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Fabrication Additive et qualité de surface

Bastien GA - Juin 2019

Contribution à l’amélioration de la prise en compte des spécificités des procédés de fabrication additive en conception : application à la qualité de surface.


La FA (Fabrication Additive) est un procédé de fabrication qui rend possible, en ajoutant de la matière couche après couche, la création de pièces en trois dimensions. Cette technologie a de nombreux intérêts car elle permet la personnalisation, l’intégration de formes ou de structures complexes, la réduction des déchets (particulièrement intéressant pour les matériaux précieux), l’amélioration de l’innovation et de la créativité, la fabrication sur demande et la réduction du temps de conception. Par exemple, dans le domaine du médical, plus de 10 millions d’aides auditives sont imprimées en 3D chaque année [2].


Cependant, des règles de bonnes pratiques doivent être appliquées à ces géométries. Le respect de celles-ci a pour but d’éviter les défauts lors de l’impression dus notamment aux problèmes thermiques et aux surplombs.

Au cours de cette thèse, nous avons cherché à déterminer des orientations remarquables de pièces afin de les fabriquer par des procédés de FA en prenant en compte les spécificités de ces derniers. La méthodologie développée pourra être employée dans le secteur industriel, dans l’aéronautique notamment où l’on veut des pièces ayant une bonne qualité de surface.

Dans les travaux existants, les orientations proposées sont le fruit de la minimisation d’une ou plusieurs quantités. Masood et al. [1] cherchent à minimiser l’erreur de volume entre la pièce imprimée et le modèle, Nezhad et al. [3] minimisent le temps d’impression et le volume de support, alors que Zwier et al. [4] récupèrent l’orientation avec le minimum de surplombs.


Au vu du grand nombre d’effets liés à l’orientation d’une pièce, il semblait intéressant de sélectionner les principaux afin de pouvoir les traiter simultanément. C’est pourquoi une approche multicritères a été choisie. En effet, nous avons considéré pour notre méthodologie 4 grandes spécificités rencontrées dans les principaux procédés de FA : la qualité de surface des pièces, le volume de support, le temps et le coût de fabrication. Cette méthode ayant été validée, d’autres critères peuvent être facilement ajoutés (les surfaces de contact entre la pièce et les supports, l’accessibilité aux supports pour les supprimer. . .).

Afin d’avoir une bonne qualité de surface sur les faces fonctionnelles de la pièce et pour limiter le post-traitement, une orientation précise a été définie pour chacune d’elle. Cette orientation est choisie pour que la rugosité, élément caractéristique de la qualité de surface, soit faible.

Pour faire évoluer cette méthodologie, il pourrait être intéressant de pondérer les faces fonctionnelles et favoriser les plus importantes, c’est à dire celles ayant des fonctions spécifiques dans un assemblage. De même, il serait possible de privilégier des orientations identiques pour plusieurs faces fonctionnelles.


En pondérant les critères pour leur donner plus ou moins d’importance, chaque orientation est évaluée, et on en déduit la plus judicieuse. Des particularités liées à certains procédés ont été intégrées à la méthode, comme des consommations énergétiques pour des procédés énergivores, cas du SLS.



A gauche, résultat de la rugosité; à droite, zone nécessitant du support en rouge et zones accueillant du support en vert, résultats obtenus sur le logiciel 4D_Additive®

Cette méthodologie a été développée dans le cadre du projet Taal, projet de recherche et développement précurseur du logiciel 4D_Additive® de Coretechnologie.

Sur ce dernier, en plus de cette méthodologie, de nombreuses fonctions ont été développées pour préparer la fabrication d’une pièce par un procédé additif.


La rugosité y est simulée pour anticiper la qualité des pièces en fonction de l’orientation de celle-ci et du procédé de fabrication utilisé, fonction présentée sur la figure 1. De même, les zones nécessitant du support et accueillant du sup- port sont calculées, car elles sont responsables d’une mauvaise qualité de surface.


Différents modules ont aussi été intégrés pour concevoir des supports adaptés aux différents procédés de fabrication additive que l’on trouve actuellement sur le marché. Il pourrait être intégré à la méthode, des règles de bonnes pratiques, comme par exemple, un contrôle des épaisseurs des parois de la pièce en fonction de leurs inclinaisons.


Sachant qu’en impression métallique, il est difficile d’obtenir la pièce désirée identique au modèle CAO, notamment à cause de problèmes thermiques, des tests ont été réalisés.

Un comparatif d’orientations d’une même pièce a été effectué avec le logiciel Amphyon® de simulation de procédés métallique (procédé DMLS et alliage de titane pour les simulations).

Il sort de ces différents tests que l’orientation de la pièce a un impact sur les déformations plastiques de la pièce. Les déformations maximales et la taille des zones déformées ne sont pas identiques en fonction de l’orientation. Il apparait de plus que certaines orientations sont nettement plus intéressantes que d’autres.


L’orientation d’une pièce en FA est une étape à ne surtout pas négliger. Bien choisie, elle permettra de trouver un compromis entre les spécificités liées aux procédés de FA. Mal choisie, elle pourra entrainer un coût important de fabrication et une qualité de surface de la pièce médiocre. En considérant que chaque critère ait la même importance, d’autres méthodes pourront être développées dans le futur, comme une optimisation multiobjectifs. Dans ce cas, chaque orientation serait testée et il serait possible de choisir une orientation parmi celles présentées sur le front de Pareto. Une étude mécanique de la pièce dans les différentes orientations testées serait envisageable et très appréciable car de nombreuses questions se posent sur la résistance des pièces imprimées.


Références

1 S. H. Masood ; W. Rattanawong ; P. Lovenitti. A generic algorithm for a best part orientation system for complex parts in rapid prototyping. Journal of Materials Processing Technology, 139 :110–116, 2003.

2 Giorgio Magistrelli. Le médical de plus en plus « additif ». A3DDM maga- zine, 11, 2017.

3 A. Sanati Nezhad ; M. Vatani ; F. Barazandeh ; A. R. Rahimi. Multi objective optimization of part orientation in stereolithography. International Conference on Simulation, Modeling AND Optimization.

4 M. P. Zwier ; W. W. Wits. Design for additive manufacturing : Automated build orientation selection and optimization. 5th CIRP Global Web Conference Research and Innovation for Future Production, 55 :128–133, 2016.