#smps2016 enjeux et évolutions de la fabrication additive

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




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


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.


Source: http://blog.cafefoundation.org/additive-manufacturing-for-electric-motors/


FABRICATION COUCHE PAR

COUCHE


7 familles de technologies

7

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD29/09/2016


8

Source : Machine manufacturers



9

Source : ISO 17296-2:2014E


Principaux matériaux utilisés

29/09/2016 10

Source : Phil Reeves, Econolyst

Prof. Alain BERNARD

Plus que des technologies : une chaîne de valeur complète


Post-treatments

Material qualification

Geometry and material design

Manufacturing

Manufacturing preparation

29/09/2016 12




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


Source: Ian Campbell, AEFA 2015


Optimisation de formes internes et externes

16

Le matériau « juste nécessaire »Structures lattice

Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne


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


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


19

Simuler pour valider


Courtesy: Brent STUCKER, http://3dsim.com

Courtesy: Lucas Dembinski, UTBM, IRTES, technical workshop, CNRS, Autrans, october 2015

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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


De plus en plus vite…


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


En couleurs et en mixant les matériaux…

Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016


Dépôt de liant sur un substrat poudre

26

Source : ISO 17296-2:2014E


Sur du sable ou du métal…


https://youtu.be/wRj44e8D-xk

https://youtu.be/jO-olDixjcs

Dépôt de fil fondu

28

Source : ISO 17296-2:2014E


La pratique pour tous… Avec de nombreuses variantes de matériaux…


https://youtu.be/yKHMmKqdI68

Source: www.stratasys.com

Aussi, comme modèle pour des fabrications en série ou indirectes

Aeronautic parts (ULTEM)


Collage de feuilles/ assemblage de plaques

31

Source : ISO 17296-2:2014E


La couleur…


https://youtu.be/LafffSXHNFY

StratoConception…


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


Fusion de poudre par laser ou faisceau d’électrons

35

Source : ISO 17296-2:2014E


Sources multiples…


https://youtu.be/ay_VlIYdAwI

Source: ARCAM

Functional part

Source:Trumph

Pièces industrielles complexes…

Part manufactured with EBM (TA6)

Source: Philippe Bauer THALES


Fusion de poudre ou de fil dans un flux d’énergie

38

Source : ISO 17296-2:2014E


Dépôt en 5 axes…


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)


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

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Ajout de fonctions…


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


Source: http://www.contourcrafting.org/

Autres modes de dépôts pour d’autres matériaux (construction)


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…)


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


47

Un facteur clef de succès : la chaîne numérique …


Source :: Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod

48

Sur l’ensemble de la chaîne de valeur…


Source: Streamlining the additive manufacturing digital spectrum: A systems approachhttp://www.sciencedirect.com/science/journal/aip/22148604

49

Différents formats…


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

Hygiène et sécurité : un sujet à part entière…


Source : Lucas Dembinski, IRTES/UTBM, AEFA 2015


Mieux connaître les phénomènes, assurance qualité et traçabilité

Source: André Surel, EOS, AEFA 2015


Contrôle in-process…

Source: André Surel, EOS, AEFA 2015


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…


Source : Georges Fadel, AEFA 2015

Avec des moyens industriels…

et des unités de production… units

Source: Machine manufacturers



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)


Source : Personnal picture, TNO, Fritz FEENSTRA


Avec plusieurs technologies dans les mêmes machines…

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Conclusions

Prof. Alain BERNARD


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…


Source: Olaf Diegel, AEFA 2015

• Hier, avant la révolution industrielle…

Aujourd’hui…

Demain…

Evolution de la demande…


63

Customized jewels

Customisation…


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/


Complexity for Free…

Source: Olaf DIEGEL, 21rst AFPR EFAM, Paris 2016

Deluxe Tapware by American Standard


De nombreux de secteurs de progrès…

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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…


Pas seulement des pièces, aussi des outillages…


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…


Trophées AFPR 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 ».


Questions / DiscussionAlain [email protected]

www.afpr.asso.fr

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