg
Résine : entre 200 et 600 € /l
PLA Bobine FDM Biodégradable (amidon de maïs)
PET Bobine FDM + Résistant que l’ABS
PolyamidesPoudreBobine (Nylon)
SLSFDM
Résistant
Résines PoudreSLAPolyjet
Finitions (peinture, chromage, …)
Polypropylène (PP) Liquide SLA Résistant à l’abrasion et aux chocs
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PVAHIPS
BobineBobine
FDM Biodégradable, soluble dans l’eau.Simili ABS, soluble dans le D-limonène
Aluminium (Si, Mg) Poudre Solide, très résistant à la chaleur Entre 100 et 150 € /kg
Acier maragingInox
Poudre DMLSRésistant à la ruptureFacile à usiner,Post-traitement de qualité (polissage)
Entre 90 et 300 € /kg
Chrome/Cobalt Poudre EBM Résistant à la corrosion, l’usure,les hautes températuresBiocompatible
Entre 200 et 300 € /kg
Inconel (Alliage Ni-Cr) Poudre DMLS Marque déposée Top Secret !!!
Titane et alliages Poudre DMLSEBM
Solide, résistant à la corrosionBiocompatible
Entre 400 et 700 € /kg
Matériaux
EOS3D Systems
EXCELTECCRP Technology
Certification :BiomédicaleAlimentaireRésistance au feu (norme UL94 V_0)
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Applications – Domaines
Automobile : pièces de moteur, d’équipement intérieur et extérieur (30% du marché)
Aéronautique : pièces structurelles (Titane, Aluminium) et d’équipement (ULTEM 9085)
Biomédical : implants et prothèses dentaires, appareillage auditif
Electronique : boîtiers, carte de circuit Energie : conduit de refroidissement
Luxe : accessoire, habillement Electroménager : aspirateur, bouilloire
Chirurgie : orthopédie (depuis +10 ans)
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Bâtiment : construction (béton), avant-projet (maquette)
Bijouterie : bague, montre
Ameublement : poignée d’ouvrant
Jouets : assemblage, figurine Défense & armement : pistolet, grenade
Spatial : éléments de propulsion Ariane 6
Secteurs à maturité :- médical / dentaire : production à échelle industrielle- outillage : production industrielle à petite échelle- aéronautique : production sur ligne pilote- automobile : prototype et production industrielle de pièce d’équipement
Enjeux industriels
Secteurs Avantages Applications
Technique
Production
Economique
� Allègement de pièces
� Conception de nouvelles structures ( Vs. anciens impossibles)
� Utilisation de matériaux différents dans une même pièce
� Réduction des coûts et délais du développement à l’industrialisation
� Réduction des stocks
� Simplification du cycle de fabrication
� Réduction des coûts (délai , transport)
� Consommation de matières premières
� Prototypage
� Pièces série, de rechange
� Pièces de test et outillages
� Nouveaux programmes
� Re-conception
� Innovation de rupture
� Innovation incrémentale
� Prototypage
� Pièces série, de rechange
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Ecologique
Social
Mises à jour nécessaires Jalon Applications
� Consommation de matières premières
� Réduction du fonds de roulement (matières, stocks, cycles)
� Réduction des flux (transport, matières)
� Diminution du volume de déchets produits
� Ré-internalisation (capitalisation d’un savoir-faire)
� Pièces série, de rechange
� Pièces de test et outillages
� Réduction du fret
� Limitation des rejets et rebus
� Cellule R&D interne
� Réseau de compétences
� Plastic
� Metallic
Répétabilité
Tests
Obsolescence
� Débloquer les niveaux de maturité les plus élevés
� Compatibilité technique (esthétique, vibrations & chocs, fatigue,
environnementaux, …)
� Transfert de compétences( internalisation , externalisation )
Marché
2011 : 11 000 imprimantes 3D vendues
