Développement de normes pour l'impression 3D :où en sommes-nous aujourd'hui ? (Mise à jour 2020)

La route vers la normalisation pour les industries et technologies émergentes peut être longue et ardue. Mais pour qu'une industrie développe un marché fort, le besoin de processus standardisés devient de plus en plus important.

L'impression 3D a atteint ce moment décisif :46 % des entreprises interrogées par EY prévoient d'appliquer la technologie à la production de pièces finies d'ici 2022. De toute évidence, alors que la technologie continue d'évoluer vers la production, le besoin de la standardisation est plus aiguë que jamais.

Les avantages de la standardisation pour l'impression 3D

La normalisation fait référence aux meilleures pratiques, réglementations et références qui guident les industries et les organisations. Pour une technologie émergente et perturbatrice comme l'impression 3D, les normes peuvent fournir une base indispensable pour faciliter une adoption plus large de la technologie, d'autant plus que le marché continue de croître. Les avantages pour une meilleure assurance qualité et une meilleure cohérence des processus sont clairs.

Cependant, le chemin vers une plus grande standardisation de la fabrication additive n'est pas simple. Les origines numériques de la fabrication additive signifient qu'il y a des facteurs supplémentaires à prendre en compte que pour la fabrication traditionnelle, de l'utilisation de formats de données aux directives pour les processus de conception et de production.

Nous voyons deux avantages fondamentaux de la standardisation pour la 3D impression :

1. Assurer la cohérence

Produire systématiquement des pièces de haute qualité et assurer un processus répétable à chaque fois reste l'un des défis actuels de la fabrication additive.

La production additive consiste en un réseau complexe de variables, des matières premières à l'optimisation de la conception et aux processus de fabrication, qui à leur tour nécessitent une interaction entre une infrastructure logicielle et matérielle. Chacune de ces étapes doit être suivie, évaluée et contrôlée pour assurer la répétabilité et la fiabilité des pièces imprimées en 3D, tout en évitant une approche d'essai et d'erreur coûteuse.

La normalisation peut aider à définir les paramètres de chaque étape de la production de FA, en aidant à créer un processus cohérent à chaque étape du processus. De cette façon, une entreprise peut comparer la qualité de ses processus de FA par rapport à un ensemble de critères préliminaires. Cela garantit que le résultat de qualité souhaité est atteint.

2. Respect des normes réglementaires

Dans les secteurs hautement réglementés comme le médical, l'automobile, l'aérospatiale et la défense, les problèmes de certification des produits peuvent également retarder l'adoption plus large de la FA. Les pièces produites avec des technologies additives ont des propriétés qui peuvent être très différentes de celles obtenues avec la fabrication soustractive, ce qui complique l'assurance qualité et la certification.

Les normes de qualification et de certification ouvrent une voie possible vers la certification des produits en fournissant les lignes directrices par rapport auxquelles les pièces sont évaluées et qualifiées.

Les défis de la normalisation

Bien que certaines normes pour l'impression 3D existent actuellement, de nombreuses normes critiques sont encore en cours de développement. Nous avons décrit quelques domaines où la normalisation de l'impression 3D est nécessaire.

1. Matériaux

L'un des défis actuels concerne les matériaux spécifiques à la FA, pour lesquels beaucoup de normes n'existent pas. Les matériaux pour la fabrication additive métallique en particulier sont un domaine clé, d'autant plus qu'ils sont utilisés par des industries très exigeantes comme l'aérospatiale et le médical.

Le manque de standardisation pour les matériaux spécifiques à la FA signifie, par exemple, que les fabricants ne sont pas en mesure de prendre des valeurs de contrainte. Les données de conception et de contrôle des processus sont également très limitées en raison d'un manque de spécifications de matériaux d'impression 3D, ce qui peut affecter la façon dont une pièce est créée.

Une façon de traiter partiellement ce problème est d'adopter les normes existantes, développées pour les matériaux conventionnels, directement pour les matériaux de FA. Cependant, la mesure dans laquelle ces normes peuvent être appliquées reste à déterminer, car le comportement mécanique des pièces de FA peut différer considérablement de leurs homologues de fabrication conventionnelle.

2. Contrôle de processus

La nature propriétaire des variables de processus FA pose un autre défi pour la normalisation. De nombreux fabricants d'imprimantes 3D peuvent être réticents à partager des données sur l'optimisation des variables de processus, ce qui affecte les propriétés d'une pièce imprimée comme l'historique thermique, la microstructure et la formation de défauts. Ici, les stratégies de collaboration et de plate-forme ouverte seront essentielles pour relever ce défi.

3. Attestation

Enfin, le développement de démarches de certification robustes est un domaine d'intérêt dans la normalisation de l'impression 3D. La méthode actuelle d'assurance et de vérification de la qualité consiste à tester les pièces finales, ce qui nécessite du temps et des ressources supplémentaires. Pour surmonter ce problème, l'industrie doit développer des processus complets de certification des pièces qui permettront un meilleur contrôle qualité en temps réel.

