DLR dévoile EmpowerAX, plateforme pionnière pour l'impression 3D à fibres continues à l'échelle industrielle

Pourquoi l'extrusion additive ?

Le Centre aérospatial allemand (DLR) mène l'innovation dans tout, des véhicules de lancement spatiaux et avions, aux technologies numériques et mobilité de nouvelle génération. Dans les composites, il a fait progresser une large gamme de technologies, du soudage de composites thermoplastiques et infusion de résine liquide de structures aéroprimaires aux systèmes de production intelligents Composites 4.0, pour n'en nommer que quelques-uns.

Maintenant, l'Institut des structures composites et systèmes adaptatifs du DLR (Braunschweig, Allemagne) vise à aider à industrialiser l'impression 3D de composites à fibres continues en établissant une plateforme mondiale diversifiée, orientée par la demande, pour les utilisateurs et fournisseurs de technologies d'Extrusion Additive appelée EmpowerAX.

Le DLR a discuté d'EmpowerAX à ITHEC 2020, et j'ai fait un suivi avec Xenia Stumpf et Maik Titze au DLR. Voici ce que j'ai appris.

« Nous développons des technologies d'imprégnation de fibres avec thermoplastiques pour une production plus industrielle et rentable », explique Maik Titze, responsable de la fabrication additive à l'Institut des structures composites et systèmes adaptatifs du DLR à Braunschweig. « Cela inclut la conception de nos propres têtes d'impression industrielles et le développement de méthodes d'analyse et de test des matériaux et procédés. » Il note que l'extrusion additive utilisant des fibres continues offre non seulement une résistance et une rigidité accrues, mais aussi la possibilité d'intégrer des fonctions de détection et électriques. L'extrusion additive combine thermoplastiques et fibres continues pour créer des structures multifonctionnelles qui évitent les coûts d'outillage élevés, améliorent l'efficacité de production et permettent de nouveaux designs.

« La fabrication additive ne remplacera pas tous les procédés composites conventionnels », concède Titze, « mais elle peut être combinée avec des procédés tels que le dépôt automatisé de fibres (AFP) ou le bobinage de filaments, par exemple, pour fournir des solutions et de la valeur nouvelles. Parce que nous ne travaillons qu'avec l'impression 3D à fibres continues, EmpowerAX est vraiment focalisé, ce qui nous permettra d'atteindre un haut niveau de résultats. Mais au sein de l'extrusion additive, EmpowerAX est neutre technologiquement. Nous ne pousserons aucune technologie spécifique. »

Plateforme mondiale diversifiée

« Actuellement, il est difficile de comprendre laquelle de ces technologies conviendrait à votre application et ce qui doit être fait pour l'adapter à votre environnement industriel et vos applications », continue Titze. « Notre objectif est d'examiner le spectre de ce qui est disponible, y compris les fournisseurs et les utilisateurs, et de mettre en place une plateforme diversifiée qui couvre les secteurs de marché, incluant l'aérospatial, l'automobile, le médical et l'industriel, par exemple. Cette plateforme, EmpowerAX, donne alors la capacité de faire une évaluation technologique neutre, et nous travaillerons avec l'industrie pour développer des mesures de standardisation et de qualification pour aider à augmenter la facilité d'utilisation de telle technologie. L'idée n'est pas de développer une nouvelle norme avec les fournisseurs et utilisateurs technologiques, mais de s'accorder sur la façon de faire une évaluation technologique et quels indicateurs de performance utiliser. »

L'adhésion à EmpowerAX est volontaire et mondiale. L'anglais est la langue utilisée pour le travail. Il y a plus de 30 membres actuellement, comprenant des fournisseurs de technologies et de grands utilisateurs de technologies. « Nous sommes financés en interne pour jusqu'à 6 employés par an », dit Titze. « Ils soutiendront le travail nécessaire pour maintenir cette plateforme mondiale. Nos membres ont accepté de collaborer sur la base que nous ne partagerons pas d'informations avec le public mais seulement avec les membres d'EmpowerAX. L'adhésion est actuellement gratuite, mais nous n'acceptons actuellement que les organisations déjà impliquées dans l'extrusion additive de fibres continues. Après mai 2021, nous ouvrirons davantage l'adhésion. » La seule autre exigence, note-t-il, est que « vous devez être prêt à partager des informations et à contribuer. Vous ne pouvez pas simplement prendre. Il n'y a pas d'adhésion passive. »

Étapes de sélection technologique

L'idée, dit Titze, n'est pas seulement de transférer la technologie vers des industries utilisant déjà les composites, mais aussi d'utiliser EmpowerAX comme un levier pour élargir le marché et les applications des composites. « Par exemple, dans l'industrie médicale, quelles exigences spéciales doivent être satisfaites ? Qu'est-ce qui doit être fait pour les satisfaire ? Comment pouvez-vous assurer la qualité dont vous avez besoin et comment cela peut-il être atteint pour un environnement de production industrielle ? »

