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Le contrôle qualité dans la production additive

Le contrôle qualité dans la production additive

by Gaëtan Lefèvre26 juin 2017
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Une bonne pièce est une pièce qui fonctionne. Mais comment s’en assurer ? Quel contrôle pour garantir que la pièce est valide ?

Par Christian Lohmüller, Volume Graphics

 

La pièce correspond-elle au plan ? Est-elle capable de résister aux contraintes prévues lors de son utilisation ? Les réponses à ces deux questions sont décisives pour savoir si une pièce est valide ou non. Un fabricant doit être en mesure de répondre à ces questions, qu’il s’agisse de pièces issues de la fabrication additive ou traditionnelle. Parallèlement, la fabrication additive implique un défi réel en matière de contrôle qualité. En effet, les pièces fabriquées sont nettement plus complexes, car il s’agit souvent de composants uniques ou de petites séries. Afin de contrôler ces pièces, différents procédés non destructifs existent : tactile, optique ou tomographie. Pourtant, seule la tomographie industrielle permet de mesurer toute la complexité d’une pièce, à l’intérieur comme à l’extérieur. Et ce, sans la détruire. Cela permet ainsi de connaître rapidement l’impact des défauts constatés sur la résistance d’une pièce.

Plus simple et plus complexe à la fois

La fabrication additive implique la conception d’une pièce sur un ordinateur pour son « impression ». Cette impression simplifie nettement la fabrication d’une pièce, de sa conception à sa fabrication finale. En outre, la fabrication additive permet de produire tout type de forme. C’est l’un des principaux avantages de cette technique de fabrication, car elle permet d’obtenir des pièces extrêmement complexes. Un ingénieur peut par exemple s’inspirer directement de la nature et concevoir des produits qui imitent la structure robuste des os. La pièce obtenue est légère, résistante et économe en matière première. Étant plus complexe, la pièce est toutefois plus susceptible de comporter des défauts.

Plusieurs entreprises exploitent actuellement la grande flexibilité offerte par la fabrication additive : le constructeur d’avions Airbus a notamment développé un Bionic Cabin Bracket. Grâce à sa structure organique, la pièce pèse 30 % de moins que les pièces fabriquées à l’aide d’un fraisage classique.

Les défauts possibles

La fabrication additive est directement en concurrence avec des techniques perfectionnées depuis des siècles. Les fabricants maîtrisent ces techniques « anciennes » et obtiennent des séries hautement qualitatives. Afin de permettre une production en série, la fabrication additive doit répondre aux mêmes critères de qualité.

De nombreux facteurs influencent le résultat de la fabrication additive. Voici ceux qui peuvent avoir un impact sur la qualité des pièces métalliques issues de la fabrication additive : si l’énergie utilisée est trop faible, il est possible que la fonte du matériau ne soit pas totale, et que, par conséquent, il en ressorte des pièces aux formes irrégulières. Un surplus d’énergie peut provoquer des projections. Parmi les autres facteurs, on compte la génération de gaz ou le matériau utilisé.

Tous ces facteurs entraînent un comportement non prévu des pièces fabriquées. Outre l’amélioration continue du procédé de fabrication additive, des contrôles de qualité modernes peuvent éviter la mise au rebut de ces pièces, et notamment des contrôles permettant de vérifier le comportement de ces pièces sous contrainte.

Procédés de contrôle possibles

Contrôler des pièces issues de la fabrication additive avec des procédés destructifs traditionnels est absurde. Les pièces fabriquées sont souvent des pièces uniques. S’il fallait les détruire pour les contrôler, cela impliquerait de doubler les frais de production. Par ailleurs, pour les pièces produites en série, les procédés non destructifs se révèlent également plus efficaces. Que cela soit nécessaire ou souhaitable, il est possible de scanner chaque pièce individuellement.

