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L’outillage et les avantages de la fabrication additive

L’outillage et les avantages de la fabrication additive

by Gaëtan Lefèvre14 avril 2017
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La fabrication additive a accéléré le cycle de développement de l’outillage. Aujourd’hui, de nombreuses entreprises impriment directement leurs propres outillages. A3DM Magazine s’est intéressé à l’impact de la fabrication additive sur l’outillage.

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

 

L’industrie de l’outillage est la plus grande industrie horizontale, et l’une des plus cruciales pour tous les secteurs de la fabrication industrielle comme l’automobile, l’aérospatiale, la défense, les produits industriels, ou encore les produits de consommation et médicaux. Quelle que soit l’application, des outils de fabrication appropriés et efficaces augmentent l’efficacité et la rentabilité de l’entreprise.

Le concept de machine-outil couvre une grande variété d’applications, y compris les appareils, les gabarits, les jauges, les moules, les matrices, les équipements de coupe et les modèles. L’outillage approprié est à la base d’une fabrication réussie et affecte directement la capacité de production ainsi que le cycle de vie du produit, la qualité et les coûts. Bien que l’usinage CNC soit la technique la plus utilisée dans la fabrication d’outils de qualité et que ses résultats soient extrêmement fiables, il pourrait s’avérer coûteux et long en comparaison avec d’autres techniques comme la fabrication additive, dont les options pourraient être moins chères et plus efficaces.

La fabrication additive au cœur du cycle de développement

L’utilisation de la fabrication additive a considérablement accru le cycle de développement de l’outillage et joue un rôle croissant dans les principales industries. Selon un récent sondage publié par Ernst & Young, un cinquième des entreprises actives dans les secteurs aéronautique, automobile, mécanique et ingénierie utilisent cette technologie pour imprimer leurs propres outillages.

Les applications en fabrication additive pour l’outillage couvrent une large gamme d’utilisations, y compris pour les outillages utilisés dans les procédés de coulée et d’usinage, les gabarits d’assemblage et les fixations, ainsi que les guides médicaux personnalisés. Les matériaux actuellement utilisés pour la fabrication d’outillage comprennent les plastiques, le caoutchouc, les composites, les métaux, la cire et le sable.

Avantages et impacts de la fabrication additive

L’outillage de fabrication par impression 3D offre de nombreux avantages.

Une liberté de conception d’outillage et une capacité à créer des produits finaux plus fonctionnels

Lors de l’évaluation des opportunités innovantes de la fabrication additive, une stratégie clé est de ne pas se concentrer uniquement sur la manière dont cette technologie peut réorganiser les pièces existantes ou reproduire les résultats des processus traditionnels. Il faut surtout s’interroger sur la manière dont les techniques additives peuvent être utilisées pour obtenir des résultats inabordables ou impossibles par l’usinage soustractif. La liberté de conception offre de nombreuses opportunités. Les concepteurs et les ingénieurs peuvent profiter d’options presque infinies pour améliorer les conceptions d’outils. Lorsqu’elles sont composées de plusieurs parties, la capacité de consolider la conception permet de réduire au minimum l’impact des opérations d’assemblage et des coûts de matériaux. De plus, la possibilité d’incorporer des caractéristiques complexes permet une production plus rapide de pièces hautement fonctionnelles, limitant ainsi les défauts tout en permettant de concevoir des formes libres. Dans le cas de la conception d’un système de refroidissement, l’ergonomie peut être incluse dans la conception pour améliorer le confort des techniciens, le temps de cycle de traitement ainsi que la facilité d’accès et de stockage des outils.

Un délai de fabrication plus court pour l’outillage

La fabrication additive pour l’outillage permet également de réduire le cycle de développement complet du produit. Elle sert de moteur à l’innovation. Les entreprises choisissent parfois de retarder ou d’annuler les mises à jour de conception de produits en raison de la nécessité d’investir dans de nouveaux outillages. En réduisant le temps de production de l’outillage et en permettant des mises à jour rapides, la fabrication additive permet aux entreprises de remplacer et d’améliorer plus fréquemment leur outillage. Avoir un système de fabrication additive en interne permet également de raccourcir la chaîne d’approvisionnement et de réduire (voire d’annuler) le risque de recevoir des outils défectueux.

