Ouvrir la voie à une révolution de l’impression 3D en Europe
La fabrication additive est le nom de production industrielle de l’impression 3D, un processus contrôlé par ordinateur qui crée des pièces en 3D en déposant des matériaux en couches. Ce processus de transformation offre une liberté de conception illimitée, des niveaux sans précédent d’intégration fonctionnelle des dispositifs, tout en utilisant moins d’énergie et de matières premières et en générant peu de déchets. Malgré leur potentiel, les processus et les matériaux additifs ne sont actuellement pas assez matures pour soutenir une industrie entière. L’impression de pièces couche par couche n’a tout simplement pas atteint la vitesse, la précision et l’échelle requises pour remplacer les méthodes de fabrication traditionnelles. C’est là qu’intervient PAM^2. Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet a abordé l’ensemble du spectre du développement de la fabrication additive, de la conception et de la modélisation du produit à sa fabrication, en passant par la mesure de la qualité et l’inspection finale, afin de permettre des conceptions plus précises et plus fines.
Des outils de conception et de modélisation améliorés
En se concentrant sur la fusion laser sur lit de poudre, une technique de fabrication additive qui utilise un laser pour faire fondre et fusionner le matériau afin de former un objet en 3D, les chercheurs ont agi sur plusieurs fronts. Un nouveau modèle thermique, appelé «détecteur de points chauds», a permis de détecter les zones de concentration de chaleur. Un modèle en état stationnaire a été utilisé pour intégrer les contraintes de la fabrication additive dans les méthodes d’optimisation de la topologie afin de générer des conceptions robustes qui ne sont pas sujettes à la surchauffe. Le modèle a permis aux chercheurs de concevoir des moules améliorés pour des jouets de construction comme les briques LEGO et des structures de support. La combinaison de modèles dynamiques thermo-fluides et de modèles à éléments localisés a permis de réduire considérablement les temps de simulation du processus de fabrication additive de métaux, et donc le temps de développement des produits. En modélisant le processus à différentes échelles de longueur, les chercheurs ont constaté que des vitesses de balayage plus élevées entraînent des taux de refroidissement plus importants et des grains plus fins, ce qui améliore la résistance mécanique des échantillons. Les études ont également révélé la manière dont les changements de morphologie dans la zone de dépression (une cavité induite par la pression de recul de l’évaporation du métal) affectent l’absorption laser. Enfin, un nouveau modèle réduit a été utilisé pour prédire les contraintes résiduelles et les déformations.
Stratégies de processus et techniques de métrologie avancées
L’utilisation du contrôle statistique des processus et de la régression quadratique a permis d’obtenir des prédictions plus fiables sur les paramètres des pièces métalliques, qui ont à leur tour fourni un retour d’information correctif au stade de la conception des pièces imprimées en 3D. Les ondes de choc induites par laser et les méthodes de refonte ont permis d’améliorer la qualité de la surface du métal, tandis que l’ablation au laser a renforcé la précision des bords. Les activités du projet étaient également axées sur le développement d’outils de métrologie améliorés pour une inspection en cours de processus et après le processus. Les chercheurs ont testé de nouvelles méthodes de surveillance optique du bain de fusion et un système compact de variation de la focale pour effectuer des mesures de qualité en cours de processus. Ils ont également expérimenté un système de tomodensitométrie à microfoyer et des techniques de profilométrie par projection de franges pour le post-traitement des pièces métalliques imprimées en 3D. Les technologies de fabrication additive évoluent à un rythme rapide. De plus en plus de sociétés transfèrent leur production vers la fabrication additive ou l’intègrent à leurs activités. Les nouveaux processus en cours de développement et une gamme toujours plus vaste de matériaux de qualité supérieure ouvrent un large éventail de possibilités. «La fabrication additive simplifie la conception et la fabrication de dispositifs légers et personnalisés destinés aux secteurs de la santé, de l’automobile, de l’aérospatiale et autres. Elle pourrait offrir à l’Europe l’opportunité de porter la part, en déclin, de son industrie au-delà de 20 % du produit intérieur brut», conclut Ann Witvrouw, coordinatrice du projet.
Mots‑clés
PAM^2, fabrication additive, conception, métal, métrologie, impression 3D, en cours de processus, après le processus, fusion sur lit de poudre
