Solutions d'impression modulaires de précision pour automobile et aérospatial

APS Tech Solutions est une division d'Automatisierte Produktions Systeme GmbH à Höchst, Autriche. Fondée en 1987, l'entreprise fournit des solutions d'ingénierie, mécaniques et robotiques pour découpe jet d'eau 3D et machines d'outillage utilisées dans les marchés automobile, aéronautique et mécanique.

« Il y a trois ans, nous voulions une imprimante 3D très polyvalente, mais ne trouvions rien qui répondait à nos exigences », dit Nicolai Wampl, développement commercial pour APS Tech Solutions. « Alors, nous avons créé notre propre système, le Wizard 480+, que nous avons lancé l'an dernier. Il peut imprimer avec fibres continues, filaments thermoplastiques standards, métal ou céramique. »

Le Wizard 480+ a un volume d'impression de 400 mm long x 230 mm large x 370 mm haut et un plateau d'impression qui peut être chauffé jusqu'à 200°C. Buses pour impression filament fibres continues peuvent être chauffées jusqu'à 500°C.

Avons-nous vraiment besoin d'une autre imprimante de bureau pour composites industriels ? « Notre but n'était pas une imprimante de bureau pour usage industriel mais plus une vraie machine industrielle », dit Wampl. « Nous voulions une imprimante polyvalente sans restrictions mais avec une configuration qui n'est pas écrasante. Par exemple, vous pouvez modifier une imprimante de bureau bas coût pour être plus polyvalente, mais ça demande beaucoup de savoir-faire et temps. De l'autre côté, une imprimante industrielle où vous pouvez imprimer pièces haut volume dans une poignée de matériaux, mais si vous voulez imprimer quelque chose de nouveau, ça devient difficile. Nous voulions imprimer des pièces en utilisant chaque matériau sur le marché, mais en haute qualité. » Par exemple, la pièce de rechange pour un outil d'estampage discutée ci-dessous requérait une précision de 0,02 mm.

« Les machines de découpe jet d'eau 3D et d'outillage qu'on utilise doivent être précisément construites pour opérer correctement », explique Wampl. « Nous avons mis cette connaissance dans le Wizard 480+ pour augmenter la précision des pièces imprimées. Une autre différence est qu'on a un système de changement d'outil comme sur une machine CNC, qui nous permet d'utiliser plusieurs types de matériaux dans une impression. Par exemple, si un client veut utiliser deux types différents de fibres continues dans une seule impression, c'est possible parce que les têtes d'impression sont échangeables. Les impressions peuvent utiliser plastiques haute performance comme PEEK [polyétheréthercétone] et PEKK [polyéthercétonecétone], ainsi que polyamide [PA] et filaments FDM [modélisation par dépôt fondu] commercialement disponibles. Pas chaque pièce a besoin de fibres continues. Nous avons aussi une tête d'impression pour pièces vertes céramique et métal simples utilisant acier ou titane, par exemple. Notez que pièces céramique et métal auraient besoin d'être frittées dans une seconde étape et n'incluraient pas plastiques à cause de ce post-traitement haute température. »

Système ouvert

« La plupart des entreprises ont deux machines séparées pour métaux versus non-métaux », note Wampl. « Mais pour nouveaux développements, vous ne voulez pas avoir à acheter une nouvelle imprimante chaque fois que vous testez un nouveau matériau. Nous ne voulions pas un système fermé et restrictif, mais au contraire un système modulaire, flexible, avec lequel vous pouvez améliorer ou changer les pièces imprimées. » Par exemple, le client peut vouloir imprimer avec fibres continues et polyuréthane thermoplastique (TPU). « C'est un matériau difficile car sa viscosité chute si rapidement qu'il est dur de maintenir la constance pendant l'impression. Mais nous voulions une imprimante qui pouvait accommoder ça. »

Le Wizard 480+ est conçu pour imprimer avec n'importe quel filament continu, incluant fibres de verre ou fil de cuivre. « Notre filament standard fibres continues est 1K carbone/PA mais nous avons aussi utilisé PEEK et PLA [acide polylactique] et nous pouvons aller jusqu'à 3K carbone », dit Wampl. APS Tech Solutions veut fournir des filaments fibres continues au marché, mais son imprimante n'est pas restreinte à ceux-ci.

