Entretien d'experts :Brian Alexander de Solvay sur le développement de polymères hautes performances pour l'impression 3D

Avec un certain nombre de brevets pour des technologies comme SLS et FFF ayant expiré d'ici 2016, Alexander explique que cela a également eu un impact sur la perspective de Solvay de l'évolution du marché.

« Le marché s'ouvre beaucoup plus et nouveau les acteurs émergents ont ouvert des opportunités clés pour le côté polymère des choses. Bien sûr, l'opportunité s'est accompagnée de beaucoup de battage publicitaire. Il était donc important pour nous d'adopter une approche pragmatique. »

Alexander note à quel point l'industrie a changé en seulement trois ans.

« Au cours de notre première année, nous avons interrogé bon nombre de nos principaux clients pour comprendre leurs besoins et savoir où ils en étaient avec AM. Étonnamment, lorsque nous avons fait cela en 2016, presque personne ne croyait à la FA. « C'est intéressant, mais ce n'est pas pour la production de masse » était le sentiment général. Tout a changé maintenant, bien sûr. »

AM nécessite un changement d'état d'esprit

Solvay Specialty Polymers est l'une des unités commerciales du Groupe Solvay et compte environ 3 500 employés. « Notre proposition de valeur est que nous possédons l'un des plus vastes portefeuilles de matériaux haute performance du marché », déclare Alexander. « Nous proposons environ 35 polymères différents, tous dotés de propriétés uniques. »

Ces polymères sont des matériaux de grande valeur, vendus en plus petits volumes. Ceci, à son tour, complète la fabrication additive, où des applications spécialisées et à haute valeur ajoutée peuvent bénéficier des économies d'échelle et de la complexité requises par la technologie.

Cependant, le développement de matériaux spécifiquement pour le processus de fabrication additive a nécessité un changement de mentalité, note Alexander.

« Nous nous sommes vite rendu compte que l'état d'esprit de la FA est complètement différent de la fabrication traditionnelle. Vous devez complètement repenser votre chaîne de valeur. Presque tout doit changer, des matériaux à la conception, en passant bien sûr par l'optimisation de votre équipement et de vos processus.

« Nous savions que si nous essayions de vendre nos résines standard, dont certaines existent depuis 30 ans, dans l'espace AM, nous n'allions pas réussir. Notre objectif était donc de devenir le premier fournisseur de solutions personnalisées hautes performances prêtes pour la fabrication additive. »

Qu'est-ce que cela signifie dans la pratique ?

« Eh bien, nous devons savoir exactement ce qui se passe dans la machine », explique Alexander. « Si nous polluons la chaîne de valeur avec toutes sortes d'étapes différentes et n'avons aucune idée de ce qui se passe dans la machine, alors nous n'avons aucun contrôle sur le processus. Et cela est crucial si vous essayez de qualifier des matériaux pour des marchés de niche à très haute valeur ajoutée comme le médical ou l'aérospatial. »

La voie vers le développement de polymères hautes performances pour additifs

« La fabrication additive a commencé avec des matériaux assez peu performants, comme le PLA et l'ABS », explique Alexander. « Ce sont parfaits pour fabriquer des choses comme des jouets et des gadgets. Mais pour tirer pleinement parti de la technologie, vous aurez besoin de plus de matériaux de qualité industrielle, comme le PEEK, par exemple.

Le besoin croissant de matériaux de qualité industrielle peut être lié au passage à l'échelle de l'industrie de l'utilisation de l'impression 3D pour la production en série, et pas seulement pour le prototypage.

Comme le dit Alexander :« Si vous vous concentrez uniquement sur le prototypage, vous n'obtenez vraiment aucun des avantages de la fabrication additive car ces pièces ne sont pas conçues pour la FA. Vous n'aurez donc jamais les mêmes propriétés.

« Avec la production en série, si vous souhaitez réaliser une pièce dans la matière de votre choix, vous devez disposer d'une large gamme de températures, de performances mécaniques, de qualifications, d'agréments, etc. Ce n'est qu'alors que vous pourrez rassembler tous ces éléments pour obtenir le design que vous souhaitez vraiment obtenir. Nous travaillions donc à proposer des matériaux plus performants que ce qui était disponible sur le marché. »

Développer des polymères hautes performances spécifiquement pour la fabrication additive ne serait pas une mince affaire, notamment en raison de la gamme des technologies d'impression 3D du marché et du large portefeuille de matériaux de Solvay.

