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La fabrication hybride au-delà de la fabrication additive

La fabrication hybride au-delà de la fabrication additive

par Gaëtan Lefèvre20 octobre 2016
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Malgré ses nombreux avantages, la fabrication additive ne remplace pas la fabrication traditionnelle. Plutôt que de substituer une technologie à une autre, la combinaison des deux devraient être plus rentable et plus productive. Les machines hybrides répondront peut être aux besoins…

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et de projets.

 

La fabrication additive présente des avantages évidents, cependant certains facteurs empêchent encore cette technologie d’être utilisée pleinement. Parmi ceux-ci, on retrouve le coût élevé de ces systèmes, la limitation de taille de fabrication, des temps de fabrication qui limitent la production de masse, la formation des utilisateurs des imprimantes 3D, notamment celles métalliques, la longue qualification de la pièce et l’approbation de certification des procédés, la finition des produits et la nécessité d’un meilleur contrôle des procédés. Chaque entreprise doit donc s’interroger sur le meilleur procédé de fabrication.

Bien qu’il n’y ait pas de consensus précis sur la définition de la « fabrication hybride », depuis le début de la révolution industrielle, de nombreuses entreprises ont tenté de combiner différents processus et technologies. En essayant d’améliorer la productivité et la qualité des produits, l’intégrité de surface, le taux d’enlèvement de matière, réduisant ainsi l’outillage, le temps de production et les domaines d’application, elles ont recherché de nouveaux systèmes. Les systèmes hybrides ont ouvert la route vers des applications innovantes pour la fabrication industrielle.

Les catégories des procédés de fabrication

En général, les classifications traditionnelles des techniques de fabrication sont basées sur la technologie et proposent cinq catégories principales1.

  • La technique de jonction : processus par lequel deux ou plusieurs pièces sont assemblées pour former une nouvelle pièce, comme le soudage et l’assemblage.
  • La technique de séparation : à l’opposé des procédés d’assemblage, comme le sciage et le démontage.
  • La technique soustractive : processus d’enlèvement de matière qui consiste à retirer de la matière comme les opérations d’usinage, le fraisage en coupe ou à jet d’eau.
  • La technique transformatrice : une seule pièce est utilisée pour créer une autre pièce dont la masse ne change pas comme lors de la formation, le traitement thermique et le refroidissement cryogénique.
  • La technique additive : le matériau est ajouté à une pièce existante pour construire une nouvelle pièce où la masse de la pièce finie est plus grande qu’auparavant. Les processus de prototypage rapide, le moulage sous pression et le moulage par injection sont les procédés de fabrication additive les plus utilisés.

La CIRP2, l’Académie internationale pour l’ingénierie de production, a indiqué trois définitions de base pour les processus hybrides.

  • L’application intégrée ou une combinaison de différents principes physiques actifs comme l’usinage laser assisté.
  • La combinaison intégrée des étapes de production habituellement séparées comme l’étirage et le fromage des tôles.
  • Les machines intégrées, appelées machines hybrides, qui peuvent effectuer simultanément différents processus, comme le broyage mécanique et le tournage.

Selon la CIRP, ces définitions pourraient être interprétées comme :

  • une « définition ouverte » : un processus de fabrication hybride combine deux ou plusieurs procédés de fabrication établis dans un nouveau setup combiné où les avantages de chaque processus discret peuvent être exploités en synergie ;
  • une « définition restreinte » : un processus hybride comprend une action simultanée de différents principes de production sur la même zone de traitement.

Les processus de fabrication additive

Les processus de fabrication additive ont déjà été présentés dans des numéros précédents, articles que vous pouvez retrouver sur le site www.a3dmmagazine.fr, et sont résumés dans le tableau ci-dessous.

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Les processus de fabrication soustractive

Les processus de fabrication soustractive sont des procédés de soustraction et d’enlèvement de matière3. Un grand nombre de processus soustractifs ont été développés de façon continue depuis 1700. Plusieurs méthodes peuvent être combinées pour fabriquer un produit à partir d’un matériau.

