Magazine Mercredi 9 octobre 2019 - 21:15

Fabrication de brûleurs acétylène par impression 3D

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Afin de promouvoir les méthodes de fabrication additive à travers son propre portefeuille de produits de fabrication, la société Linde PLC AM a lancé son projet de recherche sur les brûleurs acétylène LINDOFLAMM®. Elle nous expose les problèmes auxquels ont été confrontés ses ingénieurs.

Par Fabian Neuner, Project Manager Application Engineering et Florian Lage, Expert Thermal Processes

Les entreprises qui placent la fabrication au cœur de leurs activités subissent des pressions croissantes, à la fois en raison de la concurrence mondiale, mais aussi de l’essor rapide. des progrès technologiques. La production de masse s’étant largement déplacée vers les économies en développement, les entreprises occidentales s’orientent vers une production à plus faible volume de produits à forte valeur ajoutée, innovants, personnalisables et plus durables. Elles continuent également à chercher des moyens d’améliorer les temps de cycle, de réduire les déchets et de maximiser le flux de travail. Pour soutenir la concurrence dans ce nouvel environnement, les fabricants ont cherché de nouvelles approches de fabrication pour soutenir une production économique à faible volume. L’une de ces technologies émergentes est la fabrication additive. Cette technologie élimine bon nombre des limites des techniques soustractives et des méthodes traditionnelles.

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À l’heure actuelle, la fabrication additive a principalement été adoptée par les industries dont les coûts de production peuvent être compensés par les avantages qu’offre la technologie, en particulier dans les secteurs de l’aéronautique, du spatial, de la défense, du médical et de l’automobile, où les coûts de production sont élevés. Ces avantages comprennent une plus grande liberté de conception et de personnalisation, la suppression des exigences en matière d’outillage, l’amélioration de la résistance et de la fonctionnalité des produits, la réduction du temps d’assemblage des composants complexes, une production localisée, une mise sur le marché rapide, la réduction des pertes, la réduction des obsolescences, la dépendance envers les fournisseurs traditionnels ainsi que la création de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques et comportementales uniques. Afin de promouvoir les méthodes de fabrication additive à travers son propre portefeuille de produits de fabrication, la société Linde a lancé son projet de recherche sur les brûleurs acétylène LINDOFLAMM®.

Un processus de fabrication complexe et coûteux

Les brûleurs industriels sont fabriqués à partir de multiples composants métalliques, jusqu’à aujourd’hui produits par des méthodes de fabrication soustractives dans lesquelles les pièces sont usinées à partir de grandes masses de laiton, de cuivre ou d'acier de première qualité. À ce procédé s’ajoutent le fraisage, les nombreux trous multidirectionnels à percer, à braser ou à souder, le filetage, les embouts de buses à visser et le brasage ou le soudage d’autres connexions. Les brûleurs sont utilisés pour des étapes pré- ou post-chauffage, qui constituent une opération essentielle pour de nombreux process industriels et les brûleurs sont souvent faits sur mesure pour des applications spécifiques, nécessitant jusqu’à vingt composants ou plus. Les brûleurs doivent également assurer une répartition homogène de la flamme, ce qui nécessite des usinages parfaits. Ces contraintes en termes de personnalisation et de compétences peuvent rendre le processus de fabrication complexe, coûteux et long. La société Linde a mis en place un projet de recherche sur les brûleurs acétylène LINDOFLAMM® pour le préchauffage et le post-chauffage avant et après soudage (bien que les étapes du processus et les enseignements puissent théoriquement être appliqués à d’autres brûleurs pour diverses applications et industries).

Itérations et échecs pour apprendre

Au cours de ce projet, l’idée d’une refonte complète d’un brûleur pour la production dans une chambre d’impression a émergé. L'équipe d’ingénieurs a adopté une approche « fail fast and learn » et exploité une série de « boucles » d’apprentissage : modélisation des composants via la conception assistée par ordinateur (CAO), impression des composants, résultats sous-optimaux, retour à la planche à dessin, refonte de la conception, et ainsi de suite. Une des premières leçons tirées du projet a été que la conception originale des composants n’est pas assez précise et qu'elle présente des micro-interférences dans le modèle, ce qui entraîne de mauvais contours et des problèmes de porosité, entraînant une fuite dans le brûleur. Suite à de nombreux essais et échecs, les ingénieurs ont appris quelles spécifications et quels facteurs devaient être priorisés en fabrication additive.

Gestion du changement

Bien que l’enthousiasme pour la fabrication additive se poursuive sans relâche, de nombreux fabricants trouvent que leurs efforts ne portent pas nécessairement leurs fruits au moment du lancement de la production. Parfois, il s’agit d’un manque de compréhension de la technologie : mauvais choix de procédé ou de matériau, une atmosphère non- contrôlée dans la chambre d’impression, un positionnement incorrect ou des traitements et post-traitements inappropriés. La conception spécifique des composants peut également être davantage adaptée à une technologie conventionnelle qu'à la fabrication additive. Bien qu’il y ait d’énormes avantages à tirer de cette technologie, les attentes doivent être établies en fonction des nombreux obstacles et défis potentiels qu’une entreprise peut rencontrer pour créer la pièce parfaite. De plus, les entreprises doivent considérer les défis humains au-delà des défis stratégiques et techniques : il s’agit notamment de savoir comment développer le savoir-faire au sein des équipes d’ingénierie de fabrication et, peut-être plus fondamentalement, comment surmonter les résistances à cette technologie innovante.

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S’adapter et penser autrement

La fabrication additive nécessite un changement d’état d’esprit de la part des personnes concernées. Jusqu’à très récemment, les concepteurs et les ingénieurs ont appris à penser en termes soustractifs. « Notre formation universitaire pour apprendre l’ingénierie par des méthodes soustractives doit être essentiellement éradiquée de notre cerveau. Nous devons nous rééduquer en termes de design », explique un ingénieur de Linde. Les ingénieurs doivent maintenant tenir compte des limites des anciennes possibilités techniques et du potentiel – ainsi que des restrictions – des nouvelles possibilités offertes par la fabrication additive. Par exemple, au lieu de créer des géométries internes de composants avec des pièces individuelles complexes avec de nombreux assemblages, les ingénieurs peuvent à présent produire presque toutes les géométries en une seule phase d’impression, ce qui permet de concevoir des pièces en fonction de leur fonction. Cependant, ce recalibrage de la pensée – et ce même parmi les ingénieurs les plus expérimentés – peut prendre du temps. Il s’agit donc aussi bien de gestion du changement que d’apprentissage de nouveaux modèles et de nouvelles approches en matière d’ingénierie manufacturière. « L’un des objectifs du projet était de faire de cette nouvelle façon de penser une seconde nature ».

Linde a développé avec succès un prototype de ses brûleurs LINDOFLAMM® en fabrication additive, intégrant de nouvelles fonctionnalités comme des canaux de refroidissement internes tout en permettant d'obtenir une homogénéité optimale de la flamme. Les prochaines phases du projet comprennent l'essai de nouveaux prototypes de brûleurs pour s'assurer que ceux-ci répondent exactement aux exigences en termes de qualité et de fiabilité, puis l’augmentation de la production pour le lancement du produit en 2020.

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