En fin de compte, l'entreprise a choisi de commencer par Fused Filament Fabrication (FFF) — la technologie d'impression 3D la plus accessible.

Solvay avait également en tête deux marchés cibles clés lors du test de ces matériaux initiaux :la santé, pour ses applications de personnalisation de masse, et l'aérospatiale pour la production en petites séries.

« Les questions clés que nous nous posions étaient :comment nos matériaux sont-ils utilisés actuellement sur ces marchés et comment pouvons-nous permettre leur impression 3D ? Cela offrirait à nos clients la possibilité d'utiliser nos matériaux encore plus loin, en complément de leur fabrication traditionnelle. avec.

Le PEEK est réputé pour sa stabilité exceptionnelle, sa résistance aux produits chimiques et à la température ainsi que son excellent rapport résistance/poids. Il est utilisé dans des environnements exigeants pour des applications comprenant des composants d'avion, des roulements automobiles, du pétrole et du gaz et des composants électroniques.

De même, le PPSU possède une résistance élevée à la chaleur et une résistance exceptionnelle aux produits chimiques et aux chocs ainsi qu'un allongement à la rupture. Il peut être utilisé pour des applications telles que les appareils médicaux, la plomberie et les applications de restauration, pour n'en nommer que quelques-unes.

« Lorsqu'il s'agit de FA, vous devez comprendre vos matériaux en termes de retrait, de gauchissement et de cohésion », explique Alexander « Toutes ces propriétés sont liées au matériau lui-même et peuvent être prédites si vous connaissez assez bien votre matériau. »

Solvay a également lancé sa Coupe de fabrication additive en octobre 2017. Le concours a invité des étudiants universitaires du monde entier à démontrer leur « aptitude à la fabrication additive » en utilisant son filament PEEK pour produire pièces complexes. Les résultats, dit Alexander, ont été phénoménaux.

« Nous avons été surpris par les résultats que nous avons obtenus. Les étudiants ont su innover très rapidement. Cela montrait que les capacités d'apporter un changement étaient là si quelqu'un pouvait aider à activer le changement. Cela nous a donné la confiance nécessaire pour essayer quelque chose de différent.

Un nouveau modèle commercial émerge

Les résultats de sa Additive Manufacturing Cup ont conduit Solvay à développer une nouvelle façon d'engager ses clients :à travers une nouvelle plateforme de commerce électronique.

« Au lieu de suivre la voie traditionnelle, en opérant sur un modèle fermé, nous avons décidé rendre nos matériaux disponibles à un prix équitable à toute personne possédant une carte de crédit », explique Alexander.

« Cela rend l'achat de matériaux polymères rapide, transparent et facile — et c'est le premier du genre sur le marché auprès d'une grande entreprise chimique. Notre objectif final est d'inspirer la prochaine génération à utiliser nos matériaux. »

Lorsqu'il s'agit de servir ses clients industriels, pour Solvay, les données sont essentielles. « Lorsque vous avez consulté les fiches techniques d'autres entreprises chimiques, il s'agissait simplement de fiches de données de pièces moulées par injection », explique Alexander. « C'est pourquoi nous avons décidé de mettre à disposition toutes nos données sur les pièces fabriquées de manière additive. Il s'agit de donner confiance à nos clients industriels dans nos matériaux. »

Pourquoi le contrôle des processus est important

Alexander met clairement en évidence l'importance du contrôle des processus. « Sans un bon processus ou un bon équipement, vous vous retrouverez avec une pièce terrible. C'est pourquoi nous travaillons beaucoup au développement de partenariats. Par exemple, nous essayons de travailler avec les fabricants d'imprimantes 3D pour les aider à comprendre comment traiter nos polymères et le profil d'impression que nous exigeons des machines.

« La majorité de nos utilisateurs industriels souhaitent disposer d'une solution plug and play :un matériau qu'ils peuvent mettre dans la machine et faire sortir la pièce de la même manière à chaque fois. Chez Solvay, nous comprenons que c'est finalement là où nous voulons aller. »

Alexander explique en outre pourquoi être capable de contrôler le processus de fabrication additive est si important. « Ce que nous avons appris entre 2017 et 2018, c'est que la façon dont vous imprimez la pièce est cruciale. Si vous obtenez une porosité élevée et des micro et macro vides dans le matériau, votre force et votre tension à la rupture ne seront pas du tout cohérentes. La seule façon d'y parvenir est d'apprendre à traiter vos matériaux et d'adapter le processus pour obtenir une pièce parfaitement homogène.