  • Moulage : moule temporaire et moule permanent.
  • Formation et mise en forme : laminage, forgeage, extrusion, dessin, feuille de formage, métallurgie des poudres et moulage.
  • Usinage : tournage, perçage, fraisage, rabotage, façonnage, brochage, broyage, usinage par ultrasons, usinage électrochimique et usinage à haute énergie de faisceau. Cette vaste catégorie comprend également le micro-usinage pour la production de pièces d’ultraprécision.
  • Assemblage : soudage, brasage, soudage par diffusion, collage et assemblage mécanique.
  • Finition : honing, rodage, polissage, ébavurage, traitement de surface, revêtement et placage.
  • Microfabrication et nanofabrication : technologies qui sont capables de produire des pièces avec des dimensions au micro (un millionième de mètre) et nano (un milliardième de mètre) ; procédés de fabrication de systèmes microélectromécaniques (MEMS) et de systèmes de nanoélectromécaniques (NEMS) comme la lithographie, la surface et le micro-usinage en vrac, la gravure, LIGA, et divers processus spécialisés.

Les processus de fabrication de transformation

Lors des processus de transformation, une seule pièce est utilisée pour en créer une autre dont la masse ne change pas. Les principales catégories sont les suivantes.

  • Formation : processus dont les opérations peuvent être effectuées à la température ambiante ou à des températures élevées avec un taux élevé ou minimal de déformation.
  • Traitement thermique : également utilisé pour renforcer les alliages métalliques, cette méthode commune pour améliorer les propriétés mécaniques d’un matériau implique l’établissement d’une phase souhaitée à des températures élevées, suivie par un refroidissement contrôlé de la matière avant que la microstructure puisse se transformer en une phase différente. Cette procédure peut profondément affecter le comportement de l’acier et produire des formes spéciales, y compris la perlite, la martensite, la spheroidite et la bainite, chacune avec ses propres caractéristiques uniques.
  • Refroidissement cryogénique : application d’un liquide de refroidissement dans un processus de coupe permettant d’augmenter la vie de l’outil et la précision dimensionnelle, de diminuer les températures de coupe, la rugosité de surface et la quantité d’énergie consommée, et d’améliorer de la productivité. Elle est l’une des méthodes les plus utiles pour les opérations de coupe, capables d’améliorer considérablement la vie de l’outil et la finition de surface grâce à une réduction d’usure et à un contrôle de la température d’usinage souhaitable aux zones de coupe4.

L’interaction entre les différents procédés

Dans de nombreux secteurs industriels comme l’aéronautique, le médical, l’automobile ou l’énergie, la fabrication de pièces complexes nécessite l’utilisation de plusieurs procédés, tout en exigeant des interventions de post-traitement pour obtenir des tolérances standardisées et la finition des surfaces. Une combinaison efficace des processus additifs et soustractifs améliore les caractéristiques et la commodité des deux techniques. Le laser peut, par exemple, être utilisé pour les pré/post-traitements thermiques en usinage, la relaxation des contraintes, le durcissement de surface, permettant ainsi d’augmenter la productivité des matériaux difficiles à couper. Autre exemple, certaines pièces conçues par fabrication additive peuvent être finalisées sur le même équipement à processus de fabrication classiques, tels que le fraisage. De cette manière, la précision de la pièce fabriquée et la rugosité de surface peuvent être considérablement améliorées.

Ainsi, différentes combinaisons entre les processus de fabrication peuvent être utilisées. Penchons-nous sur le concept de fabrication « hybride » associant la fabrication additive aux processus de fabrication soustractifs et/ou de transformation.

Le rôle clé des machines-outils

Pour évaluer les processus soustractifs et de transformation, il est nécessaire de commencer par analyser des machines et des systèmes connexes : les « machines-outils ». Une machine-outil5 est une « machine de formage ou d’usinage de métaux ou d’autres matériaux rigides (souvent par découpage, perçage, meulage, cisaillement, ou d’autres formes de déformation) ». Les machines-outils utilisent un outil qui coupe ou modifie la forme grâce à un mouvement guidé par la machine. Ce mouvement entre la pièce de travail et l’outil de coupe est contrôlé ou limité par la machine dans une certaine mesure, plutôt que d’être entièrement « dégagé » ou « à main levée ».

CNC et CAO/FAO : la liaison avec la fabrication additive

La commande numérique (CN) est l’automatisation des machines-outils à commandes programmées. Elle représente le contraire des systèmes à commande manuelle, par des roues ou des leviers, ou mécanique, automatisés par des cames. La majorité des commandes numériques sont aujourd’hui des commandes numériques par ordinateur (CNC).

Dans les systèmes CNC modernes, la conception des composants est automatisée de bout en bout en utilisant la conception assistée par ordinateur (CAO) et la fabrication assistée par ordinateur (FAO).

