La fabrication additive s'étend au-delà de l'impression 3D de bureau vers la production industrielle

L'impression 3D grandit. Est-elle aussi révolutionnaire que sa promesse ou juste un autre outil précieux dans la boîte à outils — ou les deux ? Nous parlons avec MakerBot et un consultant en impression 3D dans la Rust Belt pour voir où les choses en sont et où elles vont.

L'impression 3D n'a pas atteint son plein potentiel dans les environnements professionnels et centrés sur la fabrication, mais il y a beaucoup de place saine pour grandir là, disent ingénieurs fabrication additive, consultants et académiques. Et de nouvelles technologies et machines apparaissent qui profitent des innovations dans les poudres métalliques. Une des plus grandes questions sur la technologie est si elle peut passer d'être une favorite de la conception de pièces et prototypage à un pilier du plancher d'atelier. Va-t-elle trouver son rythme à des niveaux de production plus élevés ? Et quelles sont les barrières pour faire de plus grosses vagues ?

Les initiés de l'industrie disent que les ateliers de toutes tailles utilisent ces processus 3D de façons ingénieuses variées — du maintien de pièce et moules personnalisés aux pièces d'utilisation finale fonctionnelles présentant une géométrie seulement possible avec la fabrication additive.

« Les ateliers CNC ont utilisé des choses comme MakerBot pour imprimer en 3D des structures complexes qui peuvent tenir le dispositif dans la fraiseuse à l'angle nécessaire pour pouvoir usiner la pièce », dit Chris Barrett, président de 3DDirections. « Donc les ateliers font des dispositifs de maintien, fixations et certains outillages de cette façon. »

Barrett est chimiste et physicien de métier mais s'ennuyait avec les tubes à essai — et a trouvé son chemin vers la science des matériaux et l'ingénierie. Parce qu'il est basé dans l'Ohio, Barrett a été exposé à la fabrication traditionnelle et au monde des technologies additives et d'impression 3D émergentes. Il a commencé son conseil avec une forte compréhension des deux mondes et se concentre sur aider les entreprises à profiter de la technologie là où ça a le plus de sens.

Note : Barrett, en tant que formateur pour Tooling U-SME, a hébergé un webinaire le 27 juin sur la fabrication additive sur Better MRO, où il a décrit sept catégories majeures d'impression 3D et discuté les avantages et inconvénients de chaque type. Le replay est disponible dans le lien vidéo ci-dessus. Sujets inclus :

• Photopolymérisation en cuve
  • Contient la stéréolithographie (SLA) et le traitement de lumière numérique (DLP)
• Fusion sur lit de poudre (PBF)
  • Contient SLS, frittage laser direct de métal (DMLS), SLM, fusion par faisceau d'électrons (EBM)
• Impression par jet de liant (BJP)
• Impression par jet de matière (MJP)
• Stratification de feuille (LOM)
• Extrusion de matière
  • Contient le dépôt de filament fondu (FDM)

• Dépôt d'énergie dirigé (DED)

« Il y a un certain nombre de façons clés que les fabricants et ateliers utilisent les imprimantes 3D professionnelles aujourd'hui », dit Dave Veisz, vice-président de l'ingénierie chez MakerBot. « Les entreprises les utilisent pour l'organisation du lieu de travail — pour des pièces qui aident un atelier à implémenter la fabrication allégée 5S, dispositifs d'assemblage et de mesure, pinces de pièces, jauges, et où les plastiques haute résistance sont adéquats… Vous n'allez pas l'utiliser pour des applications de force ou température élevée uniques comme les fixations de four, mais pour beaucoup d'applications de fixations et outillage, ça marche bien. »

Un avantage crucial de l'impression 3D : La complexité géométrique est « gratuite », dit Veisz. Par exemple, disons que vous concevez une pince pour prendre et placer une pièce coulée et qu'elle a une forme complexe. Vous pouvez générer l'inverse de la géométrie de coulée en CAO, la modifier pour l'application et imprimer un match parfait. Puisque le coût et temps d'impression 3D sont principalement pilotés par le volume de la pièce, il n'y a pas de coût additionnel pour les géométries difficiles à atteindre par les processus de fabrication traditionnels. »

Impression 3D métal, fabrication additive : Qui l'utilise aujourd'hui ?

La fabrication additive utilisant poudre métallique ou thermoplastiques haute température est prédominamment utilisée dans le secteur aérospatial et défense — et avec de bonnes raisons : Ces entreprises peuvent se permettre d'investir des dollars de recherche et développement vers des pièces plus petites, parfois complexes, qui ont le potentiel de baisser les coûts ou d'accélérer les délais de livraison. Pièces incluses : gaines complexes pour systèmes de contrôle environnemental, composants de soufflerie et véhicules aériens sans pilote, réservoirs pour carburant et autres liquides, pièces de substitution, et poses de composite.

« La plupart des grands OEM aérospatiaux et défense, incluant Boeing, Lockheed, GE, Northrop Grumman, ceux qui ont de grosses bases de revenus, ils sont tous dedans », dit Barrett. « Et les autres entreprises qui commencent à l'utiliser sont des firmes biomédicales faisant des implants de hanche en titane aujourd'hui. Mais le truc où vous vous heurtez, c'est le coût. »

Les OEM veulent pouvoir soumissionner le travail et sous-traiter à des fabricants plus petits. Le défi est que les standards n'ont pas rattrapé les pièces en métal imprimé pour l'instant. Les standards FAA pour pièces aérospatiales, surtout pour gros avions de passagers, peuvent être à juste titre stricts. Beaucoup de recherche est nécessaire pour comprendre quelles sont les anomalies mineures acceptables — et lesquelles ne le sont pas.

