Magazine Lundi 14 octobre 2019 - 21:13

Conception en fabrication additive appliquée à la qualité de surface

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Avant de fabriquer une pièce par un procédé additif, le modèle CAO associé doit être adapté à la fabrication additive. On parle alors de design for additive manufacturing (DfAM). Quelles sont les bonnes pratiques à adopter ?

Par Bastien Ga et Nicolas Gardan de Micado

En effet, des règles de bonnes pratiques doivent être appliquées aux géométries que l’on souhaite fabriquer. Certaines permettent d’éviter les mauvaises orientations de la pièce, alors que d’autres traitent des particularités géométriques difficilement fabricables. Le respect des règles a pour but d’éviter les défauts lors de l’impression, notamment ceux dus aux problèmes thermiques et aux surplombs.

Une approche « multicritères »

La méthodologie développée ici s’applique à l’ensemble des procédés de fabrication additive. Elle pourra être employée dans le secteur industriel, dans l’aéronautique, notamment, où l’on veut des pièces ayant une bonne qualité de surface. Dans les travaux existants, les orientations proposées sont le fruit de la minimisation d’une ou plusieurs quantités. Masood et al. [1] cherchent à minimiser l’erreur de volume entre la pièce imprimée et le modèle, Nezhad et al. [2] minimisent le temps d’impression et le volume de support, alors que Zwier et al. [3] récupèrent l’orientation avec le minimum de surplombs.

Au vu du grand nombre d’effets liés à l’orientation d’une pièce, il semblait intéressant de sélectionner les principaux afin de pouvoir les traiter simultanément. C’est pourquoi une approche « multicritères » a été choisie. Nous avons considéré pour notre méthodologie quatre grandes spécificités rencontrées dans les principaux procédés de fabrication additive : la qualité de surface des pièces, le volume de support, le temps et le coût de fabrication. Cette méthode ayant été validée, d’autres critères peuvent être facilement ajoutés, par exemple l’aire totale des surfaces de la pièce en contact avec le support ou l’accessibilité aux supports. Afin d’avoir une bonne qualité de surface sur les faces fonctionnelles de la pièce, une orientation précise a été définie pour chacune d’elles, l'idée étant de minimiser le post-traitement sur les faces fonctionnelles de la pièce en sortie de fabrication. Cette orientation est choisie de manière à ce que la rugosité, élément caractéristique de la qualité de surface, soit faible. En plaçant les faces verticales, l’effet d’escalier, et donc la rugosité, sont limités.

Pour chaque orientation, des valeurs sont calculées à l'aide d'une formule décrite ci-dessous. Un index est défini par les poids et les valeurs des critères. Les poids associés à chaque critère, initialisés par l’utilisateur, permettent d’accorder plus ou moins d’importance aux critères. La qualité de surface s’appuie sur des données de rugosité. Sa valeur correspond à l’aire totale des surfaces de la pièce excédant une certaine rugosité, soit l’ensemble des surfaces de mauvaise qualité. Le volume de support correspond quant à lui à la somme des volumes. Ces derniers sont obtenus par projection des triangles de la tessellation de la pièce sur le plateau. Bien évidemment, seuls les triangles nécessitant du support sont considérés.

Le temps de fabrication est une expression qui prend en compte le temps d’impression de l’intérieur de la pièce puis du contour, le délai entre toutes les couches et le temps de repositionnement de l’outil. Le coût de fabrication est la somme du volume de matière nécessaire (support compris), de la consommation énergétique de la machine, du coût horaire de la machine, du temps nécessaire à la mise en route et au nettoyage de la machine, du temps nécessaire à l’ingénieur pour préparer le modèle géométrique et du temps de post-traitement.

Index = WSQ x S + WVS x V + WT x T + WC x C

Où, WSQ, WVS, WT et WC sont respectivement les poids pour la qualité de surface, le volume de support, le temps et le coût de fabrication. S, V, T et C représentent la surface de mauvaise qualité, le volume de support, le temps de fabrication et le coût de fabrication.

