News Jeudi 24 février 2022 - 21:20

Projet Acapulco, une empreinte innovante

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Le projet de fabrication rapide d’empreintes d’outillage d’injection Acapulco s’est terminé en janvier 2021. Il consistait à réaliser des empreintes polymères par prototypage rapide dans le but d'obtenir des pièces injectées dans la bonne matière. Il était porté par neuf partenaires – Simcon, Créastuce, INSA, IPC, lycée Arbez Carme, MIHB, Prodways, SMP Moules et CFP-Matériautech (désormais Polyvia) – qui ont tous eu la volonté de mettre leurs compétences en commun pour développer une technologie innovante.

Aujourd’hui, la conception de pièces industrielles nécessite souvent des étapes de prototypage longues et onéreuses. Ces étapes sont essentielles et permettent d'analyser les différents risques du processus d'industrialisation. Les entreprises cherchent évidemment à réduire leur temps de développement et les coûts associés afin d'accroître leur compétitivité. La fabrication additive intervient ici comme un « nouvel outil » répondant à cette problématique. Elle offre une forte liberté de créativité et permet la conception de différents types de pièces à partir d'un seul et même procédé. C’est ce que le projet Acapulco a cherché à prouver.

Programme de recherche dédié au développement de solutions innovantes dans le domaine de la fabrication additive, Acapulco se focalisait sur la réalisation d'outillages polymères en impression 3D, qui étaient ensuite capables de supporter une campagne d'injection de pièces en petite série. L'ambition était de développer un concept d'outillage hybride à partir de technologies innovantes, véritable atout pour les industriels. Ce principe permet de réduire sensiblement les délais de réalisation et les niveaux d'investissement. Reprenons ensemble les différentes étapes du projet.

Phase 1 : définition des spécifications des démonstrateurs

Le premier objectif de ce projet était de définir les spécifications des démonstrateurs à produire. Un démonstrateur générique et des démonstrateurs industriels ont été réalisés par l’équipe d’Acapulco. Les spécifications portaient sur trois critères : les coûts, les matériaux et les propriétés. Ils ont été définis et quantifiés. S’y ajoutent les procédures de tests à effectuer sur les pièces afin de les valider industriellement. Le deuxième objectif était de définir les spécifications des outillages pour produire ces démonstrateurs. Le moule imaginé est ainsi composé d’une carcasse et d’empreintes. Ces deux composantes ont été spécifiées. Enfin, le dernier objectif de cette phase était de réaliser une analyse des procédés de mise en œuvre disponibles et alternatifs, ainsi que des traitements de surface des empreintes.

​Dans le cadre de ce programme de recherche, le développement d'empreintes a été réalisé dans un premier temps sur le démonstrateur générique du GEM (un démonstrateur de matière et/ou procédé, dont plus de 1 000 sont référencés à ce jour sur l’espace Matériautech de Polyvia). Les résultats obtenus ont ensuite été appliqués aux autres démonstrateurs :

  • Tâche 1.1 : spécifications technico-économiques détaillées des trois démonstrateurs industriels (MIHB : démonstrateur automobile ; SMP : domaine pharmaceutique ; Créastuce : domaine aéronautique).
  • Tâche 1.2 : spécifications fonctionnelles des empreintes.
  • Tâche 1.3 : définition du démonstrateur générique et procédures de tests (démonstrateur générique défini par la matériautech).
  • Tâche 1.4 : veille technologique et traitements de surface.

Les premières étapes de développement ont été finalisées sur l'outillage générique du GEM,  et des règles de conception primordiales ont été définies pour ce projet. Enfin, différentes simulations ont été réalisées pour optimiser au maximum les transferts thermiques afin d'apporter des réponses au caractère isolant des empreintes et boucler cette première phase du projet.

Phase 2 : optimisation du couple matière/process sur le démonstrateur générique

L’objectif de cette deuxième étape était d’optimiser le couple matière/process pour la production des empreintes innovantes en polymères. Dans un premier temps, les paramètres du process ont été définis sur le démonstrateur générique. L’impact du process sur les propriétés mécaniques, géométriques, les aspects, etc., a été évalué afin de trouver les meilleurs paramètres procédés/matières pour obtenir des empreintes susceptibles d’être utilisées en injection moulage. Une reprise de cette boucle d’optimisation a été réalisée en fonction des retours concernant la fabrication des empreintes du démonstrateur générique et leur utilisation en injection moulage.

L’axe de travail portait également sur le développement d'une autre résine chargée, permettant d'améliorer les propriétés de conductivité thermique et de résistance mécanique (étude physico-chimique et chimico-rhéologique). Ensuite, des adaptations des formulations retenues ont été envisagées en lien avec les simulations numériques et les retours d’injection moulage dans les empreintes. Enfin, cette matière a été produite à une échelle pilote. Après validation de la matière, celle-ci a été utilisée pour les démonstrateurs industriels. Résumé :

  • Tâche 2.1 : développement du procédé.
  • Tâche 2.2 : optimisation des matières.
  • Tâche 2.3 : validation de la matière des empreintes.

Si le projet Acapulco s’est penché sur la production d’empreintes en résine thermodurcissable, imprimées par photopolymérisation, en utilisant la technologie de haute résolution DLP (Digital Light Processing) en mouvement, c’est parce que ce procédé offre un haut niveau de précision. Dans celui-ci, la résine liquide est polymérisée couche par couche par des rayons UV. Une image est projetée sur l'ensemble de la plateforme d'impression à chaque couche, via un projecteur à écran numérique. L'utilisation de résine photopolymérisable hybride permet d'obtenir de très bonnes caractéristiques mécaniques, nécessaires aux empreintes.