2012 : 45 000 imprimantes 3D vendues
2014 : 108 000 imprimantes 3D vendues
Source : Cabinet Gartner
Les machines
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2015 : 217 000 imprimantes 3D pour 1,6 Md $ de volu me d’affaires
2018 : 2 300 000 imprimantes 3D pour 13,4 Md $ de v olume d’affaires
Marché
R&D – Centres de compétences technologiques :
AFPR (Meudon),
CETIM-CERTEC (Bourges),
CNRS (Nantes),
EMC2 (Nantes),
Viaméca (Clermont-Ferrand),
IREPA Laser (Strasbourg)
…Intégrateurs – utilisateurs :
- CADVision, MG2 Systems,
Les acteurs principaux
1986 3D SYSTEMS3D SYSTEMS
STRATASYSSTRATASYS
Z CorpZ Corp
1989
1995
1997
EOSEOS
ARCAMARCAM
Fabricants
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- CADVision, MG2 Systems,
- Kallisto,
- 3D Avenir, SL Diffusion,
- Phenix Systems,
- Multistation,
- …
Utilisateurs :
1998
2009
OBJET GeometriesOBJET Geometries
MAKERBOTMAKERBOT
2012 STRATASYSSTRATASYS
2013 STRATASYSSTRATASYS 3D SYSTEMS3D SYSTEMS
ALM et Sogeti High Tech
Ingénierie
technologique
pluridisciplinaire
5 domaines métier
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5 domaines métier
�Ingénierie Système
�Ingénierie Logicielle
�Ingénierie Physique
�Test – Contrôle
�Conseil
ALM et Sogeti High Tech
FE Simulation
•Detailed modelling
•Linear & non linear
•Virtual Testing
Static
•Composites & metallic materials
•Justification/Certification
Design
•R&T / Aircraft architectures
• Composite & metallic
•Tools
Fatigue
•Reparation/Modifications
•F&DT analyses
Optimisation
•Structural Optimisation
•MDO
Space
•Telecom Satellite
•Earth observation
•Equipments
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Aerodynamic
•Structured/Unstructured/Hybrid meshing
•CFD calculation
•Automation
Acoustic
•Numerical simulation
•Wind tunnel & flight test analysis
•Noise propagation
Project
Performance
•Management support
•Technical expertise
Customer
Services
•Tech Data
•Off-shore management
Manufacturing
Engineering
•Additive
Manufacturing
•Digital Manufacturing
•Design to cost
Innovation
Work
•PhD: acoustic, composite
•Internal research
ALM et Sogeti High Tech
Définir les caractéristiques géométriques de la pièces qui permettraient de répondre aux
mieux aux besoins identifiés
Intégrer au plus tôt les règles métiers et les spécificités de
fabrication de la méthode choisie
LA CONCEPTION À PARTIR DE LA FABRICATION
OPPORTUNITÉS DE LA FABRICATION ADDITIVE GRÂCE À L ’OPTIMISATION TOPOLOGIQUE
Col de Cygne
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Original – Fabriqué par Usinage
Optimisé – Fabrication Additive
Conclusion
Se poser les bonnes questions :
Quelle(s) matière(s) permet(tent) d’obtenir les caractéristiques attendues
du produit ?
Quelle(s) technologie(s) permet(tent) la mise en œuvre de cette matière ?
Tenue statique, dynamique, en endurance, en température, au vieillissement, à la
corrosion, densité, couleur, …
Quel doit être le niveau de qualité des formes et des surfaces ?
Résolution, précision géométrique, précision dimensionnelle, état de surface, …
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… auxquelles nous nous efforcerons d’apporter de bonnes réponses.
Philippe LIGER - Calculs Structures
Tél.: 05.46.66.60.12. | Mobile : 06.26.87.04.26.
5, rue Ampère - Zone de la Corne Neuve | 17139 DOMP IERRE SUR MER
Résolution, précision géométrique, précision dimensionnelle, état de surface, …
Quel sera le coût global d’obtention du produit fini ?
Investissement, consommables, usinage, assemblage, main d’œuvre, post-
traitement, temps de cycle, quantité de produits, …