Magazine Dimanche 23 février 2020 - 21:43

Projet MAESTRO pour les applications industrielles de série

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Lancé en octobre 2016, le projet MAESTRO a pour but d’emmener la fabrication additive métallique DMLS vers des applications en série, en augmentant la productivité de 30 % et en baissant les coûts de production de 30 %. Quelques mois après la clôture de celui-ci, il est temps de faire le bilan.

Par Nathalie Maillol, ingénieure fabrication additive à l’IPC (Institut de la plasturgie et des composites) et Hélène Sapardanis, Ingénieure R&D chez ALTAIR.

La fabrication additive de pièces métalliques a beaucoup progressé ces vingt dernières années, notamment le procédé de fusion laser direct de métal, aussi appelé « DMLS » (direct metal laser sintering). Aujourd’hui, celui-ci est considéré comme une technologie de production pour des marchés à faible volume. Dans le but d’amener le procédé de fabrication additive métal sur lit de poudre vers une production en série, dix partenaires ont travaillé ensemble pour développer une plateforme modulaire à travers le projet MAESTRO. Financé par la Commission européenne à hauteur de 4 millions d’euros pour une durée de trois ans, ce programme H2020 s’est achevé en septembre 2019.

Une plateforme de fabrication additive métal ouverte aux industriels

Le projet européen MAESTRO vise le développement d’une plateforme de fabrication additive métal ouverte à tous les industriels. L’objectif principal est de réduire le temps de production et donc les coûts grâce à un système de fabrication hybride. Le second enjeu est de tendre vers une production zéro défaut grâce aux systèmes de contrôle en ligne du procédé. La plateforme a été présentée le 11 juillet 2019, lors d’un workshop dans les locaux d’IPC, avec tous les acteurs industriels et académiques.

  • Caractérisation de poudre : CEA.
  • Logiciel de pre-process : ALTAIR.
  • Machines de fusion laser : EOS.
  • Production des pièces : IPC.
  • Production des préformes en MIM : MIM+.
  • Fabrication hybride : Université de Birmingham.
  • Utilisateurs fi naux : CRF, GEMMATE, ALSTOM, III-V Lab.

Du premier concept à la préparation de la fabrication de la pièce

Le logiciel de pre-process répond à une problématique concrète de la fabrication additive : proposer une chaîne numérique simplifiée et robuste qui s’étend de la conception à la fabrication de la pièce dans un seul environnement graphique, Altair HyperWorks. La chaîne numérique se compose d’une première phase de design, déjà disponible, et d’une seconde phase de préparation de la pièce, développée au cours du projet MAESTRO.

La phase de conception est pilotée par l’optimisation topologique, une méthode numérique d’aide à la conception qui permet de déterminer, dans un temps, réduit la forme optimale d’une pièce répondant à un cahier des charges spécifique et notamment aux contraintes liées au procédé. La technologie additive permet une grande liberté de conception grâce à la quasi-absence de contraintes de fabrications. Il y a donc un réel intérêt de combiner optimisation topologique et fabrication additive afin de tirer tout le potentiel de l’optimisation et obtenir la pièce la plus performante mécaniquement avec la masse la plus faible. La phase de conception se conclut par l’interprétation des résultats de l’optimiseur en utilisant les outils de modélisation géométrique par NURBS.

La préparation de la pièce pour la fabrication est assurée par le logiciel de pre-process qui se décompose en deux modules principaux. Le premier module se concentre sur la préparation de la pièce pour la fabrication basée sur l’analyse géométrique : calcul de zones à supporter, optimisation de l’orientation de la pièce, création automatique des supports de fabrication, tranchage et création des fichiers machine. Le second module permet la mise en données d’un modèle de simulation du procédé de fabrication afin de prédire des déformations de la pièce après conception et ainsi diminuer le nombre de rebus. La chaîne numérique résultante limite la manipulation de fichiers, réduit le temps de préparation de la fabrication et aussi rend accessibles la conception et la préparation de fabrication à des non-experts.

Systèmes de contrôle in situ

Dans le cadre du projet MAESTRO, les matériaux utilisés se fusionnent avec une épaisseur de couche de 30 μm. Ce procédé fusionne plusieurs couches à la fois ; un défaut apparu à la couche n peut être modifié à la couche n+1. La remise en couche recouvre complètement la couche précédente et le contrôle visuel n’est plus possible alors. Pour ces raisons, et pour s’assurer du bon déroulement de la production, la machine EOS M290 a été équipée de plusieurs systèmes de contrôle en ligne. Ceux-ci permettent de contrôler en temps réel la qualité de la fusion durant la production. Le système OT (Optical Tomogrpahy) comprend une caméra proche infrarouge qui enregistre l’intensité de la fusion. Pour le système MPM (Meltpool Monitoring system), il s’agit de deux photodiodes, l’une placée dans l’axe du laser et l’autre au-dessus du plateau de fabrication. L’objectif final est d’utiliser ces systèmes de contrôle afin qu’ils détectent une déviation pendant la fabrication. Cette déviation peut être un défaut mineur (impact négligeable sur la qualité de la pièce) ou majeur (la qualité attendue de la pièce ne sera pas atteinte), ce qui peut entraîner l’arrêt de la production de la pièce défectueuse ou de la production complète.

