Maximiser la production avec les logiciels avancés de fabrication additive

Comment les nouveaux logiciels de programmation et simulation CAO/FAO peuvent aider à relever les processus de fabrication additive.

Dans le domaine de la fabrication, les processus de fabrication additive (FA) sont encore le nouveau venu. Bien que l'additif existe depuis plusieurs décennies, jusqu'à relativement récemment, il a été relégué principalement aux applications de prototypage et à la production de courte série. Avec les nouveaux processus additifs métalliques, cependant, le potentiel de la FA s'est considérablement étendu. Il s'est étendu de ce qui était considéré comme une technologie intrigante à un processus de production plus réaliste maintenant plus largement utilisé par des grands fabricants comme GE et Lockheed pour fabriquer des pièces FA métalliques pour moteurs d'avion et autres composants et assemblages critiques. À mesure que les processus FA sont devenus plus populaires, de nouveaux logiciels de programmation CAO/FAO et packages de simulation connexes s'attaquent à certains des problèmes avec les processus couche par couche de l'additif, ajoutant des outils de flux de travail additif avec conception générative et techniques de visualisation 3D et d'optimisation topologique bien plus étendues pour les fabricants. Beaucoup de ces nouveaux packages logiciels visent également à aider les fabricants avec la nouvelle classe de machines-outils hybrides additifs/soustractifs.

Rendre l'impossible possible

L'un des objectifs clés pour les nouvelles solutions additives est de générer des conceptions considérablement améliorées. La programmation CAO/FAO en additif peut rendre plus facile pour les ingénieurs de développement de produits de concevoir des pièces qui étaient auparavant considérées comme impossibles à fabriquer. « Autodesk a construit un flux de travail complet de bout en bout pour la fabrication additive, de l'optimisation de conception à la préparation de construction, la simulation et la post-production, aidant les concepteurs et ingénieurs à passer du prototypage à la production en série », a déclaré Duann Scott, développement commercial et stratégie, Fabrication Additive et Composites, Autodesk Inc. (San Rafael, CA). « Nous ajoutons maintenant la Conception Générative pour permettre aux concepteurs d'explorer et de réaliser le plein potentiel [de la FA] de manière qui n'était pas possible auparavant. »

La nouvelle capacité de la FA en production en série est un développement clé, a noté Scott. « Alors que l'industrie évolue avec de nouveaux matériaux et processus, les cas d'utilisation s'élargiront des pièces petites, complexes et/ou personnalisées, vers des pièces plus grandes à mesure que des machines et matériaux à moindre coût entrent sur le marché », a-t-il ajouté. « Nous avons vu le coût du matériel chuter dramatiquement à mesure que les brevets clés expirent, d'abord dans l'espace polymère avec les machines FDM [modélisation par dépôt fondu] passant de 40 000 $ à 400 $, puis les machines SLA [stéréolithographie] passant de prix similaires à 3 000 $, et maintenant les machines SLS [frittage laser sélectif] passant de 150 000 $ à 10 000 $. Nous voyons maintenant une nouvelle vague de processus additifs métalliques. Alors qu'auparavant il coûtait 1 million de dollars pour mettre en place une seule machine, de nouvelles machines peuvent maintenant être achetées pour environ 100 000 $. Cette réduction massive de l'investissement requis pour produire des pièces élargira dramatiquement ce qui est actuellement un marché relativement petit. »

L'ajout de capacités de conception générative aux logiciels pour les processus FA donnera aux concepteurs des avantages substantiels, a soutenu Scott. « La conception générative permet aux concepteurs et ingénieurs d'explorer des solutions basées sur des contraintes de conception et des processus de fabrication qui seraient impossibles à concevoir ou exécuter avec un logiciel CAO traditionnel », a-t-il dit. « Plus que de l'optimisation topologique, qui prend une géométrie existante et réduit la masse basée sur des solveurs AEF [analyse par éléments finis] vers un seul design optimisé, la conception générative crée des solutions géométriques basées sur de multiples objectifs et de multiples processus de fabrication pour fournir de multiples solutions. Ces solutions peuvent ensuite être itérées pour affiner davantage la géométrie, qui peut ensuite être fabriquée telle quelle, ou utilisée comme guide, pour informer l'approche du concepteur vers le design, basée sur les solutions qu'elles fournissent. »