Le Wizard 480+ est aussi ouvert dans son logiciel. « Nous avons toujours eu besoin d'ingénierie spéciale », dit Wampl, « et c'est pourquoi nous voulions avoir le plus de contrôle possible. Avec beaucoup d'imprimantes, vous êtes un peu restricté par le logiciel. Mais avec notre logiciel, vous pouvez placer les fibres exactement où vous les voulez, et vous n'êtes pas restricté par aucun algorithme. Bien que vous puissiez utiliser un algorithme pour générer où les fibres devraient être, nous voulions que les ingénieurs contrôlent comment placer les fibres parce qu'ils savent comment la pièce doit être utilisée et quel genre de forces finissent où. »

Cela dit, le système est relativement facile à utiliser, dit Wampl. « Par exemple, pour imprimer avec deux matériaux différents vous créez deux pièces différentes en CAO. Vous choisissez ensuite quelle pièce est imprimée dans quel matériau en utilisant Simplify3D [Cincinnati, Ohio, États-Unis], un logiciel de tranchage utilisé pour beaucoup d'imprimantes 3D industrielles. Nous avons ensuite un post-processeur qui crée le G-code pour imprimer. Simplify3D permet la configuration de tous les paramètres d'impression comme hauteur de couche, densité d'infill. Pour le post-traitement, vous faites juste glisser-déposer le fichier, et il sera ajusté à notre machine parce qu'on a des fonctionnalités – comme le changeur d'outil et l'utilisation de filaments fibres continues – qui ne sont pas très communes. »

« Nous n'avons vraiment qu'une restriction », dit Wampl, « qui est la longueur du filament imprimé. Nous avons une longueur minimum de 20 mm. Si un ingénieur fait une longueur imprimée particulière plus courte que 20 mm, alors on rencontre des complications, et le post-processeur vous dit que c'est pas possible. »

Qualité attendue, livrée

Le premier client Wizard 480+ a été le fabricant d'outils d'estampage haute performance Stepper Fritz GmbH & Co. KG (Pforzheim, Allemagne). « Ils avaient besoin d'une pièce de rechange pour un de leurs outils et ont demandé si on pouvait l'imprimer », dit Wampl. « Ils avaient eu du mal à trouver une imprimante 3D pour le travail due à la géométrie complexe et combinaison matériaux requise, incluant fibres continues carbone, matrice thermoplastique et supports hydrosolubles. » La version précédente de cette pièce était faite en aluminium usiné CNC. « Nous avons imprimé la pièce sans changements de forme et aussi intégré des filetages pour inserts », note Wampl. « Nous avons utilisé un filament PA chargé fibres de carbone hachées standard pour l'enveloppe externe et notre filament fibres continues carbone/PA pour l'intérieur. »

Stepper a évalué la pièce, déterminé qu'elle respectait la précision requise, et a commandé notre première machine, dit Wampl. « Ils la font tourner depuis juillet 2020 sans aucun problème et nous disent qu'elle produit encore des pièces avec cette précision. »

La haute qualité est aussi une caractéristique des composites renforcés fibres tels qu'imprimés, comme montré dans la micrographie de l'image d'ouverture, en haut. Avec cinq couches de filament PEEK renforcé fibres continues carbone 1K d'APS Tech Solutions, la pièce a été coupée et micrographiée juste après impression, sans consolidation supplémentaire ni post-traitement. Le matériau a aussi été testé à la FH Vorarlberg (Université des Sciences Appliquées de Vorarlberg, Allemagne) et micrographié à l'Université de Bayreuth (Bayreuth, Allemagne). Les résultats montrent une résistance à la traction de 1060 mégapascals et une résistance à la flexion de 750 mégapascals. « Cependant, c'était des tests très préliminaires et nous préparons maintenant des tests plus standardisés, pendant lesquels nos techniciens croient qu'on atteindra des propriétés encore plus hautes » dit Wampl.

« Nos ventes, pour l'instant, sont principalement vers universités et entreprises comme Stepper qui ne sont pas satisfaites de ce qui est sur le marché », dit Wampl. « Il y a des imprimantes 3D fibres continues avec bonne technologie, mais la plupart sont restrictives en matériaux ou logiciel. Notre but est de servir clients qui ont besoin de la plus haute qualité de pièces aussi bien que flexibilité, telles qu'entreprises d'ingénierie mécanique et de spécialité, ainsi que celles travaillant en science des matériaux et développement. »

L'entreprise continue de travailler sur ses propres nouveaux développements, tels qu'adapter son système pour un bras robotique six axes et matériaux pour applications spatiales. « Nous croyons que les composites imprimés 3D ont une application bien plus large que ce qui a été vu jusqu'ici, mais nous élargissons ces horizons et permettons de nouvelles possibilités pour pièces industrielles. »