Ce qui rend la tâche plus difficile est le fait que les processus de certification diffèrent selon l'industrie et l'application. Comment et quand les tests sont effectués pour la certification est un domaine qui devra être spécifié par tout processus de normalisation.

Développement d'un cadre standardisé pour l'impression 3D

Jusqu'à présent, un consensus mondial sur les normes pour les procédés et produits de fabrication additive n'a pas encore été atteint. Cependant, des progrès prennent forme, avec des efforts de collaboration déployés par les organisations de développement de normes (SDO) et d'autres organismes pour créer un ensemble complet de normes pour la fabrication additive.

Organisations de développement de normes

ISO et ASTM International sont deux OEN clés qui ont formé des comités dédiés pour soutenir l'adoption de la fabrication additive dans toutes les industries. Basés en grande partie sur des efforts volontaires, l'ISO et l'ASTM International s'efforcent de couvrir tous les aspects de la fabrication additive.

En 2016, ils ont mis en place des groupes de travail conjoints pour mettre à jour et approuver une structure organisationnelle commune pour les normes AM, dans le but d'harmoniser leur développement au sein de l'industrie de la FA.

Dans le cadre de cette collaboration, les deux SDO ont annoncé un cadre pour les normes d'impression 3D - la Structure des normes de fabrication additive . Le cadre décrit les différentes catégories qui nécessitent une normalisation, qui couvrent largement :

• Matériaux
• Procédés et équipements
• Le traitement des pièces finies
  

Depuis, la collaboration est fructueuse. En mai 2020 :

• Le comité ASTM F42 sur les technologies de fabrication additive a approuvé 22 normes
• Le comité technique ISO 261 sur la fabrication additive (ISO/TC 261) a publié 15 normes, avec 30 normes supplémentaires à divers stades de développement.

ASTM a également lancé plusieurs cycles de financement pour aider à soutenir le développement de normes pour l'industrie de la FA. En 2019, un nouveau cycle de financement a été lancé, bénéficiant aux mêmes institutions et à leurs recherches, avec l'ajout du National Additive Manufacturing Innovation Cluster (NAMIC) de Singapour.

Normes d'impression 3D pour la poudre métallique fusion de lit

En 2018, le comité ASTM F42 a publié une norme visant à accroître l'utilisation des procédés de fusion sur lit de poudre métallique (PBF).

La norme, connue sous le nom de F3303, est axée sur le métal fabrication additive pour les secteurs médical, aérospatial et autres. Il décrit les étapes de qualification des machines et des processus basés sur les technologies SLM, EBM et DMLS. Veiller à ce que les étapes AM soient fixes et reproductibles pourrait aider à surmonter de nombreux défis associés à l'application et à l'approbation de pièces métalliques imprimées en 3D.

À l'heure actuelle, l'ASTM se concentre principalement sur le développement d'une norme pour la GDT. technologie, actuellement la méthode d'impression 3D en métal la plus populaire.

En plus de l'ASTM, la Metal Powder Industries Federation (MPIF) a récemment publié neuf méthodes d'essai standard MPIF pour caractériser les poudres métalliques AM.

Destiné aux concepteurs, fabricants et utilisateurs de pièces AM en métal, cette collection est un autre signe que les industries reconnaissent le rôle croissant de l'impression 3D métallique dans le monde de la fabrication.

Normalisation de l'impression 3D pour l'aérospatiale

Pour lutter contre la normalisation de la FA métallique pour l'aérospatiale, l'association mondiale des normes d'ingénierie SAE International a récemment publié quatre nouvelles normes PBF.

La nouvelle suite de normes pour les spécifications des matériaux aérospatiaux (AMS) prend en charge la certification des pièces critiques d'avions et d'engins spatiaux, et couvre les spécifications des matériaux pour les alliages de nickel et les exigences de processus pour l'impression 3D avec des poudres métalliques.

Cependant, SAE ne s'est pas arrêté là-dessus. Plus récemment, l'organisation a également publié l'année dernière les premières spécifications de polymères AM pour l'industrie aérospatiale. Par exemple, la spécification AMS7100 établit les contrôles et les exigences critiques pour produire des pièces aérospatiales fiables, répétables et reproductibles par Fused Deposition Modeling (FDM®) ou d'autres productions d'extrusion de matériaux.

Le comité F42 d'ASTM International développe également 4 normes supplémentaires qui aideront les fabricants de pièces d'aéronefs à répondre aux exigences de sécurité et de performance. Les normes couvrent les matières premières, les propriétés des pièces finies, les performances et la fiabilité du système et les principes de qualification.

Le Collaboratif pour la normalisation de la fabrication additive (AMSC)

Le développement de normes appropriées est un facteur clé pour l'adoption généralisée de la fabrication additive. Cependant, une approche cohérente de ce développement est nécessaire pour faciliter une croissance plus rapide de l'industrie.