Au début de l'année prochaine, Autodesk publiera la prochaine version de son logiciel additif/impression 3D Netfabb 2018, actuellement en version bêta, qui ajoutera de nouvelles fonctionnalités incluant des capacités de conception générative. « Le lien entre les processus soustractifs traditionnels et la fabrication additive est que les deux nécessitent une compréhension approfondie de la combinaison spécifique machine-matériau pour créer un contrôle machine optimal pour répondre aux exigences de l'ingénieur de conception », a dit Scott. « Il est également critique pour la plupart des pièces FA métalliques d'être usinées soustractivement après l'impression pour assurer la qualité de surface et les tolérances sur les pièces qui s'interfacent avec d'autres pièces dans un assemblage. » Autodesk offre le flux de travail complet, a-t-il ajouté, pour utiliser le même fichier CAO pour l'additif et le post-processus soustractif essentiel.

« Combiner des processus séparés comme l'additif et le soustractif dans un flux de travail de fabrication implique généralement de multiples étapes, souvent sur différentes machines. Cela doit être précis et automatisé. Il y a un fil numérique de processus qui commence avec la conception et l'intention d'ingénierie et simule ce qui devrait se passer à chaque étape du processus – vous devez construire sur les données d'origine », a déclaré Scott. « Vous devez également surveiller la progression dans le monde réel, en utilisant l'inspection et des boucles adaptatives ou de rétroaction pour détecter et compenser la variation. Ces processus doivent aussi être connectés. »

L'automne dernier, Siemens PLM Software (Plano, TX) a annoncé sa solution « Fabrication Additive avec NX », et au début de cette année, l'entreprise a ajouté la plateforme Siemens Part Manufacturing Platform, un service collaboratif en ligne visant à mettre en relation acheteurs et vendeurs de composants additifs. En avril, le développeur de logiciels, détenu par Siemens AG (Munich), a également annoncé un partenariat technologique étendu avec le fournisseur de logiciels d'impression 3D/additif de longue date Materialise NV (Louvain, Belgique) sous lequel la suite Materialise Magics 3D Print Suite FA sera pleinement intégrée avec le logiciel NX de Siemens. La combinaison apporte l'expertise de Materialise avec les forces de base CAO/FAO/IAO de NX de Siemens PLM, y compris des capacités de conception étendues avec des outils d'optimisation basés sur la simulation, a noté Aaron Frankel, directeur senior, marketing, logiciels d'ingénierie de fabrication, Siemens PLM.

La stratégie additive de Siemens repose sur trois piliers, en commençant par la Fabrication Additive avec NX, qui inclut les offres NX et Teamcenter PLM de l'entreprise, a noté Andreas Saar, vice-président de Siemens PLM, Groupe Ingénierie de Fabrication. « C'est ce que nous appelons la chaîne numérique et le cœur avançant vers l'avenir », a dit Saar. Siemens publiera des mises à jour logicielles de trois à six mois, avec de nouvelles interfaces d'imprimantes travaillant avec de nombreux acteurs additifs, y compris EOS, Stratasys, DMG Mori, HP et autres, a-t-il dit.

