Etat de l art dans le domaine de la Fabrication Rapide/Directe assistée Laser
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- Bertrand Marois
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1 Etat de l art dans le domaine de la Fabrication Rapide/Directe assistée Laser Ph. BERTRAND Laboratoire DIPI, Ecole Nationale d Ingénieurs de Saint Etienne, St Etienne Cedex 2
2 Industries embracing the Rapid Prototyping Technology Motor vehicles; 20% Other; 8% Military; 6% R&D Academic; 10% Medical; 13% Aerospace; 8% Industrial Machinery; 7% Consumer Products and Electronic; 28% Wholers Associates
3 cumulative systems installed by contry from 1988 through 2004 (13500 équipements) Other; 9% Taiwan; 2% China; 7% Korea; 2% North America: 42 % Europe: 24.7 % Asia Pacific: 30.3 % Other: 2% US; 41% Japan; 16% Italy; 3% UK ; 5% Sweden; 1% France (377); 3% Germany; 9% Canada; 1% Wholers Associates
4 wide range of applications Direct Manufacturing: rising from 3% in 2003 to 8% in 2004 tooling components; 7% patterns for cast; 8% Direct Manufacturing; 8% Visual aids for engineering; 13% Visual aids for toolmakers; 4% requesting quotes; 5% patterns for prototype tooling; 10% ergonomic studies; 3% presentation models; 10% functional models; 16% fit and assembly; 11% Wholers Associates
5 Du prototypage à la fabrication rapide Sources B. VERQUIN CETIM Prototypage : A partir de la fin des années 80 Outillage rapide : Début 1992 Fabrication rapide: Maintenant!
6 Maintenant ~ 1996 Fabrication rapide - Poudre métallique, Sources B. VERQUIN CETIM 10 années d évolutions, exemples : Machines Poudre Offre Applications Laser : CO2 Vitesse : 1.5 m/min Taille : 100 µm Matériaux : Acier+bronze Deux: DTM EOS Outillage rapide Prototypes Laser : -Yag - Disc -Fibre Vitesse : 10m/min Process : - Chauffage de l enceinte - Double chambre de fabrication Taille : 20 µm Matériaux : - Aciers à outils -Ti - Acier Inox. -CoCr -... Onze : ARCAM CONCEPT LASER EOS MCP PHENIX TRUMPF 3D SYSTEMS... Prototypes Médical Aéronautique Petites séries Outillage rapide.
7 Production rapide - Poudre métallique Sources B. VERQUIN CETIM Le marché aujourd'hui Fabrication directe Sans Fusion Fusion de poudre 1 étape 2 étapes Lit de poudre Apport direct Electron Laser EOS 3D Systems Arcam Trumpf MCP Concept Laser Optomec DMLS Disc Fiber YAG SLS Prometal EOS POM - Trumpf Fiber 3DPrinting Phenix Systems Fiber Aeromet
8 Principal avantage de ce type de Procédé vis-à-vis des procédés conventionnels de fabrication Fabrication d objets 3D à géométrie complexe multimatériaux, multifonctionnels Utilisant toutes les potentialités de conception 3D 16 pièces + collage 1 seule pièce
9 Principaux inconvénients de ce type de Procédé vis-à-vis des procédés conventionnels de fabrication Précision État de surface Opérations de finitions La machine parfaite n existe pas!