Divers travaux sur l'optimisation du process de fabrication d'empreintes ont permis de déterminer les meilleurs paramètres d'impression et d'obtenir de très bonnes caractéristiques mécaniques sur les empreintes. Une nouvelle résine chargée a également été développée pour améliorer la thermique.

Phase 3 : conception d'un principe d'outillage innovant à partir d'empreintes hybrides en polymères

L’objectif de cette troisième phase était de concevoir et de fabriquer les empreintes innovantes pour les quatre démonstrateurs, répondant au cahier des charges défini précédemment. Un plan de conception a ainsi été établi, avant de vérifier sa cohérence avec les contraintes du cahier des charges. Cette phase a également intégré l’étape des traitements de surface sur les empreintes. En parallèle, les échanges thermiques entre les empreintes en polymère et la carcasse ont été modélisés. Cette carcasse a nécessité l’intégration de capteurs (pression et températures) dans les empreintes. Une modélisation mécanique des empreintes, en vue de leur allègement et de leur validation, a également été menée. Résumé de la phase 3 :

  • Tâche 3.1 : conception d’empreintes et intégration dans des outillages innovants.
  • Tâche 3.2 : fonctionnalisation des empreintes.
  • Tâche 3.3 : application des traitements de surface des empreintes.
  • Tâche 3.4 : simulation des échanges thermiques et mécaniques.

Dès la phase de conception, la réalisation d'une empreinte en acier et polymère a révélé des différences. En effet, l'impression 3D oblige à prévoir la prise en compte des tolérances de fabrication, ainsi que toutes les contraintes liées à ce procédé. Cependant, la technologie permet de concevoir des empreintes moins conventionnelles et d'avoir une certaine liberté de géométrie. Contrairement à la fabrication d'une empreinte en acier, l'impression 3D réduit de manière importante le nombre d'opérations d'usinage.

La fabrication additive offre une forte liberté de créativité et permet la conception de différents types de pièces à partir d'un seul et même procédé.

Phase 4 : validation de l'outillage générique par rapport aux procédés d'injection traditionnels

Le but de cette quatrième étape était de valider l’outillage par rapport au procédé d’injection plastique. Le bon comportement de celui-ci par rapport aux fortes chaleurs et aux fortes pressions qu’induit ce procédé a été vérifié, ainsi que la résistance des matériaux d'empreintes vis-à-vis de l'abrasion par la matière injectée. Cette phase a également permis d’estimer les performances techniques et économiques de l’outillage et de la pièce fabriquée à l’aide du cahier des charges et des premiers résultats de fabrication de l’outillage générique. Les gains de coûts de production ont ainsi été estimés. Résumé :

  • Tâche 4.1 : fabrication de l’outillage générique et de ses empreintes.
  • Tâche 4.2 : qualification de l’outillage générique évolutif en production de petites séries.
  • Tâche 4.3 : évaluation des performances techniques de l’outillage.
  • Tâche 4.4 : évaluation des coûts de production.

Les empreintes munies de la technologie Acapulco ont été testées en injectant des matières, des plus simples aux plus techniques (PP, POM, ABS, PC, PA6GF, etc.). Chaque essai d'injection a nécessité des paramètres de process bien définis, notamment pour accroître la durée de vie des empreintes avec certaines matières techniques. Les résultats ont été concluants, amenant de nouveaux travaux pour réaliser des outillages plus complexes, c’est-à-dire des outillages à tiroirs, à parois fines, à cales d'inserts métalliques, à texturation 3D, etc.

La fabrication additive permet de développer des pièces plastiques plus spécifiques et injectées avec des matières plus techniques. Dans l’un des démonstrateurs Acapulco, il a été injecté, dans des empreintes à blocs tombants avec démoulage à la main, des pièces de « ressort » en PA6 35 % fibre de verre, en vue de réaliser des petites séries.

Phase 5 : application du développement réalisé dans les tâches 2 à 4 aux démonstrateurs industriels

Le but de l’avant-dernière phase était de valider industriellement l’empreinte et l’outillage innovant. Toutes les matières/empreintes développées ont trouvé des applications dans des secteurs divers : l’automobile, la pharmaceutique et aussi l’aéronautique.

  • Tâche 5.1 : validation industrielle pour un démonstrateur pharmaceutique.
  • Tâche 5.2 : validation industrielle pour un démonstrateur automobile.
  • Tâche 5.3 : validation industrielle pour un démonstrateur aéronautique.
  • Tâche 5.4 : évaluations des performances technico-économiques des procédés.

Phase 6 : assurer la coordination du projet et dissémination des résultats

Pour clore ce projet, il a été décidé, entre les organismes financeurs et les partenaires, d’exploiter et de disséminer les résultats obtenus et de développer de nouveaux modules de formation associés aux nouvelles technologies développées durant le projet.

  • Tâche 6.1 : management du projet.
  • Tâche 6.2 : dissémination des résultats.

Pour conclure, deux points se sont révélés critiques lors de ce projet :

  • L’aspect en tenue mécanique notamment pour solidifier l’empreinte – élément tenant une place importante dans la conception en Design for Additive Manufacturing (DfAM).
  • L’aspect thermique et régulation, la résine étant moins conductrice de chaleur que les empreintes en acier.

Pour plus d’informations sur ce projet, ou un besoin d’accompagnement, vous pouvez contacter Polyvia, représentant des industriels de la plasturgie et des composites sur l’ensemble du territoire national.

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