La technologie de fabrication hybride est-elle l'avenir de la fabrication additive ?

[Crédit image :DMG Mori]

Alors que la fabrication additive et traditionnelle (soustractive) ont souvent été placées à des extrémités opposées du spectre, est-ce vraiment le cas ? À mesure que la technologie de fabrication progresse, les avantages de la fabrication hybride sont clairs. Les systèmes de fabrication hybrides, équipés à la fois de capacités de fabrication additive et soustractive, pourraient changer la donne pour l'industrie. Dans ce scénario, les technologies additives et soustractives, loin d'être des méthodes concurrentes, peuvent en fait grandement se compléter et ouvrir une gamme d'opportunités pour une fabrication améliorée et unique.

Qu'est-ce que la fabrication hybride ?

L'utilisation conjointe de technologies soustractives et additives n'est pas un concept nouveau :par exemple, le post-traitement des pièces imprimées en 3D implique généralement un usinage CNC pour obtenir une plus grande précision et une finition de surface plus lisse. Cependant, il existe également une autre façon de combiner les deux méthodes, aboutissant à ce que l'on appelle la fabrication hybride.

Lorsque nous parlons de fabrication hybride, nous faisons référence à la combinaison de l'additif et de la soustractive processus de fabrication au sein d'une même machine .

La fabrication hybride exploite les capacités les plus précieuses des deux technologies :la complexité géométrique de la fabrication additive et la haute précision des méthodes soustractives. Cela signifie qu'une fois qu'une pièce peut être créée et usinée de manière additive en une seule opération, ce qui accélère le processus de production.

Bien entendu, cela signifie que la conception de tout composant hybride doit être réalisée en tenant compte à la fois des exigences de fabrication additive et soustractive.

Combiner le meilleur des deux mondes

L'une des applications des systèmes de fabrication hybrides est la production à faible volume de pièces métalliques. Les machines construites à cet effet utilisent généralement un système de fraisage CNC auquel des capacités additives sont ajoutées, telles que l'impression 3D buses, par exemple.

Malgré la complexité de conception offerte par l'impression 3D métal, les pièces métalliques nécessitent un post-traitement important, en partie pour surmonter les finitions de surface rugueuses. Et tandis que l'usinage CNC est limité lorsqu'il s'agit de produire des géométries complexes, il offre un degré élevé de précision.

Imperial Machine &Tool Co. est une entreprise qui a développé une technologie de fabrication hybride; ici, les systèmes AM sont utilisés pour produire des pièces métalliques complexes d'utilisation finale, qui sont ensuite usinées CNC pour une précision dimensionnelle.

Technologies hybrides - Ce qui est sur le marché

Dépôt d'énergie direct (DED) est une méthode de fabrication additive qui peut être utilisée dans de telles solutions hybrides. DED fonctionne en faisant fondre le matériau par un laser ou un faisceau d'électrons lorsqu'il est déposé à travers une buse sur la plate-forme de construction. Le matériau déposé peut ensuite être fraisé CNC pour obtenir une meilleure finition de surface et des tolérances plus serrées. Alternativement, une pièce peut d'abord être fraisée, puis des fonctionnalités supplémentaires construites de manière additive pour créer des formes plus complexes. La technologie DED est une option idéale pour produire de grandes pièces métalliques et réparer des composants clés.

La société américaine Hybrid Manufacturing Technologies a été la première à développer un système hybride de dépôt et de fraisage nommé AMBIT™ en 2013. Le La caractéristique la plus distinctive du système AMBIT est ses têtes de dépôt brevetées qui peuvent être ajoutées à n'importe quelle machine CNC pour produire de nouvelles pièces ou réparer des pièces existantes, avec un processus de changement automatisé.

Découvrez le système AMBIT de l'entreprise ici :

DMG MORI est un autre acteur clé dans le domaine de la fabrication hybride. Sa machine hybride LASERTEC 65 3D propose une buse de dépôt de matière 5 axes, permettant de réaliser des pièces métalliques très complexes. La société américaine Optomec mérite également d'être mentionnée :la société propose deux solutions hybrides basées sur sa technologie propriétaire LENS. D'une part, sa série de machines additives hybrides, dont la plus récente (le système LENS 850-R) est adaptée aux pièces métalliques de grandes dimensions, et d'autre part sa série de machines-outils, qui peuvent être intégrées dans une plateforme CNC standard.

Les avantages de la fabrication hybride

Les avantages de ce type de fabrication hybride sont multiples. Premièrement, grâce aux taux de dépôt élevés de la technologie DED et au fraisage CNC, qui peut être immédiatement utilisé pour finir une pièce imprimée en 3D, les délais de production des pièces métalliques peuvent être accélérés, ce qui accélère la mise sur le marché.