Les programmes de CAO/FAO produisent un fichier informatique permettant de faire fonctionner une machine spécifique via un post-processeur, puis chargé dans les machines CNC pour la production. Dans d’autres lignes de fabrication, plusieurs machines sont utilisées avec un contrôleur externe et des opérateurs humains ou robots qui déplacent le composant d’une machine à l’autre. La production est fortement automatisée et correspond étroitement à la conception de CAO d’origine. Les systèmes CNC sont utilisés pour tout processus qui peut être décrit comme une série de mouvements et des opérations comme la découpe au laser, le soudage, le soudage par friction malaxage, le soudage par ultrasons, la découpe aux flammes et au plasma, le pliage, la filature, la perforation, l’épinglage, le collage, la découpe du tissu, la couture, le routage, la cueillette et la mise (en anglais « picking and placing – PnP »), ainsi que le sciage.

Exemples de machines-outils CNC

Les machines fraiseuses CNC (figure 1) utilisent des contrôles informatiques pour couper différents matériaux. Elles sont capables de traduire les émissions composées de chiffres et de lettres spécifiques pour déplacer la broche à divers endroits et profondeurs. Beaucoup utilisent le G-code, qui est un langage de programmation standardisé que de nombreuses machines CNC comprennent. D’autres préfèrent utiliser des langages spécifiques créés par leurs fabricants et non transférables à d’autres machines.

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Les tours (figure 2) sont des machines qui coupent des morceaux de filature de métal. Les tours CNC sont capables de réaliser rapidement des coupes de grande précision en utilisant des outils indexables avec des programmes de pointe pour des pièces ne pouvant pas être coupées sur des tours manuels. Ces machines comprennent souvent 12 outils et des pompes de refroidissement pour réduire l’usure de ces derniers. Les tours CNC ont des spécifications de contrôle similaires aux moulins CNC et peuvent souvent lire le G-Code, ainsi que les langages de programmation spécifique du fabricant.

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Les coupeurs de plasma (figure 3) coupent un matériau avec une torche à plasma. Ils sont couramment utilisés pour réaliser des coupes d’acier ou d’autres métaux, même s’ils peuvent être utilisés sur une grande variété de matériaux. Dans ce procédé, du gaz (comme de l’air comprimé) est soufflé à grande vitesse hors d’une buse qui forme un arc électrique sur la surface à découper. Le plasma est suffisamment chaud pour faire fondre le matériau coupé et se déplace suffisamment rapidement pour faire sauter le métal fondu loin de la coupe.

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L’usinage à décharge électrique (figure 4), electrical discharge machining ou EDM en anglais, également appelé « usinage par étincelage », « électroérosion par fil » ou « électroérosion par enfonçage », est un processus de fabrication utilisant des décharges électriques (étincelles) pour obtenir la forme souhaitée. Le matériau est retiré de la pièce par ces décharges de courant récurrentes transmises entre deux électrodes séparées par un fluide diélectrique et soumis à une tension électrique. L’une des électrodes est appelée « électrode-outil », ou simplement « outil » ou « électrode », tandis que l’autre est appelée « pièce-électrode » ou « pièce ». Une fois que la circulation de courant est fermée, un nouveau liquide diélectrique est acheminé dans le volume inter-électrodes permettant d’emporter des particules solides, les débris, et de restaurer les propriétés isolantes du diélectrique. L’ajout d’un nouveau liquide diélectrique dans le volume inter-électrodes est généralement appelé « rinçage ».

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L’électroérosion à fil (figure 5), aussi nommée « découpage par étincelage à fil », utilise l’électroérosion pour modifier ou retirer de la matière avec un fil-électrode. Ce fil-électrode se compose généralement de laiton ou d’un matériau en laiton zingué.

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Sinker EDM, aussi appelé « type de cavité EDM » ou « EDM de volume », se compose d’une électrode et d’une pièce immergée dans un liquide, de l’huile isolante ou un autre fluide diélectrique. L’électrode et la pièce sont reliées à une source d’alimentation adaptée, ce qui génère un potentiel électrique entre les deux parties. Lorsque l’électrode se rapproche de la pièce d’oeuvre, une rupture diélectrique se produit dans le fluide formant un canal à plasma, et une petite étincelle jaillit.

