{{{sourceTextContent.title}}}

Impression hybride : Qu'est-ce que c'est et comment la réaliser ?

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

utilisation conjointe des technologies additives et soustractives

{{{sourceTextContent.description}}}

Bien que les procédés de fabrication additive et soustractive semblent être sur des terrains tout à fait opposés, en fait, à mesure que ces technologies se développent, les avantages de la fabrication hybride sont de plus en plus évidents. Les systèmes de fabrication hybride, équipés simultanément d'une technologie additive et soustractive, pourraient représenter une grande avancée technologique pour l'industrie. Ainsi, ces deux technologies peuvent être considérées comme complémentaires l'une de l'autre et être en mesure de tirer parti des avantages de chacune.

1. Fabrication hybride

L'utilisation conjointe des technologies additives et soustractives n'est pas un concept nouveau. Par exemple, le post-traitement des pièces métalliques fabriquées par impression 3D fait souvent appel à l'usinage CNC pour leur donner une précision mécanique et un meilleur état de surface. Cependant, il existe une autre façon de combiner ces deux procédés, ce qui donne lieu à ce que nous appelons la fabrication hybride (figure 1).

La fabrication hybride consiste à réunir une technologie additive et une technologie soustractive dans une même machine dans le but de profiter des avantages de chacune de ces technologies : la complexité géométrique des procédés additifs avec la haute précision des procédés soustractifs. De cette manière, il est possible d'obtenir une pièce additive et usinée en une seule étape, ce qui accélère l'ensemble du processus de production. Naturellement, la conception d'une pièce hybride doit prendre en compte les exigences de chacune de ces technologies.

Les applications des systèmes hybrides peuvent être variées, comme la fabrication de petites séries de pièces métalliques ou la réparation de pièces endommagées ou usées.

Tissu hybride

Figure 1 - Tissu hybride (Crédit : DMG Mori).

2. Dépôt d'énergie directe

Le dépôt par énergie directe (DED) est l'un des procédés additifs qui peuvent être utilisés dans les technologies hybrides. Ce procédé consiste à faire fondre le matériau par un laser ou un faisceau d'électrons lorsqu'il est déposé par une noozle sur la plate-forme de construction. Le matériau déposé peut ensuite être usiné pour obtenir un meilleur état de surface et une plus grande précision mécanique. Il est également possible d'ajouter du matériau par-dessus une pièce usinée pour augmenter la complexité géométrique de la pièce.

Un autre des avantages du procédé additif DED réside dans le fait qu'il est possible d'utiliser un système à 5 axes dans la tête d'impression, ce qui permet d'imprimer des zones géométriquement complexes sans avoir à placer de structures de support.

La DED convient à la production de pièces de grande taille et à la réparation de composants mécaniques, et ces deux caractéristiques sont tout à fait avantageuses si l'on compare ce procédé à la fusion laser de poudre métallique. D'autre part, la fusion de la poudre métallique permet d'obtenir des pièces avec une meilleure finition et une meilleure précision dimensionnelle.

3. Impression hybride

C'est avec l'objectif de réaliser une pièce hybride que nous avons commencé ce projet, en utilisant une pièce usinée CNC à laquelle nous avons ajouté un château par le procédé de fusion laser de poudre métallique. Nous ne pouvons pas parler de fabrication hybride, mais d'impression hybride, puisque nous avons utilisé deux équipements différents, une fraiseuse CNC et une imprimante 3D, pour réaliser cette pièce.

Un autre aspect que nous voulions étudier avec cette expérience était la capacité de liaison entre deux aciers de composition chimique différente. Nous avons utilisé une construction en acier 1.1730 pour la pièce usinée CNC et le château hybride a été imprimé avec une poudre métallique d'acier inoxydable 1.4404 (316L).

Nous décrivons ci-dessous les étapes qui ont conduit à la fabrication de la pièce représentée sur la figure 2.

Pièce hybride constituée d'une base usinée CNC et d'un château additif

Figure 2 - Pièce hybride constituée d'une base usinée par CNC et d'un château additif.

Le projet a commencé par la modélisation 3D de la pièce et l'étude de sa fixation sur la tranche de construction de l'imprimante 3D. Nous avons opté pour une géométrie simple d'un parallélépipède avec une boîte intérieure, à laquelle a été ajouté un château additif, c'est-à-dire une pièce qui devra être réalisée par impression 3D. À l'intérieur, ce château est constitué d'une série de fines lames de 1 mm d'épaisseur (figure 3) qui, bien qu'étant une géométrie simple, serait très difficile à exécuter d'une autre manière.

Coupe intérieure du château hybride

Figure 3 - Section intérieure du château hybride.