Une réduction des coûts

Si les coûts actuels sont généralement plus élevés en fabrication additive métallique par rapport à la fabrication traditionnelle de métaux, il est possible d’obtenir des réductions de coûts plus facilement avec des polymères. Le choix des matériaux dépend évidemment de l’utilisation des outils à fabriquer. La fabrication additive métallique pour l’outillage pourrait cependant être avantageuse sur le plan financier pour les petites séries de produits finis, dans le cas de géométries vraiment spécifiques optimisées par DAO / CFAO, et/ou dans les cas où la fabrication provoque un taux élevé de déchets de matériaux chers.

La possibilité de fabriquer en quelques heures un outil précis dès que le besoin s’en fait ressentir est essentiel pour les flux de travail, et peut être très utile lorsque les temps d’arrêt de la production ou l’inventaire des outils sont coûteux. Enfin, la flexibilité de cette technologie permet aux ingénieurs de répéter de nombreuses versions d’essai, ce qui réduit les coûts initiaux causés par les modifications de conception d’outillage.

Les applications spécifiques d’outillage

En plus du prototypage et de la conception, la fabrication additive pour l’outillage peut être un choix commode selon les spécificités, par exemple en cas de production de faible volume dans laquelle la capacité de créer des géométries complexes peut améliorer les performances de l’outillage. Une production de qualité re-localisée, un plus grand portefeuille de matériaux, la capacité de produire des outils plus importants et une main-d’œuvre plus qualifiée pourraient avoir un impact positif sur les outils conçus par fabrication additive.

Différents procédés liés à l’outillage peuvent bénéficier des caractéristiques de la technologie additive :

  • le moulage (soufflage, injection, moules de pâte à papier, moules de fibre de verre, etc.) ;
  • la production d’outils rapides (vulcanisation en température ambiante, usinage époxydique, frittage direct au métal) ;
  • le formage (hydroformage, thermoformage, etc.) ;
  • l’usinage, l’assemblage et l’inspection (gabarits, fixations, installations modulaires, etc.) ;
  • la robustesse d’extrémité (pinces) ;
  • le moulage (spin, investissement, sable, etc.).

Le moulage à injection et la fabrication additive métallique

Beaucoup de fournisseurs de systèmes de fabrication additive sont historiquement impliqués dans la conception de machines (Stratasys, Renishaw, DMG Mori, etc.) tandis que d’autres sociétés comme Siemens développent leurs capacités de fabrication en interne afin de répondre aux besoins des clients. La fabrication additive occupe une position particulière dans l’industrie des machines-outils car elle conduit à la réduction de l’outillage dans de nombreux procédés industriels. Comme indiqué dans le rapport Wohlers de 2016, en remplaçant certaines formes de moules fabriqués de manière traditionnellement, « la fabrication additive réduit ou élimine l’outillage », diminue le nombre d’étapes de fabrication et peut impacter les coûts à la baisse.

La fabrication additive métallique est de plus en plus utilisée pour la production d’outils, bien que les outils usinés CNC soient, en général, considérés comme offrant de meilleures solutions de coûts et d’efficacité. Certaines sociétés comme Volvo France ont expliqué en détail avoir réduit leur temps de production d’outils de plus de 94 %.

La fabrication additive montre un grand potentiel pour l’ensemble de l’industrie des machine-outils, comme le montre le partenariat intertechnologique entre EOS et GF Machining Solutions.

La fabrication additive devient la meilleure option lorsqu’elle apporte une réelle valeur ajoutée, comme dans la conception de petites séries, ou même de pièces unitaires, au sein de laquelle les défis techniques nécessitent l’utilisation d’une technologie non traditionnelle. Elle est particulièrement intéressante pour l’industrie de moulage lorsque des inserts (non des moules) sont imprimés pour être ensuite ajoutés aux moules. En outre, l’un des principaux avantages de cette technologie dans le domaine du moulage est lié au refroidissement. Généralement, il est nécessaire de creuser des trous droits dans des moules en acier afin d’optimiser les canaux de refroidissement. Avec la fabrication additive, cette étape est supprimée.