« Notre intention est de faire avancer l'additif vers une phase industrielle », a dit Saar, intégrant Materialise dans la grande base installée NX industrielle de Siemens. Un exemple est GE, qui utilise l'additif pour produire de grandes buses pour moteurs d'avion. « Il y avait un petit groupe, peut-être 20-30 personnes, entre les ingénieurs de conception et de simulation, qui ont fait cela arriver, et il y a probablement 4000 ingénieurs de conception là-bas. Notre objectif est d'élargir considérablement cela. Nous avons 10 000 sièges de conception chez GM. Ces gars doivent repenser la fabrication additive. »

« Ce que nous voyons sur le marché, c'est que les entreprises moyennes et grandes créent des groupes de travail de fabrication additive pour comprendre la technologie », a dit Frankel. « Il y a une grande courbe d'apprentissage. Les entreprises ramassent diverses technologies disparates pour voir ce qui marchera, mais cet environnement ad-hoc ne s'échelonnera pas. Les entreprises ont besoin d'une solution de bout en bout, et elles doivent être capables de gérer ces données et ce processus avec une seule solution. »

L'essor de l'usinage hybride additif

De nombreuses nouvelles solutions CAO/FAO pour l'additif se concentrent sur la programmation ou la simulation de la dernière génération de machines-outils hybrides additifs/soustractifs, y compris les entrées de DMG Mori et Mazak. Puisque les composants FA ne sont pas quasi à forme nette et nécessitent une finition modérée à extensive, l'hybride est une approche pratique pour de nombreux utilisateurs de machines-outils. Les machines hybrides, bien que coûteuses, sont devenues plus abordables récemment.

La stratégie de Siemens vise à supporter toutes les machines FA, en particulier les unités hybrides de certains partenaires de l'entreprise, tels que DMG Mori et Mazak. « Nous supportons les solutions existantes, telles que le dépôt d'énergie direct, le soudage par faisceau laser et la fusion sur lit de poudre », a dit Frankel de Siemens PLM. De ces technologies, Saar a dit que la plus courante est la fusion sur lit de poudre, et Siemens supporte le nouveau Multi-Jet Fusion de HP, qui utilise des imprimantes 2D avec buses. La machine a une technologie voxel 3D qui imprime en une seule couleur mais pourra imprimer en plusieurs couleurs. « L'avenir est très évolutif », a dit Saar.

Les machines hybrides sont attrayantes pour de nombreux développeurs CAO/FAO, et Vero Software (Reading, UK) prévoit de publier un module d'usinage hybride additif dans le futur, possiblement autour d'avril l'année prochaine, pour son Edgecam et autres logiciels FAO, a dit Raf Lobato, directeur produits stratégiques. Le dépôt d'énergie direct, la réparation, la croissance de caractéristiques, et le placage sont tous des domaines de focus pour ce type de logiciel, a-t-il noté. « Pour tirer le meilleur parti de l'additif, il ne peut pas vraiment vivre seul ; la zone d' « ajout » a occasionnellement besoin d'être préparée par soustractif et puis finalement, après l'ajout de matériau, a généralement besoin d'être finie avec du soustractif », a déclaré Lobato.

Plus de recherche est nécessaire pour affiner de nombreux processus additifs, a-t-il noté. « Ils ne savent pas vraiment encore comment ajouter du matériau efficacement », a dit Lobato en décrivant le dépôt d'énergie direct. « Quand vous ajoutez du matériau à un composant, ça ne sort pas parfait. » Le matériau déposé n'est pas proche de la forme quasi nette, nécessitant des processus de finition soustractifs pour compléter les pièces. « La bonne nouvelle est que les tests montrent que le matériau additif déposé dans ce processus est plus dur que les matériaux de base, dans certains cas », avec près de 100 % de métaux denses ajoutés à ces composants métalliques dans de telles opérations de placage, a dit Lobato.