À la lumière de ce besoin, America Makes, l'US Additive Manufacturing Innovation Institute et l'American National Standards Institute (ANSI) ont ont uni leurs forces pour créer l'Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC).

Depuis 2016, AMSC a publié deux versions de sa feuille de route de normalisation pour la fabrication additive. La feuille de route est conçue pour identifier les normes (approuvées et en cours de développement), évaluer les lacunes et déterminer les domaines prioritaires pour la R&D et la normalisation supplémentaires. Plus de 300 personnes de 175 organisations différentes des secteurs public et privé ont soutenu le développement de la deuxième version de la feuille de route, publiée en juillet 2018.

La feuille de route d'AMSC fournit un aperçu du paysage actuel des normes pour les additifs industriels fabrication. Il est intéressant de noter qu'il identifie 93 lacunes, dont 18 sont considérées comme hautement prioritaires pour l'élaboration de davantage de normes. Les lacunes incluent la nécessité d'établir une directive pour mettre en évidence les compromis entre les technologies additives et soustractives, ainsi que des directives de conception spécifiques au processus.

Fin 2019, America Makes et l'ANSI ont également lancé un portail en ligne pour suivre l'activité de normalisation dans la FA

Bien qu'il soit difficile, il est impératif de suivre et enfin de combler les lacunes de la normalisation pour la FA. parties prenantes cherchant à libérer le potentiel des technologies additives pour la production.

L'importance de la collaboration

La collaboration et les partenariats industriels ont été des mécanismes puissants dans la fabrication additive, et l'élaboration de normes ne fait pas exception. Favoriser la collaboration offre une excellente opportunité de tirer parti de l'expertise de la FA industrielle qui peut aider à étendre la portée des normes d'impression 3D pour l'industrie.

• Par exemple, SLM Solutions Group s'est associé à l'Institut allemand de normalisation (DIN) pour soutenir le nouveau comité directeur de fabrication additive de ce dernier. Grâce à son expertise technologique, SLM Solutions vise à accélérer la viabilité commerciale de l'impression 3D métal.

• La collaboration entre Oerlikon et Boeing vise également à développer des normes pour l'impression 3D métal. Ciblant l'utilisation de la FA dans l'aérospatiale et la défense, le partenariat se concentre sur la normalisation des matériaux et des processus pour l'impression 3D de métal à base de poudre de composants structurels en titane.

• Le mois dernier, ASTM International a investi 300 000 $ dans des projets de recherche au sein du Centre d'excellence de fabrication additive, qui ciblent quatre domaines principaux, notamment les matières premières, la qualification des processus, le post-traitement et les tests.

• Le lancement du Centre d'excellence de fabrication additive cet été est également une autre étape importante pour l'industrie. La nouvelle installation, fondée par ASTM International en collaboration avec l'Université d'Auburn, la NASA, l'EWI et le Manufacturing Technology Center (MTC) basé au Royaume-Uni, se concentre sur la R&D et la normalisation pour combler les lacunes clés de l'industrie.

Alors que MTC développera des normes pour évaluer la qualité et la recyclabilité des poudres métalliques, les chercheurs de la NASA se concentreront sur les spécifications des machines et des processus laser. EWI étudiera le post-traitement pour aider à normaliser la qualité de surface et les mesures de mesure. Enfin, l'Université d'Auburn sera responsable de la recherche sur les problèmes d'essais mécaniques dans la FA métallique pour aider à créer des directives sur la conception d'échantillons pour tester les pièces imprimées en 3D.

Avec un éventail d'acteurs clés de l'industrie réunis sous un même toit, cette collaboration pourrait changer la donne pour l'industrie.

Normalisation :façonner l'avenir de l'impression 3D

« Ce serait incroyablement bénéfique pour toutes les parties prenantes et tous les constituants si l'industrie avait de meilleures normes dans l'ensemble, des normes universellement comprises et acceptées. Avec des normes, les entreprises peuvent comparer des pommes avec des pommes et prendre des décisions intelligentes qui peuvent être mises en œuvre au sein d'un écosystème complet de fournisseurs, de fabricants et d'utilisateurs.'

Avi Reichental, fondateur de XponentialWorks

Alors que l'impression 3D poursuit son incursion dans la fabrication industrielle, l'adoption généralisée de la technologie est entravée par des défis concernant la qualité, la cohérence et la certification des pièces. La normalisation peut aider à relever certains des défis les plus urgents.

Pour garantir que la fabrication additive continue sur la voie de l'adoption généralisée, des normes et des directives devront être établies. Dans le même temps, cependant, de tels développements prendront du temps, voire plusieurs années.

Mais les avantages sont évidents :des normes claires conduiront à l'utilisation de l'impression 3D pour la production en favorisant une terminologie commune, des tests efficaces et des matériaux et processus cohérents.