10 Évolutions technologiques nécessaires pour développer les applications industrielles Répétabilité du process Utilisation de poudres du commerce Coûts (poudre, machine) productivité
11 Fusion sur lit de poudre Fichiers CAO processeur machine frittage couche de poudre obtention de la pièce bonne matière laser
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13 Propriétés Mécaniques Mechanical Mechanical Materials strength strength Rm (Mpa) Rp 0.2 (Mpa) A (%) Average hardness (HV30) STAINLESS STEEL NON FERROUS ALLOY 316L ± 4 904L ± 3 CoCr ± 6 SUPER ALLOY Inconel ± 9 TOOL STEEL PH ± 3 Z40CDV ± 7 Caractéristiques géométriques Accuracy : +/-50µm/120mm Details size : 100µm Repeatability : 20µm on x, y, z
14 Ceramic materials Alumina Mullite Accuracy : +/-50µm/120mm Details size : 300µm Repeatability : 20µm on x, y, z
15 Applications industrielles de la Fabrication Directe Outillage Médical Automobile : Prototypes, Compétition Fabrication directe Prototypes Aéronautique Petites séries A découvrir Nucléaire
16 Applications Nucléaires: Divertor for ITER
17 Applications Nucléaires: Divertor for ITER
18 Applications Nucléaires: Divertor for ITER
19 Applications Dentaires NiCr, CoCr Programme de recherche sur des prothèses en ZrO2-Y2O3
20 Projet ANTIOPE Moulistes et transformateurs Cogemoule SVO Legrand RP2i (mouliste) (mouliste) Centres techniques CLFA CEA EMAC / CROMeP CIRTES PEP Financement MINEFI (transformateur) (distributeur stratoconception) (laser) (brasage) (stratoconception) (frittage et injection) (analyse matériaux et simulation)
21 Outillage rapide : boitier électrique LEGRAND poinçon Canaux de refroidissement Pièce matrice
22 Fichiers STL Poinçon Matrice
23 Bronze: 2 empreintes Temps: 27h Dimensions: 70 x 60 x 45mm
24 Apport Direct de poudre
25 Apport Direct de poudre Base du procédé: Le rechargement Laser Carrying gaz with particles Shielding gaz Last deposited layer Laser beam Particle flow Substrate Sample Powder flow (coaxial) Coating Substrate Laser beam cold particles hot particles HAZ
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29 Livrables : «Prototypes pièces et machines validés», «unité pilote de production partagée» sur le territoire. Emploi : Durant le projet : 5 doctorants, 4 ing. et tech. plateforme. L unité pilote partagée emploiera à terme 2 ingénieurs et 4 techniciens Constructeurs Machine: une dizaine d emplois par constructeurs (basé sur l expérience du développement de machines antérieures) à court terme Marchés : Départ : Automobile, aéronautique, biens d équipements, Suite : Nouveaux marchés, Nouveaux débouchés, nouveaux besoins sur d importantes niches. GPP MULTIMAT : Grand Projet Poudre - Ingénierie et Industrialisation d équipements fabriquant des composants 3D à géométrie complexe, multi matériaux, multi fonctions, à base de poudre. Objectif : Développer des procédés industriels/équipements innovants (Compaction frittage, frittage/fusion Laser) pour fabriquer des composants 3D à géométrie complexe multi-matériaux (multifonctions) à base de poudre. Etat de l art : Prototypage rapide stéréolitographie Prototypage rapide Outillage rapide Fabrication Directe Frittage Poudre dédiée Fabrication Directe Fusion / Monomatériaux «Bonne Matière» Poudre dédiée/commerciale GPP MULTIMAT Fabrication Directe Multimatériaux / Multifonctionnels Poudre commerciale 80 s Pas de tenue méca. 90 s Prop Méca Inférieure 00 s Prop Méca Infér. 05 s Prop. Méca Comparables 10 s Prop. Méca Supérieures
30 La démarche est multi-phases, elle s appuie sur : Des travaux scientifiques sur la maîtrise et la modélisation des procédés innovants Des investigations de veille et étude de marchés sur les potentiels économiques Des études de faisabilités sur des pièces industrielles de marchés pilotes Des études d industrialisation des machines mettant en œuvre les procédés Spécifications et bilan des acquis Faisabilités et pièces prototypes Méthodologie Multi-matériaux Mise en œuvre des procédés, Modélisation, Caractérisation Validation OK Pièces de démonstration Test de performances STOP ou Etudes technico économiques Approche technicoéconomiques Faisabilités et machines prototypes Concepts de machines multimatériaux Ingénierie machine Équipements prototypes Mise au point - validation Mise en œuvre d unités pilotes de production partagées pour des pièces Multi-matériaux multi-fonctions à partir de poudre
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