Deuxièmement, les systèmes de fabrication hybrides DED fabriquent des pièces métalliques très précises et denses dans des tailles plus grandes que les processus de fusion sur lit de poudre ne le permettraient. De plus, ces systèmes comportent généralement un bras multi-axes, qui est capable de construire une pièce dans n'importe quelle direction sans avoir besoin de structures de support.

Un autre avantage des systèmes hybrides DED est que différents métaux peuvent être utilisé dans la même pièce. Par exemple, un système hybride peut commencer par usiner un bloc d'un métal puis passer à un autre en utilisant la fabrication additive. Le revêtement est souvent réalisé de cette manière.

Le frittage laser peut également être couplé à un fraisage CNC, ce qui donne un processus hybride sur lit de poudre. Matsuura Machinery Corp. est le principal fabricant de tels systèmes, proposant sa série LUMEX de machines de « fabrication hybride par frittage laser de métal ».

En combinant le frittage laser sélectif et une plateforme d'usinage pouvant accueillir jusqu'à 20 outils (le LUMEX Avance-60), les systèmes LUMEX peuvent produire des pièces sans finition ultérieure. La broche d'usinage présente dans les systèmes est également capable d'atteindre les structures internes au fur et à mesure de leur impression, créant des pièces de haute précision. Cela ne serait pas possible avec la fabrication additive seule, au cours de laquelle une pièce est d'abord imprimée puis envoyée en finition.

Selon Matsuura, cette technologie hybride est particulièrement bénéfique pour l'industrie de fabrication de moules, car elle est capable de réduire de moitié les coûts de fabrication des moules et des matrices par rapport aux méthodes conventionnelles. Cependant, d'autres industries peuvent également tirer parti de la technologie hybride à lit de poudre, créant des composants de grande valeur avec un poids réduit et une fonctionnalité améliorée.

De plus, des moules dotés de canaux de refroidissement conformes complexes peuvent être fabriqués de manière additive puis usinés avec des machines AM hybrides à lit de poudre, ce qui permet d'obtenir des moules d'injection 50 % plus rapides tout en améliorant la durée de vie de l'outil de plus de 30 %.

Applications

Alors que les industries aérospatiale et automobile sont pionnières dans la technologie de fabrication hybride (ces industries ont généralement des lots uniques ou petits de pièces très complexes soumises à des itérations fréquentes), la fabrication hybride pourrait devenir une solution viable pour diverses applications médicales.

Bien que les systèmes de fabrication hybrides n'aient pas encore été développés spécifiquement pour les applications médicales, l'impression 3D de pièces médicales et leur usinage par la suite est déjà un processus largement utilisé dans l'industrie. Cependant, avec l'avènement de la fabrication hybride, des prothèses et des implants dentaires spécifiques au patient de haute précision pourraient être produits encore plus rapidement et de manière plus rentable.

Cependant, la fabrication additive hybride est peut-être encore plus intéressante dans le domaine des opérations de réparation et de maintenance. Un exemple est GE, qui a utilisé le système hybride d'Hybrid Manufacturing Technologies pour réparer les aubes de turbine. Grâce à la fabrication hybride, les éléments usés et les parties endommagées d'une aube de turbine peuvent être réparés en déposant un nouveau matériau sur sa surface, puis en l'usinant avec des tolérances précises.

Cela élimine non seulement le besoin de produire une nouvelle pièce à partir de zéro, mais réduit également le nombre d'étapes nécessaires pour réparer une pièce. Dans un cas, le système hybride était même capable de modifier la forme de la racine de la pale en ajoutant une fonctionnalité pour une meilleure efficacité énergétique. Cela ne serait pas rentable avec des méthodes de fabrication uniquement traditionnelles comme le moulage.

Le chemin à parcourir

Bien que la fabrication hybride en soit encore aux premiers stades de développement, les avantages qu'elle pourrait offrir à l'industrie manufacturière sont infinis, des délais de livraison plus courts aux pièces complexes qui seraient autrement impossibles à créer. De nombreuses recherches sont menées sur le terrain :par exemple, l'Université de Loughborough est pionnière dans ce qu'elle appelle la FA hybride et multi-systèmes pour les systèmes métalliques et polymères. À terme, les technologies hybrides pourraient changer la donne industrielle, ouvrant la voie à une fabrication tout-en-un plus durable.

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AM hybride et multi-systèmes, automatisation AM et plus :entretien avec le professeur Ian Campbell de l'Université de Loughborough