Dans un exemple, la réparation de pales de turbine d'avion a nécessité de couper un morceau de matériau en forme de V hors de la pièce au lieu d'ajouter juste du métal là où une fissure sur la pale était. « Là encore vous pouvez voir où une opération soustractive est requise », a dit Lobato, convenant que, parfois, les processus soustractifs et additifs sont tous deux nécessaires pour compléter le travail. « C'est notre croyance. Aussi, cela prendrait un temps fou – ajouter du matériau n'est pas rapide. »

Les améliorations technologiques, tant logicielles que matérielles, plus la vitesse, la flexibilité, et bien sûr, le coût, sont critiques pour la croissance de l'additif, a dit Lobato. « Nous sommes impliqués dans le Projet Kraken, https://krakenproject.eu/, qui concerne la fabrication additive sur grandes pièces par un robot avec une solution de précision plus élevée que traditionnellement disponible. »

Une autre nouvelle entrée vient du développeur CAO/FAO DP Technology Corp. (Camarillo, CA), qui en août a annoncé sa suite logicielle Esprit Additive pour la fabrication additive métallique. Le logiciel est censé aider à simplifier le processus de programmation additif chronophage en quelques étapes simples.

« Les logiciels CAO/FAO d'aujourd'hui devraient fournir une programmation puissante pour les machines-outils multitâches, multifonctions, multicanaux, tour-fraisage, additifs et soustractifs, avec les processus additifs et soustractifs étant programmés, optimisés, et simulés ensemble dans une interface unique conviviale », a dit Chuck Mathews, vice-président exécutif, DP Technology. Le nouveau module Esprit Additive devrait être disponible mi-2018. DP Technology a de forts partenariats avec DMG Mori et Mazak et le module offrira la programmation additive pour les utilisateurs des machines hybrides de ces entreprises.

Dans Creo 4.0, PTC (Needham, MA) a publié une plateforme de Fabrication Additive qui inclut des fonctionnalités pour mieux concevoir et optimiser des structures légères, définir de nouveaux sous-types d'assemblage qui peuvent stocker les pièces à imprimer, leur position, matériaux, couleurs, et plus, a noté Jose Coronado, gestionnaire de produit des applications de fabrication et simulation Creo. La solution additive inclut également une fonctionnalité de connectivité pour fournir un retour direct au concepteur sur les capacités des imprimantes 3D, qui seront considérées dans la phase de conception.

« Un haut pourcentage d'utilisateurs Creo ont dit qu'ils implémentent actuellement, ou envisagent d'implémenter, des projets pilotes en fabrication additive », a dit Coronado. « Aussi, de nombreuses imprimantes plastiques déjà chez les clients passent du travail de prototype à la fabrication d'outillages et fixations, ou directement à la production de pièces finales. L'un des facteurs de ce changement est la nouvelle fonctionnalité disponible dans Creo, permettant aux ingénieurs de concevoir des treillis optimisés et de se connecter directement avec les imprimantes plastiques Stratasys et 3D Systems. »

« La feuille de route de PTC pour Creo inclut plus de types de treillis, l'optimisation topologique intégrée dans le modèle B-Rep [représentation de frontière], le support des processus d'impression métallique et plus, tout sans quitter Creo », a-t-il continué. « Mais nos utilisateurs n'ont pas besoin d'attendre ; les fonctionnalités additives et soustractives actuelles de PTC coexistent, intégrées de manière transparente avec le modèle CAO. En utilisant le même modèle 3D, nous pouvons préparer un assemblage de plateau pour imprimer une ou plusieurs pièces. Ensuite, si du post-traitement comme perçage, fraisage de face ou ébavurage est nécessaire, le même modèle 3D est utilisé pour créer les parcours d'outils NC correspondants. »

Un pionnier précoce dans l'additif, 3D Systems (Rock Hill, SC) offre également son expertise en fabrication additive et soustractive avec son logiciel 3DXpert Metal Additive Manufacturing introduit l'an dernier, selon Daniel Remenak, gestionnaire de produit, GibbsCAM 3D Systems. « 3DXpert est une solution logicielle tout-en-un pour la fabrication additive métallique avec des capacités avancées en préparation d'impression, supports et optimisation de structure, tranchage, et même opérations post-impression. »

Bien que CNC Software, développeur de Mastercam, n'ait pas publié de module spécifique à l'additif, l'entreprise « évalue quelles approches logicielles additives sont les plus utiles pour nos clients maintenant et alors que la technologie continue de s'étendre », a noté Ben Mund, analyste principal du marché, CNC Software Inc. (Tolland, CT).

