« Solutions de finition de surfaces adaptées aux pièces issues de fabrication additive »
Pascal Lamesle
Lyon, 13 et 14 octobre 2016
IRT M2P
SÉMINAIRE BODYCOTE/AIR LIQUIDE 2016
L’IRT M2P est un centre de recherche mutualisé rassemblant les compétences de l’industrie et de la recherche publique dans une logique de co-investissement public-privé.
Missions
Accélérer la maturation d’innovations pour les entreprises
Développer des technologies clés partagées par les secteurs industriels majeurs
Mettre à la disposition des industriels nos plateformes technologiques
IRT
M2P
Passerelle de l’innovation
Echelle de maturation d’une technologie (TRL)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Idées Produits
IRT M2P Faciliter et accélérer les
transferts technologiques
ACADÉMIQUES Recherche fondamentale INDUSTRIELS Développement
expérimental
IMPLANTATIONS - PLATEFORMES
Caractérisation TS mécanique
Forge TS thermochimiques
Elaboration
Assemblage mécanique
Modélisation, calcul Analyse de Cycle de Vie
METZ
700 m2 + 1 800 m2
Composites haute cadence
St AVOLD
500 m2
TS voie humide Caractérisation*
Préparation de pièces
DUPPIGHEIM
700 m2
Après une étape de fabrication additive, le produit n’est pas du tout terminé ni prêt à l’emploi. Il nécessite:
Le nettoyage, l’enlèvement des supports, le sablage,
L’usinage
Le traitement thermique,
D’autres finitions ultérieures…
(Source : SNECMA : la fabrication additive, enjeux et attentes)
50% du coût des pièces FA liés à la post-fabrication et au contrôle
o S’assurer qu’il ne reste plus de poudre dans les formes internes.
o L’usinage interne et les procédés de finition sont aujourd’hui un goulot d’étranglement.
o Il est possible d’imprimer des tuyaux, des trous, des parois internes minces, des cavités, mais beaucoup ont besoin de supports ou d’un fini de surface très lisse.
o Pour certaines fonctions (hydrauliques), il ne faut que des particules puissent se détacher.
Analyse bibliométrique – Brevets & Publications
100 200
Analyse bibliométrique
• Procédés principaux • Matériaux
LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES
Nettoyage des particules de poudre non adhérentes
Polissage laser
Polissage Electron Beam
Electropolissage ECM ou PECM
Nettoyage & Polissage Plasma électrolytique Polissage chimique
Procédé AFM (Abrasive Flow Machining) Polissage par abrasifs magnétiques
Tribo-finition Sablage
Procédé SAG (Shape Adaptive Grinding)
Procédé ‘’tactiles’’
Procédé ‘’non tactiles’’
NETTOYAGE DES PARTICULES
DE POUDRE NON ADHÉRENTES
Nettoyage des particules
Décapage par carboglace - CO2 Dry-ice Cleaning / Blasting
> Principe
> Effet mécanique + Effet de sublimation
> Nombreuses applications pour le nettoyage (moules…) ou le décapage ( coatings, peintures…)
> Avantages :
> Procédé neutre pour l’environnement.
> Pas de contamination secondaire.
> Application aux pièces 3D Manufacturing
> Enlèvement des particules superficielles adhérentes et fondues en surface.
> Ex: 85 % des particules enlevées dans le cas d’une pièce SLM de Rz initial 30-40 µm.
Décapage par carboglace : plus efficace que
bain ultrasons ;
TECHNOLOGIES ‘’NON-TACTILES’’
Polissage laser
> Principe : Re-fusion de la couche superficielle qui se lisse du fait de la tension superficielle.
> Deux variantes du procédé laser.
> Equipement : laser monté sur machine multi-axes.
> 1 - Macropolissage (laser continu)
Temps de polissage : 10 et 200 s/cm² Profondeurs de fusion : 20 à 200 µm
> 2 - Micropolissage (laser pulsé)
Temps de polissage : < 3 s/cm² Profondeurs de fusion : 0,5 à 5 µm
Ra : 0,05 à 0,5 µm
Polissage laser
> Implant dans le domaine médical.
> Prothèse de genoux.
> Résultats :
> Acier Co/Cr
> Ra initial : < 7 µm Ra : < 0.3 µm
> Échantillon Inconel 718
> Résultats :
> Vitesse : 2,25 cm²/min.
