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Quality for AM

Marge de manœuvre illimitée dans la mise en forme, personnalisation, efficacité des matériaux, allègement des pièces... ce ne sont là que quelques-uns des avantages de la fabrication additive (AM) ou de l'impression 3D. Il faut toutefois plus qu’une imprimante 3D pour réussir la transition vers l'AM en production. Les points requérant une attention particulière sont les suivants : la conception, qui nécessite souvent une toute autre approche et un état d'esprit totalement différent de la part du concepteur, et la qualité finale des pièces imprimées. L'assurance qualité passe par un contrôle et un suivi stricts du processus de production, ainsi que des matières premières tout au long de celui-ci. C'est pourquoi Sirris investit continuellement dans son infrastructure et ses connaissances en matière d'AM par le biais de divers projets de recherche, afin de maintenir à jour et de développer son expertise et ses services dans ce domaine.

Traitement des données de surveillance du bain de fusion pour le contrôle qualité

La mise au point de pièces détachées avec la technologie de fabrication additive SLM (selective laser melting, ou fusion sélective par laser), en particulier pour le secteur de l’aviation, nécessite un excellent suivi de la qualité tout au long du processus de production. Dans le cadre du projet Enable, Sirris travaille sur l'utilisation de systèmes de surveillance in situ pour faciliter la détection de défauts d'impression grâce à des contrôles non destructifs. C’est pourquoi nous avons doté nos machines d’un système de surveillance du bain de fusion (melt pool monitoring) et d’une caméra pour enregistrer les conditions de production. Le volume important des données collectées lors de la surveillance rend cependant leur traitement, ainsi que l’identification des défauts d’impression, très difficiles. 

Nouveau développement dans le traitement des données de surveillance du bain de fusion en SLM

L’étude vise à contrôler et à traiter les données in situ collectées à trois étapes différentes : avant, pendant et après la fusion de la poudre au laser. Les images prises avant et après l’exposition enregistrent des informations essentielles sur l’étalement de la couche de poudre et la qualité de la couche imprimée. Les deux images ont été traitées pour détecter les anomalies. En parallèle, les données de surveillance du bain de fusion ont été analysées au moyen d’algorithmes pour l’apprentissage automatique. Enfin, une pièce de référence a été fabriquée afin de contrôler la précision des algorithmes proposés.

Dans le cadre du projet, il a été possible de prédire les anomalies avec succès et une corrélation a été établie avec la détection des défauts par le biais des trois types de données analysées. L’étude a pour objectif final de diminuer le recours aux tests non destructifs pour détecter les défauts d’impression et d’améliorer le repérage de ces derniers par le biais d’un système de surveillance du bain de fusion. 

Ce type de projets de recherche permet à Sirris d’améliorer encore ses compétences afin de mieux accompagner l’industrie dans l’acquisition de connaissances en matière de procédés de fabrication additive. 

Le projet Enable est soutenu par le fonds européen Marie Curie (ITN) H2020-MSCA-ITN-2017 (N°764979).

Mesure des contraintes résiduelles en vue d’améliorer la qualité des pièces

Dans la fabrication additive (impression 3D), des contraintes résiduelles sont introduites du fait du refroidissement rapide du métal. Elles dépendent des paramètres du processus, de la conception de la pièce, des effets métallurgiques, etc. Ces contraintes peuvent entraîner des déformations ou des fissures indésirables lors de la finition, du traitement thermique ou même de l’utilisation, et ont notamment un impact significatif sur la résistance à la fatigue du métal.

En 2020, Sirris a fait l’acquisition d’un nouveau système de diffraction des rayons X dans le cadre du projet FEDER IAWATHA. Ce dispositif permet de mesurer les contraintes internes dans les pièces métalliques de manière non destructive. Grâce à un enlèvement sélectif de matière par électropolissage, il est également possible de mesurer des profils de profondeur (de 20 µm à 1,5 mm). La mesure d'un tel profil implique cependant une analyse destructive, en fonction de la profondeur souhaitée. Ce système fournit un instrument puissant, tant pour le contrôle de la qualité que pour la recherche. Sa capacité à caractériser les contraintes résiduelles locales est essentielle pour améliorer les conditions du traitement.

Unique en Belgique

Le principal avantage est la portabilité du système, qui le rend unique en Belgique. Cette particularité permet de mesurer sur site des pièces de toute taille, et pas seulement des coupons d’essai ou des pièces découpées dans un composant plus grand. Cela présente un grand avantage pour les grandes pièces imprimées à l’aide de techniques telles que la fabrication additive arc-fil (WAAM) ou le dépôt de métal par laser (LMD). Pour les petites pièces de forme complexe, la flexibilité du système offre plus de possibilités pour mesurer les contraintes dans des zones plus difficiles d'accès. 

Ce nouveau dispositif permet à Sirris d'étendre son service à l'industrie belge. En outre, il fournira également des informations importantes pour le développement ultérieur de logiciels de modélisation pour l'impression 3D.

Impression de pièces de forme libre à partir de matériaux hybrides à l’aide d’un cobot

La réduction de l'empreinte carbone des matériaux est une préoccupation générale et les structures hybrides en métal-polymère et composite-polymère jouent un rôle important à cet égard. Quel que soit le domaine d'application, l'industrie cherche à rendre les méthodes de production plus efficaces, à réduire les coûts grâce à des délais plus courts et à ajouter de la complexité et des fonctionnalités à des pièces standards, ce qui ne peut être réalisé avec les procédés de fabrication traditionnels, tels que le moulage par injection. Depuis un certain temps déjà, les experts de Sirris s’attachent à rendre les structures hybrides moins coûteuses, plus durables et plus accessibles pour l'industrie. Dans ce contexte, le Product Development Hub a fait l’acquisition d’un Power Cobot Stäubli. Compte tenu de notre expérience dans l'extrusion de thermoplastiques exotiques, notre objectif est d'équiper le bras d'une tête d'extrusion alimentée en granulés qui nous permettrait de créer des structures avec la liberté de mouvement que peut offrir un robot industriel à six axes.

Les possibilités technologiques sont infinies, mais notre priorité était d'ajouter une fonctionnalité, via l'extrusion, sur une pièce existante et d’adapter de nouvelles pièces sur un grand substrat existant (en métal ou en composite) qui ne pouvait pas être produit par surmoulage.

Expériences avec des assemblages de matériaux

Une tête alimentée avec des granulés permet une plus grande flexibilité dans le choix des matériaux pour le processus d'extrusion. Les experts de Sirris ont réalisé des expériences avec différents matériaux afin de découvrir les limites du procédé. Ils ont développé les paramètres pour certains thermoplastiques et élastomères et sont en mesure de passer très rapidement à un autre matériau. Enfin, ils ont travaillé sur les applications de l'impression de formes libres pour la création de pièces hybrides sur des substrats composites et métalliques. De nombreux défis sont liés à la réalisation d'une liaison solide entre le substrat et la pièce imprimée. Nous recherchons des solutions sur mesure pour imprimer à partir de surfaces non planes et imprimer des géométries non planes. Des formes très complexes à l'intérieur et à l'extérieur des composants sont déjà possibles.

Les principaux domaines d'application de cette technologie sont les secteurs de l'automobile et de l'aviation, dans lesquels les composites jouent un rôle de plus en plus important. En rendant les pièces meilleur marché, plus résistantes et plus légères, nous contribuons à une efficacité accrue en termes de consommation de carburant.