Le moulage par injection est un marché en croissance vers lequel plusieurs entreprises de moulage se tournent. C’est aussi une technique pour laquelle la fabrication additive atteint un certain niveau de maturité, même si elle n’est pas encore déployée sur le marché. Le moulage par injection (contrairement à la coulée en sable, par exemple) est utilisé pour produire des moules qui sont ensuite utilisés pour la production en série.

Des outils tels que les moules et les matrices peuvent être définis par leur utilisation, mais sont principalement considérés sous l’angle du processus de production pour lequel ils sont mobilisés. Les principales techniques sont les suivantes.

  • Le moulage par soufflage, généralement appliqué pour former des matières plastiques, est lié à un nombre restreint d’applications (telles que l’outillage en aluminium). Il couvre un grand marché. Les entreprises dans ce domaine en sont encore aux premiers stades de l’exploration de la fabrication additive.
  • Le moulage par compression concerne les pièces préchauffées qui sont placées dans un moule de compression. Il est perçu comme un marché important mais en rétrécissement. Les techniques la fabrication additive de fusion peuvent être utilisées, mais les entreprises ont tendance à se tourner vers le moulage par injection.
  • La coulée sous pression concerne la fusion de pièces en aluminium placées pendant plusieurs heures dans un four chauffé à haute température. La chaleur peut cependant adoucir le moule et éventuellement le briser. La fabrication additive offre la possibilité de manipuler la température du moule (pointant les pièces à ne pas refroidir trop vite) et permettre une meilleure forge des outils.
  • La coulée de sable est utilisée pour les produits lourds et/ou raides, comme les turbines. Ce procédé consiste à fondre et à couler du matériau dans un moule en sable. L’impression 3D à base de sable existe déjà et est utilisée dans l’industrie. Dans de nombreux cas, elle commence à remplacer les techniques classiques de coulée de sable, tant que les pièces ne sont pas réalisées en grande série.

Les techniques de moulage peuvent avoir un effet de levier dans la production en grande série. De nombreux progrès ont été réalisés dans le moulage par injection. Le moulage par injection est un domaine dans lequel la fabrication additive peut jouer un rôle perturbateur. Cette dernière permet de fabriquer des moules plus efficacement grâce au refroidissement et à la diminution des temps de cycle. Les moules pour moulage par fabrication additive sont habituellement en métal (aluminium, etc.) et sont conformes à un procédé industriel similaire à celui des moules fabriqués de manière traditionnelle.

Il existe de nombreuses entreprises impliquées dans le développement de produits de moules par fabrication additive.

3D-CAM : conception, stéréolithographie (SLA), Laser Sintering (LS), outillage en caoutchouc, outillage usiné CNC, outillage époxy aluminium, outillage zap, uréthane coulé, moulage par injection, QuickCast et coulée en sable.

3Geometry : systèmes de fabrication additive à base de laser pour la production de moules et de noyaux en sable.

Alpha Prototypes : stéréolithographie (SLA), PolyJet, FDM, jet de liant, CNC et moulage par injection. Applied Rapid Technologies Corp : services de conception 3D, stéréolithographie, pièces en uréthane coulé sous vide et outils rapides en « pont » pour plastiques moulés par injection.

ARRK : développement de produits, prototypage rapide, CAO / FAO, CNC, usinage, prototypes fabriqués et finition complète du produit, prototypes d’axes : LS, SL, prototypes en uréthane de moules en caoutchouc et pièces de production sur demande.

Axis Prototypes : LS, SL, prototypes en uréthane de moules en caoutchouc et pièces de production sur demande.

Bastech : CAD, ingénierie, SL, LS, reproductions en plastique et en métal, prototypage d’outillage et moulage par injection à courte durée.