> Ra initial : 20 µm Ra : 0,19 µm
Procédé de Fabrication Additive : SLM (lit de poudre)
Des niveaux de rugosité finale similaires à des pièces
usinées polies laser
Polissage laser
Aciers outils
•Ra :1-4 µm Ra : 0.05 – 0.2 µm
•Vitesse : 1 min/cm²
(Polissage conventionnel : 10 min/cm²)
Réduction de la rugosité d’un facteur 10 environ à une vitesse de l’ordre de
quelques secondes / cm²
Nickel, Titane,
alliages de chrome/cobalt
• Ra : 1-4 µm Ra : < 0.2 µm
• Vitesse : 5-20 s/cm² Titane pur et alliages
(grade médical)
•Ra : 1,1-0.3 µm Ra : < 0.1 µm
• Vitesse : 3 s/cm²
Polissage laser
Exemple de pièces polies par laser
Polissage conventionnel
3 heures Polissage laser
5 minutes
Polissage laser
Travaux de l’IRCCyN à Nantes
> Procédé de Fabrication Additive ALM - CLAD
> Caractéristiques générales du polissage laser selon IRCCyN :
> Vitesse de polissage (fabrication additive ou non) : 10-200 s/cm² suivant la
topographie initiale.
> Opération de polissage qui peut être réalisée à chaque couche de dépôt du procédé de Fabrication Additive.
> Rque : Procédé CLAD & Polissage laser : possibilité d’utiliser la même machine
> Résultats du Macro-polissage sur éprouvette
> Pièce en acier inox 316L.
> Polissage en plusieurs passes (1 à 5).
> 1 passe : présence de micro-fissures.
> Plusieurs passes : élimination des micro-fissures.
> Ra initial : 21 µm Ra : 0.79 µm après 5 passes, soit une réduction de la rugosité de 96%.
> Résultats du Macro-polissage sur pièce réelle
> Puissance du laser : 100 W.
> Vitesse des passes (5 passes) : 3 m/min.
> Ra initial : 14 µm Ra : 5,39 µm, soit une réduction de la rugosité de 62%.
Travaux menés en 2014
Travaux complémentaires à mener
Investigations sur la dureté, comportement à la fatigue de la microstructure, résistance à la corrosion.
Polissage Electron Beam
> Principe
> Similaire au procédé laser mais avec une autre source d’apport d’énergie.
Concepteurs et fabricants d’équipement :
MITSUBISHI ELECTRIC SODICK (USA)
Performances / RETEX
• Procédé très efficace pour enlever les marques de coupe sur une surface usinée.
• Matériaux étudiés : Titane, Inox , Alliage cobalt-chrome- molybdène.
• Possibilité de créer des textures spécifiques du fait du refroidissement rapide après re-fusion.
Rz : jusquà 1 µm ?
Electropolissage (ECM)
> Principe
> Immersion dans un électrolyte.
> Electrolyse inversée qui supprime une très fine couche de matériau à la surface de la pièce.
Ra ECM ; jusqu’à < 0,2 µm Ra PECM : jusqu’à < 0,05 µm
Electropolissage (ECM)
Electropolissage de pièces Ti6Al4V fabriquées par 3D Manufacturing (EBM)
Ra initial : 23 µm Ra final de 6 µm
> Utilisation d’une nouvelle composition récemment brevetée par une équipe de chercheurs japonais, non toxique et non explosive : base alcool : Ethanol, alcool isopropylique, Chlorure d’aluminium, et chlorure de zinc.
Influence de l’électrolyte, de la distance électrode pièce et du temps de polissage
> Ra initial : RA : 20 µm Ra final : < 1 µm Influence de l’agitation et du courant
> Le macro-lissage est essentiellement fonction du niveau de courant électrique.
> Le micro-lissage est fonction de a diffusion (transport des anions dissous).
Différence de rugosité entre la face traitée
et la face arrière
Electropolissage jet-ECM
> Différentes technologies sont évaluées :
> Diamètre de la ‘’buse’’ : 100 µm
> Vitesse de la ‘’buse’’ : 30 mm/ min.
> Profondeur d’usinage : 50 µm.
Pour la Fabrication Additive :
Procédé compatible en termes
jet-ECM. PECM
Rugosité finale : jusqu’à 0,03 µm.
