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53 I novembre-décembre 2017 I Soudage et Techniques Connexes études et recherch

53 I novembre-décembre 2017 I Soudage et Techniques Connexes études et recherche Clément BOURLET1 Fabrice SCANDELLA2 INSTITUT DE SOUDURE RECHERCHE ET ENSEIGNEMENT Laurent JUBIN3 CETIM Cet article est un état de l'art de la fabrication additive utilisant un produit d'apport sous forme de fil. Les différentes technologies, leurs caractéristiques et les principaux paramètres de fabrication sont détaillés. Pour chaque technologie, des exemples d'applications sont donnés. Les stratégies de dépôt et de fabrication sont abordées. Un choix judicieux de ces stratégies est nécessaire pour obtenir la géométrie de pièce souhaitée et des propriétés mécaniques adéquates. Les contraintes résiduelles et les déformations engendrées en cours de fabrication sont un inconvénient majeur de la fabrication additive. Des logiciels de simulation numérique permettraient de les anticiper, mais il s'agit d'un véritable verrou technologique car aucun outil n'est aujourd'hui capable de simuler les contraintes générées par le dépôt de milliers de passes. 1. CONTEXTE à la demande de la Commission Interprofessionnelle Soudage de la Fédération des Industries Méca- niques (CIS-FIM), l'Institut de Soudure a réalisé une étude bibliographique exhaustive sur les procédés de fabrication additive métallique utilisant un pro- duit d'apport sous la forme de fil. Pour ce faire, une synthèse des résultats scientifiques et techniques actuellement disponibles dans la littérature interna- tionale a été réalisée. Les points abordés concernent notamment la complexité (morphologie) des pièces que l'on peut obtenir et les techniques et stratégies de fabrication. L'objectif de cette étude était de disposer d'un guide technique permettant de juger de la pertinence des procédés de fabrication addi- tive avec fil pour la fabrication de sous-ensembles de moyennes et grandes dimensions destinés aux industries de la mécanique. 2. INTRODUCTION La fabrication additive est une technologie qui per- met la réalisation de pièces par ajout successif de matière. Elle se différencie des méthodes tradition- nelles de fabrication comme l'usinage, la forge et la fonderie, qui sont soit soustractives ou de formage. La réalisation d'une pièce couche par couche permet une grande liberté de conception, il est possible de réaliser des pièces creuses ou de forme complexe. La conception est donc différente et de nouvelles méthodes sont utilisées comme par exemple l'ap- proche topologique. Dans un premier temps, la fabri- cation additive a été utilisée pour la réalisation de maquettes d'aspect ou fonctionnelles et des pièces prototypes. Mais avec l'évolution des technologies, la fabrication additive devient aujourd'hui un outil de production [1]. La réalisation d'une pièce par fabrication additive se fait en plusieurs étapes qui sont généralement : la conception, le tranchage, la programmation, la fabrication et le parachèvement (cf. Figure 1). à l'issue de la conception (CAO) un fichier d'échange est généré. Le format STL est souvent utilisé, mais d'autres formats seront amenés à voir le jour, comme le format AMF défini dans la norme ISO/ ASTM 52915 [2]. L'étape suivante est le tranchage de la pièce en couches horizontales, l'épaisseur des couches étant définie en fonction de la technologie état de l'art de fabrication additive métallique avec du fil 1. c.bourlet@isgroupe.com 2. f.scandella@isgroupe.com 3. laurent.Jubin@cetim.fr Figure 1 : Principe de la fabrication additive [54]. 1 2 3 4 5 FINAL PRODUCT CAD-based 3D model .STL ﬁle Sliced layers AM system End part ﬁnishing 1710_0133_P_053_066_ETUDES_ET_RECHERCHE.indd 53 14/11/2017 10:44 54 Soudage et Techniques Connexes I novembre-décembre 2017 I conjoncturE études et recherche et des paramètres de fabrication. L'orientation de la pièce dans l'espace a une influence notable sur la fabrication et le résultat final : il est donc néces- saire d'en tenir compte. Chaque couche est ensuite traitée pour définir les trajectoires de fabrication en fonction de paramètres d'entrée. Ces trajectoires sont ensuite compilées pour générer un programme de fabrication pouvant être lu par la machine ou le robot. Vient ensuite la fabrication de la pièce, qui peut être une opération longue en fonction du taux de dépôt/fabrication. Une fois la pièce fabriquée et généralement après un traitement thermique de détensionnement, des opérations de parachèvement (usinage, polissage, etc.) sont mises en œuvre pour obtenir la pièce finale. Les différentes technologies de fabrication additive sont définies dans la norme ISO 17296-2 [3]. Parmi les sept catégories, quatre peuvent mettre en œuvre du métal [4] : • projection de liant (binder jetting) : « procédé de fabrication additive dans