CA Models : SLS, CNC, coulée en uréthane, fabrication de modèles, outillage, moulage par injection plastique et inspection CMM.

CAM-LEM : utilise un procédé de laminage spécial pour fabriquer des composants, des prototypes de moules et des outillages en métal ou en céramique directement à partir d’un fichier CAO 3D.

Dinsmore and Associates : conception de produits, SL, LS, DMLS, FDM, PolyJet, usinage CNC, usinage par injection, moulage par injection et coulée de métal.

KAIAO Rapid Manufacturing : SL, CNC, prototypage, moulage par injection, moulage sous pression et finition de pièces.

Laser Prototypes Europe : SL, LS, moulage par injection de réaction, coulée en uréthane, coulée métallique, production à court terme, CAO, usinage CNC, finition et peinture.

MK Technology GmbH : système de coulée sous vide pour la fabrication de moules et prototypes en caoutchouc silicone RTV.

Omega Plastics : moulage par injection de plastique, prototypage d’outillage, moules de pont à la production et fabrication à faible volume.

Pentagon Plastics : impression 3D, SL, LS, moulage par injection, coulée sous vide et outils de moule.

Proto Labs : moulage par injection rapide sans la nécessité de matériel de moulage en acier, EDM ou ingénierie personnalisée coûteuse.

Protogenic : fabrique des prototypes et des modèles conceptuels utilisant des moules en stéréolithographie et en caoutchouc silicone (RTV) pour des quantités limitées de préproduction.

Schmit Prototypes : modèles, prototypage et pièces moulées par injection à un endroit.

Schneider Prototyping : stéréolithographie, frittage laser, usinage CNC, pièces moulées et pièces moulées.

SICAM : ingénierie, modèles et prototypes d’uréthane coulé, outillage rapide, pièces moulées par injection et fabrication offshore.

Solize : service de CAO, de prototypage, de moulage et de vente.

Stratasys Direct Manufacturing : FDM, PolyJet, SL, LS, CNC, DMLS, pièces moulées en uréthane, moules de placage et de sable, outillage et pièces moulées par injection.

Ces entreprises impliquées dans la fabrication additive pour les moules d’injection sont les principaux acteurs dans le domaine. Les sociétés américaines comme 3D Systems et Stratasys font la promotion de cette technologie pour le moulage par injection aussi bien que des entreprises européennes comme EOS, Voxeljet et Renishaw.

La matière première pour la production des moules est généralement du métal. Les principaux fournisseurs de poudres métalliques sont : Advanced Powders & Coatings (AP&C) (CA) ; ATI – Specialty Metal Supplier (US) ; Carpenter (US) ; CVMR Corporation (US) ; Erasteel (DE) ; Eurotungstene (FR) ; GKN (UK) ; LPW (UK) ; Metalysis ; Nanosteel (US) ; Plansee (AU) ; Sandvik (SE) et TLS Technik (DE).

La production rapide d’outils

Ce n’est que lorsque la quantité de production est massive que le coût d’outillage peut être justifié. Par conséquent, la manière de produire des outils plus rapidement et plus économiquement, en particulier pour la fabrication de petits lots, devient une grande préoccupation. Dans le processus de conception et de développement du produit, il existe toujours un besoin d’outils intermédiaires pour produire des échantillons pour la commercialisation, l’essai fonctionnel ou la planification et l’évaluation des processus de production. À cet égard, la production rapide d’outils peut répondre aux besoins. Elle est le résultat de la combinaison de techniques de prototypage rapide avec des pratiques d’outillage classiques permettant de produire une petite quantité de composants en plastique ou en métal, à partir de données CAO. La technologie directe comme le frittage direct au métal (Direct Metal Laser Sintering – DMLS), qui fabrique des outils de production à partir de données CAO, est l’approche la plus couramment utilisée pour la duplication des composants en plastique.

Simulation de canaux de refroidissement métallique conçue par fabrication additive – Source : Renishaw and IDEA Consulting

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