Une méthode évolutive

Pour faire évoluer cette méthodologie, il pourrait être intéressant de pondérer les faces fonctionnelles. Il est également possible de favoriser les faces les plus importantes ou les plus grandes, celles ayant des fonctions spécifiques dans un assemblage par exemple. De même, il semble intéressant de privilégier des orientations identiques pour plusieurs faces fonctionnelles. Des particularités liées à certains procédés ont été intégrées à la méthode, comme des consommations énergétiques pour des procédés énergivores, tels les procédé SLS.

Cette méthodologie a été développée dans le cadre du projet Taal, projet de recherche et développement précurseur du logiciel 4D-Additive de CT CoreTechnologie. De nombreuses fonctions ont été développées pour préparer la fabrication d’une pièce par un procédé additif. La rugosité y est simulée pour anticiper la qualité des pièces en fonction de leur orientation et du procédé de fabrication utilisé. De même, les zones nécessitant des supports – dont la qualité de surface peut être moindre – sont calculées. Deux fonctions supplémentaires permettant de trouver une orientation intelligente ont été insérées : l’une calcule l’aire totale des surplombs d’une pièce dans des orientations obtenues par des rotations autour des axes X et Y du plateau machine ; l’autre est un mélange des deux méthodes qui calcule la valeur des quatre critères pour des orientations obtenues par rotations. Différents modules ont aussi été intégrés pour concevoir des supports adaptés aux différents procédés de fabrication que l’on trouve sur le marché.

Sachant qu’en impression métallique, il est difficile d’obtenir la pièce désirée identique au modèle CAO, notamment à cause de problèmes thermiques, des tests ont été réalisés. Un comparatif d’orientations d’une même pièce a été effectué avec le logiciel Amphyon de simulation de procédés métallique (procédé DMLS et alliage de titane pour les simulations). Il ressort de ces différents tests que l’orientation de la pièce a un impact sur les déformations plastiques de la pièce. Les déformations maximales et la taille des zones déformées ne sont pas identiques en fonction de l’orientation. Il apparaît de plus que certaines orientations sont nettement plus intéressantes que d’autres.

Étude de cas

Nous avons appliqué notre méthodologie à un cas concret d’orientation avec la pièce de la figure 1. Il s’agit d’une pièce qui sera fabriquée en polymère et qui est en cours de conception dans le domaine aéronautique. Notre client souhaite obtenir une bonne qualité de surface à l’intérieur de la pièce, sur les faces colorées en bleu. Le but est de faciliter le passage d’un flux d’air à l’intérieur de cette pièce.

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Pièce d’étude de la société Welco Industries

L’intérieur de la pièce étant composé de deux faces, deux orientations ont été testées. Un découpage de l’intérieur de la pièce pourrait donner de meilleurs résultats. Un test a été effectué avec des poids associés aux critères de qualité de surface et de volume de support maximum. La première orientation est visible sur la figure 2, la deuxième est présentée dans la figure 3. Les zones en rouge sur la figure 3, représentent les surplombs où du support est nécessaire, lors de la fabrication de la pièce.

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La meilleure orientation est la première (figure 2). La seconde nécessite plus de support : 111,9 cm3 pour 68,15 cm2 de surplomb contre 44,05 cm3 pour 144,2 cm2 de surplomb. De plus, pour la seconde orientation, du support doit être créé pour maintenir les faces fonctionnelles supérieures. Cela entraînera donc une mauvaise qualité de ces faces, ce qui est à l’opposé de l’objectif de notre méthodologie.

La première orientation est donc validée comme étant la plus intéressante. Il ne devrait pas y avoir de post-traitement sur les faces fonctionnelles, ou très peu. L’analyse de rugosité des deux orientations montre une faible rugosité à l’intérieur de la pièce. La première orientation contient cependant plus de surface de mauvaise qualité : 161,4 cm2 contre 106 cm2 et plus de surface en surplomb, mais elle a besoin de moins de support. Cette orientation nécessite moins de matière première. Cependant, comme il y a plus de surplombs, une plus grande surface sera de moins bonne qualité et le post- traitement sera plus long.