Nettoyage & Polissage plasma électrolytique
> Principe
Dégagement d’oxygène Création de l’enveloppe VGE
Microdécharges dans le VGE
Microdécharges Au niveau des
rugosités
Métaux : Aciers inox ; Acier faiblement et non allié ; Cr/Co ;
Cr/Co/Mo ; Alliages Nickel-Titane ; Tungsten, Molybdène ; Alliages non ferreux (cuivre, laiton, bronze, nickel-argent)
Nettoyage & Polissage plasma électrolytique
> Principe des équipements pour traiter des pièces de géométries différentes
‘’Flux’’ d’électrolyte à 2-10 litres/min.
Nettoyage & Polissage plasma électrolytique
EPP à courant continu
Diminution de la rugosité à 0,15 µm seulement
Dans certains cas
Rugosité du fait de la création de micro-cratères et nodules Réduction des propriétés mécaniques du fait d’un impact incontrôlé de
la température
Formation d’une couche amorphe ou nanostructurée qui peut améliorer la résistance à la corrosion et l’érosion.
EPP pulsé
Ra initial : 0,2 µm Ra final : 0,04 – 0,125 µm Pas de perte de la dureté
Pas de fragilisation à l’hydrogène
Effet limité sur la résistance à la fatigue
Nettoyage & Polissage plasma électrolytique
Acteurs industriels
>
PLASOTEC> Avantages revendiqués
> rugosité jusqu’à Ra : 0,01 µm
> rugosité jusqu’à Ra : 0,003 µm pour des tôles laminées à chaud).
> Vitesse d’enlèvement : 2-3 µm/min
>
Institut BECKMANN>
PLASMACRAFT> rugosité jusqu’à Ra : 0,01 µm
> Procédé en courant continu.
> Procédé en courant continu.
Polissage chimique
> Principe
Comparaison entre polissage chimique et électrochimique
Polissage chimique
> Polissage chimique de pièces Ti6Al4V fabriquées par SLM
> Solution à base d’acide HF.
> Concentration : 0,5 wt% à 1,1 wt%.
> Durée de traitement : 10 à 14 min.
Procédé permettant d’enlever une partie des particules
non fondues en surface
Performances ‘’faibles’ si utilisée sans combinaison avec un autre traitement
> Etude sur la combinaison de différents procédés de finition :
> Sablage (angulaire : 200 µm)
> Attaque chimique (2% HF, 20% HNO3) pendant 25 minutes.
> Polissage électrochimique (ECM – 5% acide perchlorique (60%) dans acide acétique).
TECHNOLOGIES ‘’TACTILES’’
Procédé AFM (Abrasive Flow Machining)
Ra jusqu’à 0,05
Enlèvement matière : 1-10 µm
> Principe
> Mouvement relativement ’’unidirectionnel’’ d’un média abrasif (pâte…).
> Procédé adapté pour des pièces de géométrie complexe, notamment avec cavités.
> Substrats adaptés : presque tous les matériaux durs.
> Pas de restriction de dimension de pièce (taille machine).
> Diamètre intérieur minimum des cavités : 0.2 mm.
Procédé AFM (Abrasive Flow Machining)
> Micro Technica Technologies (Allemagne)
> Deburrtech (Corée)
> Kennametal (USA)
> Extrude Hone (USA)
> Technologie AFM.
> Technologie AFM Microflow
> Particulièrement adapté pour créer des bords arrondis au niveau d’orifices de diamètre 50 µm à 2 mm.
> Typiquement, pour des pièces
Acteurs industrielsPolissage par abrasifs magnétiques
(Magnetic Abrasive Finishing – MAF)
Ra jusqu’à < 0,01 µm (voire nm)
> Principe
> Média abrasif sec ou fluide.
Différentes dispositifs étudiés dans les laboratoires depuis plusieurs décennies.
> Fluide magnétorhéologique (MR) qui modifie sa viscosité dans une environnement magnétique.
> Les particules abrasives dans le fluide MR, en couche mince, ont un effet d’enlèvement de matière par cisaillement.
> La pièce à polir est positionnée à une distance fixe d’une roue en mouvement, sur laquelle est délivrée le fluide MR. Un électro-aimant est créé sous la roue pour créer un champs magnétique entre la roue et la pièce.
> Le positionnement de la pièce par rapport à la roue est géré par une commande numérique.
