Le couplage matériaux et procédés, clé des futurs développements de la fabrication additive

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1 Le couplage matériaux et procédés, clé des futurs développements de la fabrication additive Prof. J. Soulestin, dpt TPCIM, Mines Douai, Responsable groupe Polymères

2 Techniques de fabrication Fabrication soustractive Fabrication additive Source: usineur.fr Enlever la matière où elle est inutile Source: dmgmori.com Ajouter la matière où elle est nécessaire Ins 2

3 Ins 3

4 Number of parts Complexity of parts Fabrication additive vs traditionnelle High Traditional manufacturing (TM) Additive manufacturing (AM) Complex specific parts High Limit of complexity TM Low Small series Prototypes Low Low Cost per unit Low Ins 4

5 ARBURG Plastic Freeforming Processus de fabrication additive Basic process principle Basis: 3D CAD data Software : Layer-by-layer geometric breakdown Hardware : Layer-by-layer geometric build-up Finished component Specific data processing Additive manufac. with freeformer Copyright by ARBURG 2015 Ins 5 3

6 Additive manufacturing technologies Photopolymerization Powder bed fusion Material extrusion Sheet lamination Material jetting Binder jetting Directed Energy Deposition Ins 6

7 DIY community Office friendly Material extrusion Based on Stratasys FDM machines An additive manufacturing process in which material is selectively dispensed through a nozzle or orifice. (Reprinted, with permission from ASTM F Copyright ASTM International.) Fused Deposition Modeling (FDM) Additive Manufacturing Material Extrusion ADVANTAGES Economical (inexpensive materials) Enables multiple colors Easy to build DIY kits (one of the most common technologies for home 3D printing) A wide range of materials possible by loading the polymer DISADVANTAGES Nozzle radius limits the final quality Low speed and accuracy compared to others Machine manufacturers Stratasys Cincinnati 3DP Ins 7

8 Material extrusion Département TPCIM Ins 8

9 Powder bed fusion Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), EBM ADVANTAGES Wide array of structural materials beyond polymers No need for support materials Cheap One of two technologies that allow complex parts in metals DISADVANTAGES Expensive relative to FDM, 3DP Size limitations Energy cost Machine manufacturers EOS 3D Systems Phenix systems Ins 9

10 Powder bed fusion Centre des Matériaux, Evry Construction stable Construction instable Pas de consolidation Ins 10

11 Sheet lamination Laminated objet manufacturing (LOM) ADVANTAGES Relatively high-speed process Low cost (readily available materials) Large builds possible (no chemical reactions) No additional support structure is required (the part is self-supported) DISADVANTAGES May need postprocessing The z resolution is not as high as for other technologies Limited material set Machine manufacturers Mcor technologies Statoconception Ins 11

12 Material jetting ADVANTAGES Fast process Complex parts via sacrificial support materials DISADVANTAGES Accuracy is not as good as SLA Materials are limited (polymers and waxes) Machine manufacturers 3D Systems Stratasys Ins 12

13 Binder jetting ADVANTAGES Can create extremely realistic multi-color parts (24- bit color) using inkjet technology Can generate complex components with internal degrees of freedom Economical Versatile (metal, polymers, ceramics and combinations) DISADVANTAGES Low resolution (lowest of all AM technologies) Negligible mechanical properties (unusable for any structural application) Machine manufacturers 3D Systems Stratasys Ins 13

14 Photopolymerization ADVANTAGES Fast Good resolution No need for support material Photosensitive polymers have acceptable mechanical properties DISADVANTAGES Expensive equipment ($100-$500K) Expensive materials (photosensitive resins are ~$ /kg) Material suite limited to resins Machine manufacturers 3D System Z Corporation Ins 14

15 Quel matériaux pour quelle techno? Ins 15

16 Quels besoins pour la fabrication additive? Ins 16

17 GT3 - Nouveaux Projets - IMT Techno Clé : Fabrication Additive Nom. MATFAB Leadership IMT. Jérémie Soulestin (Mines Douai) Objectif & Différenciateurs IMT. Nouveaux Matériaux pour la Fabrication Additive. Approche conjointe : Matériaux-Processus-Applications. Partes & Rôles. Académiques. Mines Douai, EMSE, Mines Albi, Mines Alès, Mines ParisTech. Telecom Bretagne Procteurs de Matériaux. Total, Arkema, Société des Céramiques Techniques (SCT), Avignon Céramic. Applications Aéronautiques. Safran, Michelin. Budget, Volume H-M, Durée. 4M, 4ans. Guichets Cibles & Justification. PIAVE Ins Futur. Date de dépôt anticipé. 29/01/2016 Plateformes en support & Fonctions. ACLAME (Carnot M.I.N.E.S.), EXTREMOM, MIMAUSA, Plateformes de Mines ParisTech. Ins 17 Ins Futur

18 Plateformes - Moyens ACLAME (CDM, EXTREMOM, MIMAUSA) Fabrication de micro et nano-structures par photo-inscription directe massivement parallèle Markone, Markforged re? ise en conformité? Phenix Machine Systems SLM PM100T 125 HL iennent Ins les déchets? 18 Freeformer, Arburg Replicator, Makerbot

19 Compétences Etude - Optimisation Elaboration et mise en oeuvre des matériaux Modélisation des procédés Etude Optimisation Mise en forme des matériaux Caractérisation mécanique à court et long terme Analyse structurale Caractérisation hyperfréquence de matériaux Prédiction comportement mécanique Fabrication de micro et nanostructures par photo-inscription directe massivement parallèle Ins 19 Design - Conception de composants, capteurs et sous-sytèmes (RF et Wireless)

20 Projet MATFAB Développement de matériaux pour la fabrication additive Matériaux spécifiques Matériaux fonctionnels 20 Ins Futur

21 Développement de matériaux spécifiques pour la fabrication additive Céramiques Polymères SC Nano-impression 3D Matériaux hybrides Optimisation des caractéristiques matériaux fabrication de poudres adaptation des compositions optimisation des caractéristiques rhéologiques contrôle de la microstructure après fabrication additive (polymères, métaux, céramiques) optimisation des interfaces Optimisation des caractéristiques matériaux pour la fabrication de pièces multi-matériaux fabrication de poudres multi-matériaux matériaux à gradient optimisation des interfaces localisation de particules aux interfaces 21 Ins Futur

22 Développement de matériaux fonctionnels pour la fabrication additive Elaboration de matériaux fonctionnels (optiques, diélectriques, capacité de métallisation) Fabrication des structures propriétés diélectriques effectives artificiellement ajustées Utilisation de matériaux compatible avec la technologie de métallisation LPKF Fabrication de pièces 3D pour des applications biomédicales Fabrication de structures 3D poreuses résorbantes pour la fabrication d implants Fabrication de prothèses incluant des capteurs sensibles à la pression ou récupérateur d énergie Ins 22

23 Modè le de prése ntatio n Instit ut 23

24 Modè le de prése ntatio n Instit ut 24