Actuellement, un petit atelier pourrait être capable d'imprimer une pièce métal pour un OEM, mais il ne peut utiliser, par exemple, qu'un seul type de poudre métallique dans sa machine selon le standard sur une machine approuvée — et donc les limitations sont coûteuses, dit Barrett. Les ateliers ont besoin de flexibilité pour faire du profit.

Voyez comment un fabricant aérospatial et défense a trouvé une niche dans le travail additif 3D. Lisez « Comment amener une pièce imprimée 3D au marché dans l'aérospatial.»

« La bonne nouvelle est que dans les 5 à 10 prochaines années, les standards commenceront à avoir un impact », dit Barrett. « Actuellement, NIST (Institut national des standards et technologie) fait beaucoup de recherche ici. »

Mais ce n'est pas limité à l'aérospatial ou implants. D'autres instruments médicaux sont faits, comme des dispositifs portatifs, chariots médicaux et guides et outils chirurgicaux, ainsi que des pièces pour l'énergie, transport et produits de consommation. Dans le pétrole et gaz, des pièces sont produites pour rotors et stator. Dans l'automobile, les entreprises font des panneaux, intérieurs personnalisés et grilles. Et pour les consommateurs, pensez forme et ajustement : montures de lunettes et designs de pré-production.

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La Method de MakerBot vise le marché professionnel et les ateliers

Une des entreprises qui a gagné beaucoup de traction et attention pendant la première adoption grand public de l'impression 3D était MakerBot. L'entreprise, qui a été achetée par Stratasys en 2013, a passé les dernières années focalisée sur la recherche et développement au-delà des marchés amateur et éducatif. Stratasys fait des pièces 3D pour Airbus depuis 2015.

Décembre dernier, MakerBot a lancé une machine d'impression 3D plus avancée visant le marché professionnel surnommée Method, qui coûte environ un tiers d'une imprimante 3D industrielle d'entrée de gamme. MakerBot a collaboré avec Stratasys pour développer la technologie utilisée dans la nouvelle machine. Method est la première nouvelle plateforme hardware en environ trois ans pour MakerBot.

« C'est vraiment la première plateforme qu'on a développée depuis le sol comme affilié de Stratasys », dit Veisz. « C'est une combinaison de propriété intellectuelle Stratasys et vaste connaissance et l'ADN design et ingénierie de MakerBot … , On n'aurait pas pu réussir cette machine sans les deux pièces. »

L'ensemble de fonctionnalités de Method est totalement différent, et il est plus robuste que les machines d'impression 3D de bureau, dit-elle. Cet ensemble inclut la double extrusion de matière modèle solide et PVA soluble — qui est un plastique soluble dans l'eau — et un cadre usiné CNC en métal, baies de matière à joint sec et une chambre chauffée circulante qui crée un coussin d'air chaud essentiel pour créer un environnement contrôlé. Chaque couche ajoutée voit le même environnement.

Pour voir les choses en action, regardez ce webinaire d'intégration sur l'impression 3D et l'usinage CNC [Source : MakerBot]

« C'est quelque chose que vous voyez sur les imprimantes 3D industrielles qui commencent dans les dizaines de milliers de dollars et vous ne voyez pas ça dans le monde de bureau », dit Veisz. Les imprimantes 3D de bureau utilisent une architecture amateur qui ne fournit pas de précision dimensionnelle répétable, les rendant inadéquates pour beaucoup d'applications de fabrication avec tolérances serrées.

Puisque l'environnement d'impression sur les imprimantes 3D de bureau n'est pas aussi contrôlé que sur les imprimantes 3D industrielles, la précision et le temps de fonctionnement de la machine souffrent aussi. Dans la plupart des imprimantes 3D de bureau, à mesure que vous montez dans la direction Z, la pièce est exposée à un environnement plus frais, ce qui fait que la couche s'affaiblit et la pièce se déforme différemment.

Avec Method, MakerBot revendique des tolérances pour la pièce finie à plus ou moins 0,2 mm pour les premiers 100 mm dans les axes X, Y et Z — et puis ça monte à cette même proportion, 0,002 mm par mm pour toute dimension au-dessus de 100 mm.

« Donc ce n'est pas tout à fait les tolérances d'usinage CNC de précision, mais c'est certainement assez proche pour la plupart des travaux de dispositifs, fixations, outillage et prototype », dit Veisz. « Et c'est en ligne avec les tolérances de moulage par injection plastique de production. Vous ne voyez pas de revendications de précision dimensionnelle dans la plupart de l'impression 3D de bureau, et MakerBot n'a pas fait de revendications sur la précision de pièce finie sur les machines précédentes … Vous ne voyez pas vraiment de revendications de précision dimensionnelle pour les pièces [dans la plupart de l'impression 3D de bureau] … C'est notable que c'est la première imprimante qu'on a lancée qui peut vraiment imprimer n'importe quelle géométrie grâce au support soluble, et l'imprimer à une précision de pièce consistante grâce aux fonctionnalités et contrôles de la machine. »

Utilisez-vous l'impression 3D pour faire des prototypes, dispositifs et fixations aujourd'hui ? Parlez-en sur le forum. [inscription requise]