Chapitre I : Etat de l’art
Partie 1 : les procédés de la fabrication additive
4. La chaîne numérique dans la fabrication
Dans ce qui précède, nous avons effectué un état de l’art sur les différents procédés de FA, leurs spécificités, leurs points communs ainsi que leurs distinctions. Nous avons vu que ces procédés permettent de construire des pièces 3D en différents matériaux (selon les machines), par une méthode de couche par couche à partir d’un modèle numérique. On abordera ce dernier point dans ce qui suit.
4.1 Historique
Autrefois, les machines de fabrication nécessitaient la présence permanente de l’opérateur. Ainsi, toutes les données concernant le projet de fabrication se présentaient sous forme « papiers ». Grâce à l’introduction de la commande numérique en 1952 au MIT en Amérique [26], on est passé à la numérisation des données, ce qui a favorisé l’apparition des outils CAO qui offrent une modélisation 3D performante et précise, et des outils FAO générant les programmes de fabrication permettant le pilotage des machines CNC. La diversité de ces données numériques et leur complexité nécessitent des outils performants de gestion, ce qui a amené à l’apparition de la notion de « chaîne numérique ».
Figure 12. Impact de l’orientation sur l’état de surface : cas d’une orientation unique (a), cas d’une orientation adaptée avec une machine 5 axes (b)
La chaîne numérique, comme définit par [26] est «les différentes étapes qui composent la réalisation d’un projet depuis la conception jusqu’à la fabrication du produit fini, dans un environnement numérique». Cette notion est devenue un enjeu de plus en plus important dans l’industrie manufacturière, et la FA, comme tous les procédés de fabrication, n’échappe pas à ce principe.
4.2 La chaine numérique de FA
Le processus de FA se constitue de plusieurs étapes successives : la création d’un modèle géométrique, le tranchage, la génération de la trajectoire de balayage de la tête d’impression, la fabrication couche par couche, puis finalement les opérations du post-traitement. (Figure 13). On va s’intéresser aux trois premières étapes qui constituent la chaine numérique de la FA.
4.2.1 Création du modèle géométrique
Le moyen le plus courant pour la création des modèles géométriques spécialement dans le secteur industriel est la conception assistée par ordinateur (CAO). Pour la FA, une optimisation topologique peut être envisagée après la création du modèle CAO. Effectuée sur le volume créé préalablement à partir des contraintes d’efforts auxquelles la pièce est soumise, l’application de l’optimisation topologique résulte en des géométries complexes minimisant la quantité de matière à utiliser, ce qui permet de profiter de la liberté de conception et la possibilité de fabrication des géométries complexes qu’offre la FA, et permet également de minimiser le temps de fabrication.
Dans un contexte artistique, autres moyens que la CAO peuvent être utilisés comme le scan 3D et la modélisation libre [4].
4.2.2 Exportation vers STL
Une fois la pièce conçue, elle est exportée au format STL qui est un format d’échange standard pour les logiciels de tranchage. Le terme STL a été dérivé de la stéréolithographie, la première technique de FA qui a été inventée et commercialisée à la
fin des années 80. Le STL est un moyen simple pour décrire un modèle CAO en termes de sa géométrie seule. Il supprime par la suite toutes les données de la construction, l’historique de modélisation, etc., tout en rapprochant les surfaces du modèle avec une série de mailles triangulaires en conservant la normale extérieure. La taille minimale de ces triangles peut être réglée dans la plupart des logiciels de CAO. Le processus de conversion au format STL est automatique, mais il est probable (dans quelques cas) que certaines erreurs se produisent au cours de cette phase. Des outils développés sont au service du concepteur pour détecter ces erreurs et les corriger (par ex. Meshmixer).
Plusieurs alternatives ont été proposées pour le STL [27]. Cependant, il est encore utilisé grâce aux avantages qu’il présente comme la facilité de la mise en œuvre de l'algorithme du tranchage ainsi que la facilité d’intégration du support [28].
4.2.3 Le tranchage
Le fichier STL subit ensuite l’opération du tranchage, où un ensemble de lignes horizontales sont entrecoupées avec le modèle CAO. L'espace entre deux plans horizontaux successifs correspond à l’épaisseur de couche qui va être fabriquée par un procédé de FA. À cette étape même, on définit quelques autres paramètres comme le style du remplissage, la densité, le stock de matière première à utiliser, etc.
4.2.4 La génération de la trajectoire de balayage
Une fois l’opération du tranchage effectuée, un dernier fichier au format compatible avec la machine de FA définissant la trajectoire de balayage de la tête d’impression (buse/laser) est exporté par le logiciel du tranchage. Notant que la trajectoire de balayage
Figure 14. Différentes trajectoires de balayage de la tête d'impression :
la pièce à gauche présente moins d’interruptions (points bleus) et des transitions (les traits pointillés) contrairement à la pièce à droite.
influence sur la vitesse de fabrication mais surtout sur la qualité de la pièce fabriquée si la trajectoire de balayage contient plusieurs interruptions (Fig. 14). Certains logiciels imposent la génération intermédiaire d’un fichier au format G-code entre le tranchage et l’export final vers la machine.