Pour répondre à ces questions, EmpowerAX propose une approche par étapes. « La première étape est la sélection technologique », dit Titze. « Si vous, en tant qu'utilisateur potentiel, voulez voir si une technologie fonctionnera pour votre application, alors nous regardons des choses comme les limitations géométriques, les volumes de production et les exigences d'intégration pièces/fonctions, etc. Nous convenons avec tous les membres d'une liste prédéfinie d'environ 15 paramètres, comme la résistance et la rigidité spécifiques, et puis nous pré-identifions la pertinence des différentes technologies, selon ce que votre application requiert. Par conséquent, nous coopérons avec les fournisseurs de matériaux/technologies pour obtenir les données de paramètres standard et les évaluer à l'avance. Nous travaillons ensuite avec les fiches techniques des fournisseurs de matériaux/technologies pour obtenir les données de paramètres standard. Ainsi, par exemple, sur 10 solutions disponibles, pendant cette première étape, vous pouvez réduire à peut-être trois, et ensuite commencer à évaluer les données pour les comparer. »

L'évaluation des exigences spécifiques est l'étape suivante. Par exemple, si cette application est dans les intérieurs ferroviaires ou aéronautiques, alors les paramètres de performance feu, fumée et toxicité (FST) seront nécessaires. « Après cela », dit Titze, « nous définirons si des personnalisations sont requises pour faire fonctionner chaque technologie pour votre application et déterminer les efforts requis. »

L'objectif est de donner une quantification de la façon dont les technologies finalistes pour une application donnée se mesurent en termes de faisabilité technologique et de combien de travail/temps/coût il faudra pour transférer la technologie pour une utilisation industrielle. « Après avoir traversé ces étapes d'évaluation, il devrait être facile pour vous de comprendre quelles étapes sont requises pour rendre chaque technologie possible pour votre application », explique Titze. « Pour les fournisseurs de technologies, cela conduit à un transfert technologique plus rapide vers de nouveaux marchés et réduit leur investissement et effort. Cela identifie aussi de vrais cas d'affaires bien adaptés à leur technologie, où ils ont des forces. »

Standardisation et qualification

Une autre partie clé de la vision EmpowerAX est d'aider à faire mûrir les technologies d'extrusion additive via la standardisation et la qualification. « Nous avons déjà étudié quelles normes existent et lesquelles pourraient fonctionner pour ces technologies, par exemple au sein d'ASTM, ISO et VDI (normes gouvernementales allemandes) », dit Titze. « Donc, il s'agit d'examiner les tests standard, ce qui fonctionne, ce qui ne fonctionne pas et quelles modifications sont nécessaires. C'est un travail que la plupart des entreprises aimeraient éviter car il est fastidieux, chronophage et coûteux. Il est bien meilleur pour l'industrie si tout le monde ne réplique pas ces efforts. Ainsi, notre objectif est d'aider à atteindre des normes plus rapides pour une maturité accrue, mais avec un large ensemble d'entrées de l'industrie et de transparence vers l'industrie. »

« Aussi, si vous combinez une technologie d'extrusion additive particulière avec d'autres étapes de procédé, vous devrez l'intégrer et implémenter des normes d'assurance qualité », souligne Titze. « Cela inclut les essais non destructifs (END), capteurs et logiciels. Nous avons déjà commencé en compilant un catalogue de défauts possibles et déviations de procédé. Comment pouvez-vous les éviter et les détecter ? Que pouvez-vous faire pour y remédier s'ils surviennent ? Nous pourrons alors commencer à assembler une base de données d'options possibles d'END et de surveillance de procédé. »

Calendrier pour EmpowerAX

« Notre premier objectif est de fournir un cadre pour ce qui est industriellement disponible aujourd'hui », dit Titze. « Nous n'essayons pas d'ouvrir davantage le spectre des systèmes pour l'instant, mais voulons plutôt montrer ce qui existe et comment ces technologies peuvent être utilisées. Nous croyons que certaines améliorations viendront juste par des tests et évaluations systématiques. Nous voyons aussi des avantages à pouvoir afficher ce qui est possible avec les technologies actuelles. En plus, en identifiant les obstacles, nous pouvons avoir une discussion sur la façon de les surmonter, ce qui fournit d'autres améliorations et maturation des technologies. »

« Nous voyons l'extrusion additive comme un chemin potentiellement plus facile pour les entreprises nouvelles aux composites versus des procédés impliquant des autoclaves ou infusion de résine », note Titze. « Nous la voyons aussi comme bien adaptée pour des résultats plus industriels. EmpowerAX est aussi à propos de regarder les applications industrielles et d'adresser les obstacles qui ont empêché l'utilisation de composites par extrusion additive à ce jour. Par exemple, les lacunes actuelles incluent la répétabilité et la stabilité du procédé. La technologie a été poussée sur le marché relativement rapidement, donc il y a des domaines qui ne sont pas encore à un niveau de maturité pour être utilisés largement. Alors, c'est ce que nous faisons. Nous visons à montrer ce qui peut être fait et ce qui doit être fait et puis travailler collaborativement pour compléter ce travail, faisant avancer à la fois les technologies ainsi que les utilisations finales réussies dans l'industrie. »

Plus d'informations peuvent être trouvées sur le site du DLR.