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Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en polymères
15.11.2013 – Toulon
Sébastien MOUSSARD – Ingénieur Matériaux
Matériautech®
39 rue de la Cité, 69003 Lyon
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 2
Sommaire
1. Présentation de la Matériautech®
2. Principe – applications
3. Les technologies de fabrication additive
4. Forces et faiblesses
5. Conclusions – Innovations
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 3
Matériautech®
Materiautech® - Lyon
La Matériautech® :
Un espace dédié aux innovations matières / process regroupant près de 600 matières
plastiques
Un outil de mise en relation pour plus de 650 industriels par an ayant une problématique
liée au développement de nouveaux produits plastiques ou à l’innovation.
Un réseau regroupant centres techniques, fabricant matières/additifs, spécialistes de la
décoration, …
GEM®
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 4
Les Matériautech®, sont des centres de compétences européens en Plasturgie et Eco-Conception.
En Europe LYON / GENERALISTE (Allizé Plasturgie)
ITALIE / MATIERES TECHNIQUES HT (Proplast)
OYONNAX / INJECTION & COMPOSITES (PEP)
SOPHIA ANTIPOLIS / BIOMATERIAUX (Carma)
SAINT- ETIENNE / DESIGNER (Cité du Design)
ALES / NANOMATERIAUX (Ecole des Mines)
Développements en cours Allemagne / Espagne
7 Materiautech®
PARIS / GENERALISTE (Fédération de la Plasturgie)
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 5
Principe de la fabrication additive
Procédé de mise en forme d’une pièce complexe par ajout de
matière, par empilement de couches successives sans utilisation
d’outillages conventionnels
Modélisation 3D sur
ordinateur
Transfert des données
Production Pièce finie
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 6
Principales applications de la fabrication additive
Prototypage rapide
Maquette conceptuelle, visuelle
Tests d’assemblage/ajustement
Tests fonctionnels
• Résistance chimique
• Propriétés mécaniques
• Propriétés thermiques
Tests de durabilité
• Tenue au vieillissement (UV)
Tests réglementaires
• Qualité alimentaire
• Biocompatibilité
Fabrication directe de pièces
• Petites séries (≥1)
• Personnalisation des produits
3,9
6,6
9,6
11,7
14
17,2
19,6
24
28,3
0
5
10
15
20
25
30
2003 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Part de la fabrication directe [%]
[Wohlers report 2013]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 7
Les technologies de fabrication additive
Plastiques
Projection jet de matière
PolyJet (Stratasys)
MultiJet (3D Systems)
Photo-polymérisation
Stéréolithographie (SLA)
Digital light processing (DLP)
Projection de liants
Impression 3D (3DP)
Extrusion
Dépôt de fil
(FDM)
Fusion de poudres
Frittage de poudres
(SLS)
Frittage de poudres (SMS)
ISO/ASTM 52921:2013
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 8
Niveau de détails élevé Résistance thermo-mécanique limitée
Solution multimatériaux Vieillissement des matières
Large choix de matières (+60)
PolyJet
Principe : Projection jet de matière
Jet de résines photopolymères durcie par lampe UV
Matières
Photopolymères à base acrylique, photopolymères
élastomères
Post-traitement
Dissolution de la résine support avec de l’eau Matériau A
Matériau B
Têtes d’impression
Lampe UV
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 9
PolyJet - applications
Tests fonctionnels, réglementaires , validation visuelle
Simulation de plastiques techniques
• En température jusqu’à 80°C
• Simulation ABS (température, rigidité)
Simulation de plastiques standards
• Transparence
• Couleurs
• Souplesse (TPE, caoutchoucs)
• Simulation PP
• Bio compatible
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 10
PolyJet - applications
Simulation surmoulage/multi-injection, soft touch
Prothèses dentaires
Médical
[Stratasys]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 11
Stéréolithographie (SLA)
Pièces avec une géométrie complexe Résistance mécanique
Excellente finition Post traitement au four pour finaliser la