La figure 4 représente la pièce imprimée à partir de la première orientation avec une machine UP BOX + de Tiertime utilisant le procédé FDM. Pour cette impression, l’épaisseur de couche était de 0,1 mm. Le résultat est conforme à nos attentes et la qualité de surface des faces fonctionnelles est plus que satisfaisante. Aucun post-traitement pour améliorer l’état des faces fonctionnelles n’est à prévoir.

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Pièce dans l’orientation 1 sur le plateau machine

L’orientation, une étape à ne pas négliger

Ensuite, l’analyse de la pièce présentée dans la figure 5 nous a permis d’observer un phénomène intéressant. Chaque critère a été calculé pour soixante-deux positions, soit le nombre de faces de la pièce. Les paramètres utilisés pour estimer les temps et les coûts de fabrication sont ceux de l’UP BOX +. Les résultats obtenus sont présentés dans la figure 6. Les quatre critères – la qualité de surface (courbe verte), le volume de support (courbe bleu), le temps de fabrication (courbe orange) et le coût de fabrication (courbe grise) – évoluent de la même manière. Pour que les quatre critères soient représentés sur le même graphique, le coût a été multiplié par quinze. L’évolution identique des quatre courbes s’explique par le lien qui existe entre chaque critère.

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Pièce testée avec ses soixante-deux faces

La tableau 1 confirme ce lien en présentant la corrélation entre les critères, calculée sur le logiciel R avec la méthode de Kendall avec les données des courbes. Les tests de corrélation permettent d’évaluer l’association entre deux variables. Le fait que les résultats soient très proches de 1 indique une corrélation linéaire forte entre les variables, elles sont fortement corrélées. En effet le volume de support varie comme la quantité de surface de mauvaise qualité. Cela vient du fait que toutes les surfaces ayant un angle inférieur à 45 degrés nécessitent du support. La plupart de ces surfaces sont de mauvaises qualités. Ensuite, le volume de support va influencer le temps de fabrication.

En effet, ce dernier dépend du volume de matière à imprimer et donc du volume de support. Plus il y aura de support à fabriquer et plus le temps de production sera long. Enfin, le coût est marqué par ces deux derniers critères. En effet son estimation se base sur le volume de matière, et donc de support, et sur les surfaces de la pièce en contact avec du support. Imprimer une pièce avec moins de support reviendra donc moins cher. Il y aura besoin de moins de matière première et le post-traitement pour supprimer les supports sera plus court.

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Tableau 1 – Corrélation des critères

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Évolution de la qualité de surface, du volume de support, du temps et du coût de fabrication pour les soixante-deux faces de la pièce testée

Nous pouvons conclure en disant qu'une « bonne » orientation permettra de trouver un compromis entre les spécificités liées aux procédés de fabrication additive. Au vu de l’évolution des quatre critères calculés dans la méthodologie, une orientation où le support est faible semble être intéressante. Mal choisie, l’orientation peut maximiser les critères, augmentant les temps et les coûts de fabrication, tout en dégradant la qualité de surface de la pièce. L’orientation d’une pièce en fabrication additive est donc une étape à ne surtout pas négliger. Enfin, une évolution envisageable de la méthodologie serait de mener une étude mécanique sur la pièce dans les différentes orientations testées, car de nombreuses questions se posent sur la résistance des pièces imprimées.

Références

[1] S. H. Masood ; W. Rattanawong ; P. Lovenitti. A generic algorithm for a best part orientation system for complex parts in rapid prototyping. Journal of Materials Processing Technology, 139 :110–116, 2003.

[2] A. Sanati Nezhad ; M. Vatani ; F. Barazandeh ; A. R. Rahimi. Multi objective optimization of part orientation in stereolithography. International Conference on Simulation, Modeling AND Optimization.

[3] M. P. Zwier ; W. W. Wits. Design for additive manufacturing : Automated build orientation selection and optimization. 5th CIRP Global Web Conference Research and Innovation for Future Production, 55 :128–133, 2016.

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