Un autre aspect important de cette étude était de savoir comment serrer les pièces hybrides sur la plaquette de construction. D'une part, l'imprimante ne dispose pas d'un système de redressement des pièces, comme c'est le cas dans les machines à commande numérique et, d'autre part, il serait difficile d'ajouter un système de serrage qui n'interférerait pas avec la dynamique de fonctionnement de l'imprimante. De plus, la plaquette de construction est fixée à l'imprimante par quatre vis, ce qui ne garantit pas sa performance.

Il a été décidé de faire plusieurs trous dans la plaquette en pensant aux différentes possibilités de fixation dans les futures impressions hybrides (Figure 4).

Préparation de la plaque d'impression

Figure 4 - Préparation de la plaque d'impression.

La plaque de construction (et tous ses trous) est symétrique par rapport à son axe central. Pour éviter les erreurs de positionnement lors de son serrage sur l'imprimante, on a ajouté une flèche indiquant sa position par rapport à la recouvreuse, c'est-à-dire par rapport au mécanisme mobile qui transporte la poudre métallique du cylindre d'alimentation sur la plaquette de construction, comme le montre la figure 5

Figure 5 - Étude du positionnement et de l'orientation des pièces sur la plaquette de construction.

La figure 6 nous montre une des étapes de la préparation de la plaquette de construction, à savoir l'ouverture des filets avec un mâle.

Préparation de la plaquette de construction

Figure 6 - Préparation de la plaquette de construction.

Sur la figure 7, nous pouvons voir la plaquette de construction dans l'imprimante 3D, recouverte de poudre métallique et prête à commencer l'impression du château hybride

Préparation de l'imprimante

Figure 7 - Préparation de l'imprimante (Imprimé par Eplus3D EP-M150)

Une fois l'impression terminée, il est nécessaire d'enlever la poudre métallique qui n'a pas été coulée, comme le montre la figure 8. Ce n'est qu'après avoir retiré cette poudre que nous pouvons retirer la plaquette de construction de l'imprimante. La poudre non fondue est tamisée et réutilisée pour de futures impressions

Retrait de la poudre métallique non fondue

Figure 8 - Retrait de la poudre métallique non fondue (Imprimé par Eplus3D EP-M150)

Après avoir retiré toute la poudre métallique, la plaquette de construction est retirée de la machine et le résultat de l'impression est présenté dans la figure 9.

Résultat final après impression

Figure 9 - Résultat final après impression (Imprimé par Eplus3D EP-M150)

La figure 10 montre trois pièces qui sont les résultats de cette expérience. À gauche, nous voyons la pièce de base sans l'ajout du château hybride. Dans la partie centrale, nous pouvons voir le capot hybride et dans la partie droite, nous pouvons voir le résultat après le fraisage CNC du capot hybride. Cet usinage de finition a permis d'éliminer la rugosité de surface laissée sur les parois extérieures du château hybride, résultant du processus d'impression

Pièce usinée

Figure 10 - Pièce usinée, pièce usinée avec capot hybride, pièce usinée avec capot hybride usiné par fraisage CNC.

4. Conclusion

Notre premier projet d'impression hybride a été un succès. Nous pouvons dire que le projet avait environ 70% de préparation et 30% d'exécution, étant la phase d'étude de la fixation des pièces sur la tranche d'impression qui nous a donné le plus de travail à définir.

Bien que le procédé de fusion laser de poudre métallique ne soit pas aussi polyvalent que le procédé DED, nous pouvons prouver qu'il est possible de combiner avec succès le fraisage CNC et la fusion laser de poudre métallique.

Cependant, il est important de noter que nous avons ici quelques limitations à prendre en compte. Les bonnets hybrides doivent pousser à partir d'un plan parfaitement horizontal et rectifié afin de garantir la soudure des bonnets à leur base (Figure 11). Il ne serait pas possible de réaliser cette expérience si le plan d'impression était une surface présentant un certain profil tridimensionnel

Indication du plan d'impression

Figure 11 - Indication du plan d'impression.

Il est également essentiel de s'assurer qu'aucune pièce ne se trouve au-dessus du plan d'impression, afin qu'elle n'interfère pas avec le mouvement du récupérateur. En d'autres termes, si nous voulons imprimer en hybride une pièce à la géométrie plus complexe, nous devons réfléchir à la manière d'assurer la connexion entre les pièces sans interférer avec la dynamique de l'imprimante.

Il a également été possible de démontrer qu'il est possible de réaliser une impression hybride en utilisant des métaux similaires, mais de compositions chimiques différentes.

Nuno Boavida - Technicien de formation au CENFIM Nucleus de Marinha Grande