polymérisation
Cout compétitif Vieillissement aux UV
Laser
Lentilles
Photopolymère
liquide
Pièce
Plateforme
Racle
Rayon laser
Cuve
Principe : Photopolymérisation
Résine photopolymère durcissant aux UV à l’aide d’un
laser
Matière :
Photopolymères à partir de résine époxy, acrylate
Nettoyage puis post traitement au four (étuve UV)
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 12
SLA – applications
Tests fonctionnels, validation visuelle
Simulation de plastiques techniques
• En température jusqu’à 60-70°C, 110°C (après
traitement)
• Simulation ABS (propriétés mécaniques)
Simulation de plastiques standards
• Transparence
• Couleurs (blanc, ambre, bleu, noir)
• Simulation PP
[3D Systems]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 13
SLA – applications
Maquette conceptuelle, visuelle
Aide à la réalisation d’outillages en silicone
[3D Systems]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 14
Comparaison SLA / PolyJet / Injection
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Moduled'élasticité [MPa]
Contrainte à larupture [MPa]
Elongation à larupture [%]
Résistance àl'impact [J/m]
Module deflextion [MPa]
HDT (0.45 MPa)[°C]
ABS Injection
ABSlike Polyjet
Accura ABS SLA
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 15
Impression 3D (3DP)
Multi couleur Propriétés grossières et fragiles
Temps de fabrication rapide Vieillissement des matières
Géométrie complexe
Alimentation
poudre
Piston Piston
Poudre
Pièce
Tête d'impression
Rouleau
Alimentation
adhésif liquide
Principe : Projection de liants
Liant liquide imprimé par jet sur la poudre
Matière
Poudre à base de plâtre / liant liquide
Post traitement
Pas de support de construction
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 16
3DP – applications
Fabrication de pièces multicolores / prototype visuels
[Z-Corp - 3D Systems]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 17
Frittage sélectif de poudres (SLS)
Production de pièces à géométrie complexe Texture granuleuse
Bonnes propriétés thermo-mécaniques Propriétés anisotropiques
Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires Propriétés inférieures / matières moulées
Laser
Piston
Piston Piston
Alimentation
poudre
Piston
Poudre
Pièce
Rayon laser
Rouleau
Alimentation
poudre
Principe
Fusion de poudres thermoplastiques par laser CO2
Matériaux : thermoplastiques
PA6 (Solvay)
PA11, PA12, PEEK, PS, PA12+CF, PA12+GF (Eos
GmbH, 3D Systems)
Post traitement : nettoyage de la pièce
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 18
SLS – applications
Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires, petites séries
Fabrication rapide de prototypes fonctionnels / pièces grâce à l’utilisation de
thermoplastiques haute performance
• Bonnes propriétés mécaniques, remplacement métal, PA+CF, PA+GF
• Excellent ratio rigidité/gain de poids
• Performance en température > 150°C, PEEK
• Résistance au feu, PEEK
• Résistance à l’abrasion, PEEK
• Bio compatible (PEEK, PA)
• Excellentes propriétés chimiques : PA12
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 19
SLS – applications
Médical
Aéronautique
Implant en PEEK Prothèses dentaires Prothèses
Conduits d’airs en PA Conduits d’airs en PEEK
Association avec un CT-scan [Eos GmbH]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 20
SLS – applications
Design Industrie
Automobile
[Solvay]
[Eos GmbH]
Trompette
d’admission
Carter d’huile Cadran de feu avant Collecteur d’admission d’air
Lampe design
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 21
Comparaison SLS / Injection
0
20
40
60
80
100
120
Rés
ista
nc
e à
la
ru
ptu
re (
Mp
a)
0
10
20
30
40
50
60
Elo
ng
ati
on
à l
a r
up
ture
(M
pa
) Fragilité des pièces en SLS à cause de la porosité des pièces frittées
Les propriétés mécaniques dépendent de la direction X, Y, Z du fait de la
fabrication couche par couche
[Eos GmbH]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 22
Bonne propriétés mécaniques et
thermiques des matériaux
Finition – état de surface
Utilisation de thermoplastiques Pièces anisotropiques