Polissage par abrasifs magnétiques
> Nature du fluide MR
> Particules magnétiques microniques (CIP – Carbonyl Iron Particles) en suspension dans un liquide viscoélastique à base d’eau, huile
hydrocarbonée, glycérol, huile silicone, ou huile paraffine, et d‘additifs.
> BASF : fabricant de CIP.
> Présence de particules abrasives non magnétiques.
> Abrasifs à base de CeO2 (finition de verres optiques).
> Abrasifs à base de diamant (finition de matériaux poly-cristallins comme du carbure de tungstène).
> Alumine.
> Autres.
> Variantes
> Procédé BEMRF (Ball End
Magnetorheological Finishing) pour le traitement de formes complexes 3D.
> Travaux académiques menés en 2011
et 2012 en Inde (Institut Technologique
de Kanpur en Inde – IITK).
Acteurs industriels
Polissage par abrasifs magnétiques
> Procédé MRF (roue)
> QED Technologies (USA)
> JANOS Technology (USA)
> Procédé spécifique : ABC SWISSTECH (Suisse)
> Nouvelle centrifugeuse magnétique en développement en 2015, et nominé aux Trophées de l’Innovation d’Industrie Lyon 2015.
> Pièces avec zones difficiles d’accès : pièce creuse
> Développement basé sur la modification d’ébavureuses magnétiques existantes en modifiant le mouvement
> Autre aspect innovant : développement d’une gamme de médias adaptés : à la fois magnétiques, abrasifs, de taille et de densité variables.
Tribo-finition
Acteur industriel
>
OTEC> Concepteur et fabricant de machines de tribo-finition à sec ou en milieu humide
.Ra jusqu’à 0,01 µm
> Performances
> Domaine médical
> Ra initial : 1,2 µm Ra finale : 0,01 µm
> Rz initial : 7,9 µm Rz final : 0,1 µm
> Domaine de la mécanique (arbre à cames)
> Ra initial : 0,4 µm Ra finale : 0,09 µm
> Domaine des engrenages
> Rz initial : 1,5 µm Rz finale : 0,4 µm
Tribo-finition non conventionnelle : procédé MMP
> Principe
> Mise en mouvement d'un liquide – ‘’kit chimique’’ - chargé de deux types de particules – ‘’outils’’ pour les plus grosses et ‘’charges’’ pour les plus petites.
> Mouvement généré par ceux de la cuve de traitement.
Le ‘’kit chimique’’ sert à fixer les ‘’charges’’ sur les
‘’outils’’, selon des mécanismes physico-chimiques d'adsorption ou d'absorption.
> Action abrasive par les ‘’charges’’.
> Energie apportée par les ‘’outils’’.
> Paramètres clés : rapports de dureté entre les
matériaux de l'outil ; l'outil et la charge ; flux abrasif.
> Durée du procédé : plusieurs heures.
Autres procédés industriels
Procédé SAG (Shape Adaptive Grinding)
ZEEKO Ltd (UK)
> Principe
> L’outillage élastomérique est recouvert de grains en diamant :
> La déformabilité de l’élastomère permet de s’adapter à la géométrie de la pièce.
> Les grains de diamant agissent comme un outillage rigide.
> Grains liés dans un liant nickel (NBD) ou résine (RBD).
> Outil élastomérique : diamètre 10 à 40mm.
> Grains de diamant : diamètre 3 à 40 µm.
> Vitesse de déplacement (feed rate) : 10 à 100 mm/min.
> Lubrification à l’eau.
> Performances
> Possibilité d’atteindre des Ra < 0.4 nm
SYNTHÈSE - RUGOSITÉ FINALE
Synthèse - Rugosité finale
Post-traitement de pièces fabriquées par méthode conventionnelle
Synthèse - Procédé ‘’non-tactiles’’
Synthèse - Procédé ‘’tactiles’’
PROJET « AFTER ALM »
Descriptif du projet
Lancement Novembre 2016
Chiffres clefs
• 28 partenaires industriels
• Fonctionnement
• 5M€ du budget (financé à 50% par les partenaires industriels)
• Durée : 4 ans
Donneurs d’ordres Production de pièces ALM
Partenaires technologiques
Sous-traitants du TS
Partenaires académiques
L’IRT M2P est un centre de recherche mutualisé
Echelle de maturation d’une technologie (TRL) INDUSTRIES UNIVERSITES