Plusieurs procédés non destructifs existent : tactile, optique ou tomographie. Seul le scan tomographique permet de contrôler toutes les surfaces, dans tous les angles, alors que les méthodes traditionnelles, comme les machines de mesure de coordonnées, sont limitées aux seules zones accessibles avec un palpeur. En outre, la tomographie est sans contact. Cela signifie que les mesures réalisées avec un CT-scan ne risquent pas de déformer les pièces. Contrairement aux méthodes optiques, le CT-scan permet des mesures fiables, même si la pièce a une surface réfléchissante ou transparente.

Contrôle de la forme

Afin de vérifier si la pièce imprimée respecte bien les plans, il suffit de la scanner. Ensuite, il faut comparer la série de données voxel obtenues lors du scan avec un fichier .stl ou CAO, ou une série de données voxel de référence, dans une application telle que VGStudio MAX 3.0. Outre une comparaison théorique / réel avec le fichier .stl, CAO ou une série de données voxel de référence, le logiciel peut également mettre à disposition des PMI (informations de conception et de fabrication) sous forme de fichiers CAO à des fins de vérification. Les données PMI comprennent des informations supplémentaires sur la pièce, comme sa cotation, le tolérancement géométrique, des remarques ou des légendes qui permettent de réaliser très simplement un plan de contrôle complexe. Le même et unique fichier peut servir de base pour la fabrication (additive) et les contrôles. La tomographie industrielle présente en outre d’autres avantages : elle permet de mesurer la porosité, l’épaisseur des parois, l’orientation des fibres et plus encore.

Contrôle fonctionnel

Une pièce dotée de nombreux pores n’est pas automatiquement plus susceptible de présenter des défauts qu’une pièce avec peu de pores. Mais comment vérifier la résistance de la pièce aux contraintes sans la détruire ? Volume Graphics répond à cette question avec son nouveau module de simulation de la mécanique des structures pour VGStudio MAX 3.0. Le logiciel simule le comportement des pièces lorsqu’une force est appliquée et vérifie ainsi virtuellement leur fonctionnement.

En se basant sur les résultats de la simulation, seules les pi.ces défectueuses, dont les défauts affectent le fonctionnement, sont mises de côté. Plus la pièce est chère, plus un diagnostic correct est important. Qu’il s’agisse de fabrication additive ou traditionnelle, la simulation basée sur des fichiers CT augmente l’efficacité et offre une précision nettement supérieure aux autres méthodes.

La fiabilité des résultats fournis par la simulation de la mécanique des structures a été validée par plusieurs utilisateurs du logiciel et par des tests réalisés en interne chez Volume Graphics qui a test à deux types de pièces issues de la fabrication additive : des tiges de traction génériques et les Bionic Cabin Brackets d’Airbus (ci-dessous), évoqués plus haut. Pour les deux pièces, des défauts ont été volontairement ajoutés. Les pièces ont été scannées, analysées avec la simulation de la mécanique des structures et vérifiées à l’aide d’essais de traction destructibles à des fins de comparaison. Le résultat : lors du test destructif, les pièces se sont rompues exactement aux zones détectées par le logiciel.

La boucle est bouclée avec un logiciel approprié : le CT-scan de contrôle non destructif permet de mesurer entièrement une pièce complexe issue de la fabrication additive, surfaces masquées et difficilement accessibles et défauts inclus. Enfin, le scan permet de comparer la pièce réelle avec les valeurs théoriques, que ces valeurs soient issues d’un fichier CAO, .stl ou d’une série de données voxel de référence.

Il est en outre désormais possible de vérifier l’impact des défauts détectés et d’autres écarts vis-à-vis des valeurs de référence sur le comportement de la pièce lors de l’application d’une contrainte. Ainsi, il est possible de savoir si une pièce présentant des défauts est destinée à être défectueuse et, par conséquent, si elle valide ou non. Un net gain de productivité, car seule les pièces réellement défectueuses sont éliminées.

Un Bionic Cabin Bracket d’Airbus issu de la fabrication additive avec des défauts volontairement ajoutés. Sur le scan de la pièce, le logiciel montre les zones défaillantes de la pièce à l’aide de couleurs (en haut) et de lignes de force (en bas).

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Gaëtan Lefèvre

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