« Le problème initial de finition de surface a vu une amélioration dramatique, tout comme les matériaux disponibles, avec plus de développement dans les matériaux haute température et structuraux, matériaux flexibles, et composites. À mesure que ces problèmes s'améliorent, le processus sera utilisé dans de plus en plus d'endroits », a dit Mund. « L'impression métallique plus abordable fera aussi avancer l'industrie. Nous voyons cela se produire maintenant avec de nouveaux types de métaux infusés de substrat plus abordables. »

« Il y a aussi de nombreux endroits où l'additif et le soustractif seront utilisés de concert », a-t-il dit. « Cela peut aller de la production de fixations additives pour l'usinage soustractif, à la création de pièces additives qui doivent être finies usinées. Et, bien sûr, il y aura toujours des pièces impossibles à produire par soustractif, où l'additif est le seul choix. »

Chez Open Mind Technologies USA Inc. (Needham, MA), développeur du logiciel CAO/FAO hyperMill, l'entreprise a la capacité de supporter les processus FA en utilisant un module spécifique à l'additif qui est une option dans hyperMill, a noté Alan Levine, directeur général. Open Mind est impliqué dans l'usinage additif depuis près de 10 ans, a ajouté Levine. « Notre focus est le support de programmation pour les processus de dépôt métallique basés sur laser. Cet effort est cohérent avec notre focus avancé 5 axes, et inclut les retours de notre base de clients. Aujourd'hui, nous travaillons avec des partenaires machines et des utilisateurs clés sur des projets et pour implémenter et confirmer de nouvelles technologies. Nos processus sont alignés avec les développements en cours dans hyperMill, notre paquet pour l'usinage soustractif, donc ce travail est rationalisé et peut être fait élégamment dans notre approche actuelle. »

Bien que les machines additives sur lit de poudre puissent comprendre un segment plus large du marché aujourd'hui, le focus d'Open Mind est sur le dépôt laser, appliqué à la construction de nouvelles pièces (souvent avec des machines 5 axes) et la maintenance et réparation dans les moules et matrices et l'énergie, selon Levine. « Les processus de dépôt laser n'exigent généralement pas de structures de support en cours de processus pour soutenir les surplombs qui doivent être retirés plus tard », a dit Levine. « Aussi, le dépôt laser est bien adapté pour l'usinage hybride. »

Il y a environ un an, Open Mind a ajouté un nouveau support de simulation pour l'additif de son partenaire et développeur de module composant MachineWorks (Sheffield, UK). « Notre développement logiciel pour les processus additifs est basé sur nos expériences et coopération avec des utilisateurs clés et partenaires machines. Les diverses pièces fabriquées aujourd'hui mènent à des raffinements du logiciel et du flux de travail. Les exigences fondamentales pour le traitement additif – concernant les chemins de remplissage et de bordure, le contrôle des points de départ, et les déclencheurs laser – ont déjà été implémentées dans le logiciel », a dit Levine. « Les procédures de vérification de collision ont aussi besoin d'une attention soignée car le modèle de pièce grandit constamment, et les têtes de dépôt requièrent des distances focales spécifiques pour un dépôt de poudre approprié. »

Simulation des processus NC et additifs

Comme dans tout processus de fabrication, simuler avec précision le mouvement de coupe et de formage des métaux est critique pour assurer la qualité de fabrication et la sécurité de l'outillage, du bridage et de la machine-outil. Jusqu'à récemment, les solutions logicielles de simulation ont été rares pour visualiser adéquatement les processus FA.