Coût Choix des matières
Dépôt de fil fondu (FDM)
Bobine matière
Support pièce
Pièce
Bobine matière
support
Plateforme
Filaments
Tête extrusion
Roue motrice
Buse
Principe
Extrusion d’un fil thermoplastique
Matières :
Thermoplastiques : PC, PC/ABS, ABS, PPS, PEI
Post traitement :
Dissolution de la résine support dans du détergent
et de l'eau
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 23
FDM – applications
Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires, petites séries
Prototypes fonctionnels grâce à l’utilisation de thermoplastiques haute
performance
• Performances mécaniques : rigidité, résistance à l’impact (ABS, PC, PEI)
• Résistance thermique > 150°C (PEI)
• Excellente résistance au feu : comportement V0 des PEI
• Biocompatible : ABS, PC, PPSU (stérilisable EtO et gamma)
• Résistance chimique
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 24
FDM – applications
Médical
Aéronautique
Conduits d’air en PEI
Ultem
Electronique
Dispositifs médicaux en ABS
[Stratasys]
Industrie
ABS avec des
propriétés antistatiques
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 25
Comparaison FDM / Injection
Les propriétés mécaniques dépendent de la direction
X, Y, Z du fait de la fabrication couche par couche et
du sens du fil
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
PPSU PC ABS PC-ABS PEIULTEM
Mo
du
le d
e Y
ou
ng
(M
pa)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
PPSU PC ABS PC-ABS PEIULTEM
Elo
ng
ati
on
à la
ru
ptu
re (
%)
Fragilité des pièces en FDM du fait de l’adhésion entre les fils
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 26
Comparatif
Attribut PolyJet SLA 3DP FDM SLS
Matériau Photopolymères Photopolymères Poudre à base de
plâtre Thermoplastiques Thermoplastiques
Finition /
Précision +
0,015-0,203 mm
+ 0,051-0,152 mm
+ 0,089-0,203 mm
- 0,127-0,330 mm
- 0,102 mm
Robustesse
[Mpa] +
49,6-60,3
+ 17,2-68,9
- Faible
++ 35,9-71,5
++ 36,5-77,9
Tenue en
température
[°C]
+ 80°C
+ 60°C (110°C)
- Faible
++ >150°C
++ >150°C
Dim. max.
pièce [mm]
+ 1000×800×500
Objet1000
+ 1500x750x550
iPro9000XL
- 508x381x229
Zprinter®850
+ 914x610x914
Fortus900mc
+ 1500x500x500
Hofmann
Multimatière/
muticouleur Oui Non Oui Non Non
Prix [k€] 20-500 30-600 15-200 1-450 150-600
Principaux
fournisseurs Stratasys 3D Systems 3D Systems Stratasys
EOS
3D Systems
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 27
Forces des technologies de fabrication additive
Pas besoin de développer d’outillages
• Élimination des coûts liés à l’outillage
Complexité des pièces / liberté de design
Personnalisation / Individualisation / Différenciation
Flexibilité et réactivité
• Gain sur le développement de produits
• Gain sur la fabrication
Idée Conception pièce Conception et Fabrication d’outillage Production
Impression Idée Conception pièce
Time to market
[Arcam]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 28
Faiblesses des technologies de fabrication additive
Choix limité de matériaux par rapport aux techniques conventionnelles
Propriétés encore limités pour des applications hautes performances
Propriétés mécaniques inférieures par rapport aux technologies
conventionnelles
Aspect de surface, précision des détails, stabilité du process
Utilisation de matériaux spéciaux onéreux (poudre, fils…) limitant le choix
des matières
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 29
Conclusion - Innovation Arburg K2013
Fabrication sans structure de support couche par couche,
à partir d’infimes gouttelettes
Utilisation de granulés standards économiques au lieu de
matériaux spéciaux onéreux
Possibilité d’avoir des solutions multi matières
Obturateur à buse cadencée
Porte-pièces mobile à 3 ou 5 axes
Granulés Vis injection
[Arburg]
Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 30
Sébastien MOUSSARD Ingénieur matériaux
Tél : +33 (0) 426 682 857 [email protected]
Gilles GAUTHIER Materiautech® Manager Tél : +33 (0) 426 682 856
39 rue de la Cité 69441 LYON - Cedex 03 France
www.materiautech.org
Merci pour votre attention !