« Si vous souhaitez profiter de tous les avantages de la FA - réseaux, allègement, consolidation de pièces, etc. - vous devez comprendre comment traiter votre matériau et voir comment votre matériau fonctionnera avec une structure en treillis, un comment optimiser une conception existante pour la rendre adaptée à la FA. »

Le rôle de la simulation des matériaux

Solvay poursuit son objectif d'étendre ses capacités de matériaux AM.

L'année dernière, la société a annoncé son partenariat avec e-Xstream engineering, un fournisseur de logiciels de simulation. Le partenariat voit les polymères haute performance de Solvay être ajoutés à la plate-forme Digimat-AM de l'entreprise pour la simulation des matériaux.

La simulation d'impression 3D est à la hausse, car il devient de plus en plus important de pouvoir prédire comment une pièce se comportera avant qu'un dessin ne soit envoyé à l'impression.

Digimat-AM permet aux utilisateurs de simuler le processus d'impression 3D. Son partenariat avec Solvay signifie que les utilisateurs pourront désormais prédire le comportement thermomécanique des polymères de Solvay lors de la phase de conception. En recréant numériquement les conditions physiques et le comportement des pièces, une grande partie des essais et erreurs communs au processus de FA peuvent être éliminés.

Alexander explique l'objectif du partenariat.

« L'objectif était de permettre aux utilisateurs d'obtenir un jumeau numérique de leur matériel. Avec Digimat-AM, vous pouvez désormais concevoir et simuler avec tous les matériaux prêts pour Solvay AM sur le marché.

« Lorsque les concepteurs souhaitent tester un concept, ils peuvent passer jusqu'à 24 heures à imprimer une pièce qui peut ne pas fonctionner et peut même être de mauvaise conception. Mais si vous pouvez éliminer les conjectures de l'équation et prédire le comportement d'une pièce avant l'impression, vous ajoutez une valeur significative pour le client, tout en accélérant la mise sur le marché. »

L'avenir des polymères FA

En ce qui concerne l'avenir de la fabrication additive, Alexander a une vision plutôt philosophique.

« Honnêtement, je suis très excité par la promesse de la FA. Les grandes entreprises sont plus motivées pour tenir cette promesse en s'éloignant d'une approche d'application ou de qualification pour reconnaître le besoin de qualification de processus. C'est la tendance la plus excitante. Si vous n'avez pas de processus qui fonctionne, vous n'avez pas de partie réussie. C'est si simple. De plus, je ne pense pas que la fabrication additive remplacera jamais complètement les méthodes de fabrication traditionnelles, mais elle peut certainement être complémentaire et créer de nouvelles idées et opportunités. »

Quant au coût des matériaux, Alexandre est positif. « Certes, les économies d'échelle sont un défi actuel et les prix restent encore assez élevés. C'est comme ça en ce moment. Nous devons créer le marché. Je suis donc convaincu qu'à mesure que les volumes augmentent et que les applications s'étendent, les prix vont baisser. »

2019 s'annonce comme une année chargée pour Solvay, qui continue de travailler sur la qualification du processus additif. "Nous essayons d'appliquer nos applications de profil d'impression à un certain nombre de fournisseurs d'impression", explique Alexander. « Notre objectif est d'avoir 10 à 15 imprimeurs commerciaux capables d'imprimer nos polymères de manière cohérente.

« Nous recherchons également plus de partenariats, notamment du côté des Matériaux Avancés et de la transition vers d'autres technologies et d'autres matériaux. Celles-ci incluront des technologies à base de poudre telles que SLS et Multi Jet Fusion. Enfin, nous travaillons avec nos principaux équipementiers qui ont la mentalité et la capacité d'investir dans quelque chose qui sera très perturbateur. »

Pour en savoir plus sur Solvay, visitez :https://www.solvay .com/fr

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Entrevues d'experts

La série d'entretiens d'experts d'AMFG présente des entreprises et des individus innovants qui contribuent à façonner l'avenir de la fabrication additive. Pour plus d'informations sur la participation à la série, veuillez contacter [email protected].