Au salon Rapid/TCT à Pittsburgh, la dernière version 8.1 du logiciel de simulation, vérification et optimisation NC Vericut a introduit de nouvelles capacités pour simuler les opérations de fabrication additive et hybride ainsi que pour le dressage continu pendant le rectifiage, a dit Gene Granata, gestionnaire de produit pour Vericut chez CGTech (Irvine, CA). « Ces nouvelles méthodes peuvent être utilisées dans n'importe quel ordre, avec n'importe quelle méthode de coupe traditionnelle [telle que fraisage, tournage et usinage 5 axes] et sur virtuellement n'importe quelle marque de machine CNC. Le nouveau logiciel a aussi des améliorations pour le tronçonnage de la pièce, l'outil de mesure X-Caliper, l'optimisation de parcours d'outil Force, et la configuration de rapports pour documenter automatiquement le processus de fabrication. »

« L'attrait de la fabrication additive apporte avec lui de nombreux défis uniques pour les concepteurs et programmeurs NC », a-t-il continué. « Les gens se reforment pour penser, concevoir et programmer les pièces différemment, pour faire un produit supérieur aussi efficacement que possible. Le logiciel de simulation, tel que Vericut, est un outil inestimable pour les programmeurs NC pour visualiser et vérifier chaque processus dans l'ordre utilisé, comparer les stratégies de fabrication, et prévenir les crashes coûteux ou dommages aux machines, outillages et pièces en cours de fabrication. » Les machines hybrides sont généralement coûteuses, et généralement en quantité limitée dans une entreprise donnée, a-t-il ajouté. Les pièces de rechange ou techniciens pour le laser et d'autres équipements additifs peuvent aussi être difficiles à trouver. « Le logiciel de simulation offre une protection rentable pour atténuer les problèmes potentiels avant qu'ils ne surviennent. »

Trouver de nouvelles façons de programmer des pièces produites via des processus additifs présente un nouveau défi pour les programmeurs NC. « Avoir des options pour employer des méthodes additifs, soustractifs, ou hybrides pousse souvent les programmeurs à penser au-delà de leur précédente « zone de confort » pour faire des choses pas auparavant pensées possibles », a noté Granata. « De nouvelles capacités de Conception pour la Fabrication Additive [DFAM] et de programmation NC additive semblent arriver dans chaque nouvelle version CAO/FAO. Bien que ces améliorations soient destinées à fournir aux programmeurs NC additifs plus d'options, cela augmente aussi la courbe d'apprentissage. Garder mentalement la trace de où le matériau a été déposé et où il ne l'a pas été est un défi. »

Incorporer l'additif dans n'importe quel processus de production crée de multiples problèmes, a dit Granata. « Une erreur dans la planification et la séquence des opérations NC peut endommager les composants de machine, l'équipement additif, ou la pièce. La simulation élimine les conjectures et minimise le risque, montrant comment les pièces seront faites et la représentation exacte de la pièce tout au long du processus. » Le module additif Vericut simule à la fois les capacités additives et d'usinage traditionnel utilisées dans n'importe quel ordre sur machines hybrides. « Simuler toutes les opérations peut identifier les problèmes potentiels qui peuvent survenir lors de l'intégration de méthodes additifs. L'utilisateur peut accéder à un « historique » détaillé stocké avec la technologie de gouttelettes réaliste de Vericut, faisant gagner du temps aux programmeurs en identifiant quand les caractéristiques de pièce ont été usinées et la source des erreurs, dans la plupart des cas, en utilisant juste un clic de souris. »

Cette capacité additive vérifie le placage laser précis et le dépôt de matériau, détecte les collisions entre la machine et la pièce additive, et trouve les erreurs, vides et matériau mal placé, a noté Granata. « Pour la plus haute précision, Vericut simule le même code NC post-traité qui sera utilisé pour piloter la machine CNC et assure l'utilisation appropriée des fonctions FA et paramètres laser. Les utilisateurs peuvent expérimenter virtuellement en combinant les processus additifs et d'enlèvement de métal dans n'importe quel ordre pour déterminer les méthodes de fabrication hybrides optimales et sûres. »