Un dispositif de coupe à jet d’eau est un outil utilisé pour découper le métal ou d’autres matériaux par un jet d’eau à forte pression ou par un jet d’un mélange d’eau et de substance abrasive, telle que le sable. Il est souvent utilisé lors de la fabrication de pièces pour des machines ou d’autres appareils. La coupe à jet d’eau est la méthode préférée pour des matériaux sensibles aux températures élevées générées par les autres méthodes. Elle est utilisée dans les secteurs des mines et de l’aérospatiale pour la découpe, le façonnage, la sculpture et l’alésage.

Langages de programmation CNC

Il n’existe pas une seul langue de programmation pour tous les outils CNC6. Beaucoup ont des langages strictement spécifiques. Le G-code (ou le langage de programmation G) est le plus largement utilisé. Initialement, ce code ressemblait à un langage de programmation de bas niveau, comme un langage d’assemblage. Cependant, aujourd’hui, les versions les plus modernes comprennent des structures de contrôle et d’autres caractéristiques au langage de haut niveau. Les logiciels de CAO/FAO permettent de créer des instructions puis de les convertir automatiquement en G-code pour les différents outils.

Le G-code se compose essentiellement de deux types de commandes : les codes G et les codes M. Les codes G se composent de la lettre G, comme l’adresse de mémoire où la commande sera enregistrée, suivie d’un numéro de contrôle de 0 à 99. Ils sont également appelés codes préparatoires, parce qu’ils disent à la machine comment elle doit se déplacer. G01 est un code G typique, qui indique à la machine comment déplacer l’outil de coupe (ou la pièce) dans une ligne à une vitesse d’alimentation spécifique ou à une certaine distance. Il sera suivie par des codes indiquant l’axe de mouvement et l’incrément. Les codes M sont également appelés codes divers. Ils contrôlent les opérations générales de la machine : marche-arrêt du moteur, émission de liquide de refroidissement, etc. Ils ont le préfixe M suivi d’un code numérique à trois chiffres.

Analyse des compagnies actives

L’impression 3D possède encore quelques limites. Par exemple, l’impression 3D métallique entraîne des propriétés mécaniques qui peuvent être très différentes de celles d’une pièce usinée à partir d’un alliage laminé à chaud ou trempé. À ce stade, le processus d’impression 3D ne peut tout simplement pas correspondre à des tolérances précises d’usinage de haute précision. On est donc plus susceptible de voir des imprimantes 3D travailler à côté de machines CNC plus traditionnelles, plutôt que de les remplacer entièrement. Cependant, certaines entreprises ont déjà commencé à prendre le chemin du développement futur en matière d’intégration de CNC et de fabrication additive.

La société DMG MORI, avec sa machine LASERTEC 65 3D (figures 6 et 7), intègre le soudage de déposition laser et le fraisage avec la fabrication additive dans une fraiseuse possédant cinq axes. Ce procédé utilise le dépôt de poudres métalliques à l’aide d’une buse, ce qui est jusqu’à dix fois plus rapide que la génération du lit de poudre. Selon la compagnie, « jusqu’à présent, les techniques additives étaient utilisées pour générer des prototypes et de petites pièces. En combinant les deux – fabrication additive par la buse de poudre et processus de coupage traditionnels dans une seule machine – il devient possible d’obtenir de nouvelles applications et géométries. Surtout, il est désormais possible d’usiner des grandes pièces avec de hauts volumes d’enlèvement. Le changement flexible entre le laser et le fraisage permet l’usinage de fraisage direct de sections qui ne sont pas accessibles quand la pièce est finie ».

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Déjà en juillet 2014, Hurco Companies a annoncé qu’elle avait déposé une demande de brevet américain pour une nouvelle technique combinant l’impression 3D et la CNC. Grâce à cette nouvelle technologie, les fabricants pourront passer du prototype en plastique à la pièce finie en métal sur une seule machine. Lors de l’IMTS 2016, la société a également présenté une tête d’impression 3D, un accessoire optionnel sans fil alimenté pour son centre d’usinage vertical qui extrude le filament en plastique PLA pour l’impression 3D directement sur une machine CNC. Cette tête d’impression portable est alimentée et contrôlée par rotation de la broche et peut être facilement déplacée entre les centres d’usinage Hurco. En parallèle, une nouvelle version du logiciel WinMax offre le support pour la fabrication additive avec la tête d’impression en 3D et permet aux utilisateurs de développer rapidement et efficacement des formes 3D complexes.