Caractériser l’interface préforme/fusion

Un des développements majeurs du projet MAESTRO porte sur la fabrication additive hybride. Celle-ci désigne l’impression 3D d’une pièce sur une autre existante, appelée « préforme », obtenue à partir d’un autre procédé de fabrication comme l’usinage, la fonderie ou encore le MIM (Metal Injection Molding). Deux démonstrateurs ont été produits avec une version hybride. Afin de caractériser l’interface préforme/fusion, des campagnes de tests ont été réalisées sur des échantillons en acier inoxydable 316L et en alliage AlSi10Mg. Ils ont permis d’observer et d’analyser différents paramètres de production à l’interface (variation de puissance laser, vitesse de balayage), ainsi que différents états de surface (texturation laser, sablage). Ces échantillons ont ensuite été testés mécaniquement (fatigue, traction et dureté).

Chaque production hybride a été enregistrée par les systèmes OT et MPM, ce qui permet de comparer les signaux et les résultats expérimentaux. Ainsi, la comparaison des signaux entre les pièces avec des propriétés mécaniques trop faibles et les pièces qui répondent au cahier des charges permet d’établir des seuils de criticité. Ces seuils sont ensuite utilisés comme valeur de référence pour l’analyse des autres productions.

Exploration des procédés de fabrication hybride

Les derniers mois du projet ont été consacrés à la production des démonstrateurs pour les secteurs automobile, aéronautique, spatial, ferroviaire, électronique et packaging. Au total, des dizaines de pièces ont été produites à l’IPC, via la plateforme MAESTRO en version additive et hybride. Parmi celles-ci, des portes de fusées pour CRF ont été optimisés par le logiciel ALTAIR, puis fusionnées en aluminium à partir d’une préforme Cobapress. Certaines régions en porte-à-faux ont été supportées par des structures lattices plutôt que par les supports traditionnels. L’utilisation de cette plateforme a permis un gain de masse de 30 % par rapport au design initial. La majorité du gain a été obtenue grâce à l’optimisation de la partie inférieure de la pièce. La partie supérieure comprend des zones avec des structures lattices dont la largeur des bras évolue selon le niveau de contrainte.

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Vue du démonstrateur de portes de fusée pour CRF.

Un autre démonstrateur a été conçu pour Alstom. Il s’agit d’une valve d’évacuation des eaux de climatisation. Celle-ci illustre parfaitement la plateforme MAESTRO à travers ses trois versions : 

  • une pièce entièrement conçue par fabrication additive ;
  • un design hybride avec une embase réalisée en Metal Injection Molding (MIM) ;
  • et une conception hybride avec une embase fabriquée par dépôt de fi lament métallique.

Dans cette dernière version, l’utilisation du procédé par dépôt de fi lament métallique a un but exploratoire. La machine utilisée est une imprimante 3D Hephestos, avec un filament Ultrafuse 316L de BASF. La fabrication des pièces a été réalisée par IPC et les traitements thermiques de déliantage et de frittage par MIM+.

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Démonstrateur Alstom conçu pour la fabrication additive.

En septembre 2019, le projet MAESTRO est arrivé à son terme. Il a permis à plusieurs participants de valider ou non le passage à la fabrication additive métal comme technologie de production en série pour leurs pièces. Un dernier démonstrateur aéronautique a été réalisé pour la PME italienne GEMMATE. La fabrication additive a permis un gain de masse de 30 % sur la conception d'un système de fixation (composé d'une vis et d'un écrou), initialement réalisée en matière pleine. L’utilisation de structures lattices a permis ce gain de poids tout en conservant les propriétés mécaniques exigées.

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Vue d'une fixation pour l'aéronautique avec les structures lattices internes du démonstrateur de Gemmate.

Pour prendre contact avec l’équipe du projet, écrivez à fabrapide@ct-ipc.com ou rendez-vous sur https://www.maestro-project.eu/

Contenu Encadré

RÉSUMÉ DU PROJET H2020 MAESTRO

Projet

  • Modular laser-based additive manufacturing platform for large scale industrial application
  • FOF-13-2016 Photonics Laser-based production
  • Grant agreement number: 723826

Objectif

Emmener la fabrication additive métallique sur lit de poudre (Direct Metal Laser Sintering - DMLS) vers des applications de série, grâce à l’optimisation de la chaîne de conception, au contrôle en ligne de procédé et à l’hybridation avec des procédés de fabrication complémentaires.

Enjeux

  • Optimiser la chaîne de conception, entre autres, par le développement d’un logiciel unique permettant de gérer la partie preprocess de la fabrication.
  • Mettre au point un système de contrôles en ligne du procédé pour tendre vers une production zéro défaut.
  • Associer le DMLS avec des procédés de fabrication complémentaires tels que le MIM (Metal Injection Molding) et réaliser des pièces en fabrication hybride.

Acteurs

  • ALSTOM, ALTAIR, CEA, CRF, EOS, GEMMATE, IPC, MIM+, Université de Birmingham, III-V Lab.
  • IPC : Centre technique industriel de la plasturgie et des composites.

Budget

3 995 905 €.

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