lequel un agent de liai- son liquide est déposé de manière sélective pour assembler des matériaux poudreux » ; • fusion sur lit de poudre (powder bed fusion) : « procédé de fabrication additive dans lequel l'éner- gie thermique fait fondre de manière sélective cer- taines zones d'un lit de poudre » ; • dépôt de matière sous énergie concentrée (directed energy deposition) : « procédé de fabrication additive dans lequel l'énergie thermique focalisée est utilisée pour faire fondre les matériaux pendant leur dépôt » ; • stratification de couches (sheet lamination) : « procédé de fabrication additive dans lequel des couches de matériau sont liées pour former un objet ». Les matières premières mises en œuvre peuvent être des liquides, des poudres, des fils ou des plaques. Les technologies mettant en œuvre des fils sont sou- vent des technologies de soudage/rechargement qui sont mises à profit en fabrication additive. La source d'énergie peut être un laser, un faisceau d'électrons ou un arc électrique [5]. L'idée de déposer de la matière couche par couche avec un arc électrique n'est pas nouvelle, Ralph Baker ayant déposé un brevet en 1920 pour la fabrication d'objet décoratif (cf. Figure 2) [6]. L'intérêt majeur de l'utilisation d'un fil est le taux de dépôt, qui est très largement supérieur à celui obtenu avec des technologies de type lit de poudre. Le second avantage est la possibilité de réaliser des pièces de grandes dimensions, alors que les machines utilisant un lit de poudre ont des enceintes dépassant rarement 400#400#400 mm3. Par ail- leurs le coût de la machine (par exemple un robot polyarticulé équipé d'une torche MIG-MAG) est bien plus faible que celui des machines dédiées à la fabri- cation additive. Néanmoins les pièces fabriquées à partir de fil ne peuvent avoir la complexité de celles obtenues par lit de poudre : ces technologies ne sont donc pas concurrentes, mais complémentaires. 3. TERMINOLOGIE Le vocabulaire défini ici permet de différencier les directions, les vitesses et les différentes parties d'une pièce fabriquée additivement (cf. Figure 3) : • Substrat : Support sur lequel la pièce est fabri- quée. • Dépôt ou passe : Apport de matière obtenu avec une source de chaleur et un fil métallique. • Couche : Ensemble des passes déposées à une hauteur donnée par rapport au substrat. Une couche peut être constituée d'une ou de plusieurs passes. • Direction de dépôt : Direction de déplacement de l'impact de la source de chaleur sur le substrat ou la couche inférieure. Elle correspond également à la direction suivant laquelle la passe est réalisée. • Direction de fabrication : Direction suivant laquelle la pièce est fabriquée. Elle est normale à la couche. • Vitesse de dépôt : Vitesse à laquelle se déplace le point d'impact de la source de chaleur par rapport au substrat ou à la couche inférieure. • Taux de dépôt : Quantité de métal déposée par unité de temps lors d'un dépôt continu. Il est généra- lement exprimé en kg/h ou en cm3/h. • Vitesse de fil : Vitesse de dévidage du fil dans le bain de fusion. • Vitesse de fabrication : Vitesse à laquelle la pièce est fabriquée. Elle tient compte des temps d'arrêt, de refroidissement, ou d'autres opérations telles que du nettoyage entre couches. Il ne faut pas confondre vitesse de fabrication et taux de dépôt, car les unités peuvent être les mêmes. 4. LES PROCéDéS DE FABRICATION AVEC FIL Les procédés utilisant un produit d'apport sous la forme de fil peuvent être classés en trois catégories selon leur source d'énergie : le laser, le faisceau d'électrons et l'arc électrique [5]. Outre la source d'énergie, ce qui les différencie est la précision de dépôt, le taux de dépôt et le coût d'une installation. Dans cette partie, les trois catégories de procédés sont passées en revue de façon approfondie. Des solutions technologiques dédiées à la fabrication additive sont présentées et discutées. 4.1 Laser + fil En anglais, le sigle WLAM (Wire and Laser Additive Manufacturing) est utilisé. Une installation de fabri- cation additive laser-fil est constituée : d'un robot ou d'un portique à commande numérique, d'une source laser, d'une tête de soudage, d'un système d'amenée de fil et d'accessoires annexes comme un dispositif pour la protection gazeuse ou le préchauffage de la pièce. Lors de la fabrication, les photons créent un bain de fusion sur le substrat (ou sur la couche dépo- sée précédemment) et font fondre le produit d'apport pour obtenir un dépôt. Ceci implique un réglage pré- cis de la tâche focale et de la position du fil pour obtenir une forme et un aspect de cordon corrects. Le coût d'une installation laser est compris entre 0,5 et 1 M€ pour une source laser à solide de 4 kW et un volume de travail de 500#500#500 mm3 à 3#3#1 uploads/Industriel/etat-de-l-x27-art-de-fabrication-additive-metallique-avec-du-fil.pdf