Hybrid Manufacturing Technologies, fondée en 2012 par Jason Jones et Peter Coates, possède comme produit phare son AMBIT™ (figure 8) un système multitâche qui permet pratiquement à toutes les machines CNC (ou plate-forme robotique) d’utiliser des têtes de traitements non traditionnelles dans la broche et de les interchanger. La commutation est complètement automatisée et ne prend que quelques secondes.

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La société américaine Mazak a lancé en août 2016 la nouvelle machine hybride multitâche Mazak VC-500 AM qui combine cinq axes et les avantages de la fabrication additive, permettant de « révolutionner la conception des produits, réduire les délais de commercialisation et les coûts de R&D ». La VC-500 AM hybride rassemble l’expertise de Mazak dans la construction de machines multitâches, l’expérience de technique laser à fibre, les connaissances de fabrication additive et possède « des fonctions jusqu’à dix fois plus rapides que les autres systèmes sans gaspillage de matériau ». La VC-500 AM peut réaliser des pièces de 19,7 centimètres de diamètre 1 centimètres en hauteur et jusqu’à 440 lbs. La tête additive de revêtement peut travailler dans la même zone d’usinage, en fonction de l’application et de l’emplacement des caractéristiques de la partie.

Société du groupe Mitsubishi Corporation, MC Machinery Systems propose un produit intéressant, la fraiseuse hybride LUMEX Avance-25 qui – selon la compagnie – est « la seule machine au monde permettant la fabrication d’un processus de moules et de pièces complexes par fusion ou frittage sélectif par laser (3D SLS) grâce à la technologie de fraisage à haute vitesse. Cette machine permet aussi la production de pièces complexes en utilisant des données 3D et la plus grande précision dans la fabrication des parties grâce à des poudres métalliques fondues et frittées par laser ».

Optomec est une entreprise privée et un fournisseur en pleine croissance de systèmes de fabrication additive. Il a breveté le système « Aerosol Jet » fonctionnant sur l’imprimante LENS 3D (figure 9) pour imprimer des composants métalliques, utilisés par l’industrie pour réduire le coût du produit et améliorer les performances. Ensemble, ces deux solutions d’impression uniques travaillent avec le plus large éventail de matériaux fonctionnels, allant des encres électroniques aux métaux structurels en passant par de la matière biologique. Optomec possède plus de 150 clients multinationaux dans le monde et soutient des opérations de fabrication dans l’électronique, l’énergie, les sciences de la vie et les industries de l’aérospatiale.

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Renishaw est une société britannique possédant un nouveau système de scanner à grande vitesse pour machines-outils CNC, le « système SPRINT ». Selon la société, ce système « offre une fonctionnalité sans précédent dans les applications de réparation d’aubes de turbine. La mesure à grande vitesse de sections transversales de pales, alliée à une forte intégrité des données, indique un état réel de la pièce permettant de générer un usinage adaptatif. Des sous-programmes confèrent une précision significative et réduisent les temps de cycle par rapport aux systèmes à déclenchement par contact. » Également active dans le secteur médical et dentaire, la société produit aussi les « LaserAbutments », une imprimante 3D d’implants sur mesure permettant de reproduire la finesse des détails des surfaces occlusales, puis usinés avec précision pour obtenir une géométrie d’interface à l’ajustement précis. Les implants LaserAbutments sont des dispositifs sur mesure, fabriqués au Royaume-Uni conformément aux normes ISO 13485, en cobalt-chrome certifié CE.

La société Stratasys a récemment présenté le « Robotic-Composite 3D Demonstrator », une imprimante 3D à huit axes unifiant capacités additives et soustractives pour des pièces composites grandes ou complexes (voir l’encadré à la fin de l’article « Fabrication additive et robotique, l’histoire d’une (r)évolution »).

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Notes

1 – Nassehi, A., Newman, S., Dhokia, V., Zhu, Z. and Asrai, R. I., 2011. “Using formal methods to model hybrid manufacturing processes”. 4th International Conference on Changeable, Agile, Reconfigurable and Virtual Production (CARV2011), Montreal, Canada.

2 – www.cirp.net/about-cirp.html

3 – Merchant, M. E., 2003. Twentieth century evolution of machining in the United States – an interpretative review. Sadhana-Academy Proceedings in Engineering Sciences, 28.

4 – International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 48, Issue 9, July 2008, p. 947–964.

5 – Facts 101 – The Global Manufacturing Revolution, Product-Process-Business Integration.

6 – https://www.scribd.com/doc/74116489/G-M-codes-All-CNC

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Gaëtan Lefèvre
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