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Journée du réseau R&D mécanique - APC 18-9-2013 ©UDS/CNRS/IN2P3/IPHC / Service de Mécanique / Marc KRAUTH
découverte et utilisation de
techniques de fabrication directe
Journée du réseau R&D mécanique IN2P3APC - 18 septembre 2013
http://www.iphc.cnrs.fr/
Retour d’expérience dans l’utilisation du prototypage rapidepour la conception et la réalisation de pièces définitives, depuis 1995
Où chercher des informations ? Avec qui peut-on travailler ?
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Journée du réseau R&D mécanique - APC 18-9-2013 ©UDS/CNRS/IN2P3/IPHC / Service de Mécanique / Marc KRAUTH
Sommaire
1- deux univers complémentaires(contextes spécifiques)
2- principales techniques de fabrication directe disponibles(procédés, fabricants de machines, partenaires, …)
3- exemples de réalisations (optimisation géométrique)
4- quelques imprimantes
5- conclusion
Annexes : des informations complémentaires
découverte et utilisation de
techniques de fabrication directe
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http://institut.in2p3.fr/IN2P3
http://www.iphc.cnrs.fr/
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Filièretraditionnelle
Filièrenumérique
1- deux univers complémentaires
Plans de définition
Gamme de fabrication
Mise en œuvre des usinageset autres opérations mécaniques
Géométrie pièce CAO
CFAO
Fichier spécifique FD
Nuages de points
Modeleur CAOCATIA V5
Envoi vers l’imprimante 3D
Fichier spécifique MEFANSYS, COMSOL, autres
Fabrication par ajout de matière
Fabrication par enlèvement de matière
Atelier STLCATIA V5
Atelier STL, Part Design, GSD, QSR, DSECATIA V5
scanner
BE
stl
3
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Matériauxdifférents !
BE
B
C
A
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Utilisation des techniques de fabrication traditionnelles
Stratoconception (principe hybride : empilement de plaques usinées ou films découpés, puis collés, soudés ou vissés)
A1- deux univers complémentaires
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DSE
QSRPart Design
Analyseet Simulation
Les nuages de points sous CATIA V5 …
ImportationFiltrationRéparation
Surfaceautomatique
solide ExportationSimulation
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1- deux univers complémentaires – Filière numérique~
80
cm
B
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Scanner CREAFORM
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Le principe de base
Matériausupport
Matériaupièce
Plateau de la machine de fabrication
Additive Manufacturing (AM) est défini par la norme ASTM sous le nom ‘Fabrication Rapide’‘Impression 3D’ est le nom commun pour décrire tous les procédés qui utilisent l’AM.
Invention de la stéréolithographie début des années 1980, dans une école de chimie de Nancy.Début de l’industrialisation en 1986 aux Etats Unis par la société 3D Systems.
Couches minces
Matériau support : résine spécifique friable ou structure mécanique fine à retirer après impressionnécessaire au maintien de la pièce pendant le processus de fabrication
Matériau pièce (matériau plus ou moins anisotropique) : plastique, métallique ou composite
Géométrie fabriquéeGéométrie théorique à fabriquer
C1- deux univers complémentaires – Filière numérique
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Une révolution …
Pièce imprimée
Plusieurs fonctions
MEFOptimisationde la quantité
de matière
Processus totalement numérique
C1- deux univers complémentaires – Filière numérique
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Les principaux procédés existants …
impression 3D
FDM machine à usage
ponctuel pour pièces unitaires
SLAmachine d’aide à
la conception, pièce prototype
SLSmachine destinée à la production :
petite série
C1- deux univers complémentaires – Filière numérique
FDM (Fused Deposition Modeling) = Dépose de fil fonduSLS (Selective Laser Sintering) = Frittage de poudreSLA (stéréolithographie) = Flashage UV de photopolymères (dépose sous UV)
-> http://fr.wikipedia.org/wiki/Impression_tridimensionnelle6/7
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Machine de prototypage
rapide
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fabricant
MatièresProcédé
Les inséparables
Nettoyagede pièce
C1- deux univers complémentaires – Filière numérique
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maintenanceParamètresde réglage
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2- principales techniques de fabrication directe disponibles
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Quelques fabricants de machines …
source de l’image : http://reprap.org/
SLA
Stratoconception, fdm
fdm
sls
sls
fdm
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2- principales techniques de fabrication directe disponibles
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collaborationIPHC-ORTECH
sous-traitants et partenaires
fabricants
SLS polymères et métaux, finitions
SLA (simple ou bimatière), finitions
FDM
Frittage PA et photopolymèreUGV, Electroérosion, MMT, scanner 3D
Polymères et métaux
Polymères et métaux
SLA, SLS
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➲ La FDM avec le CEMES (CNRS, Toulouse)
L’I3D du CEMES propose un parc de machines mutualisées…
Fil 0.25mm
Dépose simultanée de matière pour la pièceet de résine support soluble.
http://www.i3d.cemes.fr/
machines DIMENSION et Stratoconcept (Sté STRATASYS)
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Ensemble en sortie d’imprimante 3D(pièces et supports)
Dépose de fil fondu (fdm)
Nettoyage par immersion dans bain de soude diluée! résine support et pièce : matériaux différents
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➲ flashage UV de photopolymèreavec CADINDUS de Mulhouseet pôle ORTECH du LpoDeck
EDEN de la société OBJET
Possibilité de fabrication bimatière(sur CONNEX 500)
(source : Internet, Société OBJET)
Roulement indémontable
Tête d’impression
Plateau support
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plateau
résine support
Flashage UV
Nettoyage : jet d’eau, bain eau + 5 % soude et grattoir! résine support et pièce : même base chimique
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➲ Impression 3D avec EDEN 330,vue sous ESEM (IPHC)
0°
45°
90°Des couches d’épaisseur 16µm
©IPHC / DEPE : Microscope électronique à balayage environnemental ESEM
Fabrication d’un échantillon 10mm x 10mm x 1mm
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➲ Le frittage de poudre polyamideavec le LpoDECK et 3DPROD (Vosges)
Plastique, métallique et céramique
Échantillon EOS
Ensemble indémontableCouches d’épaisseur 0.1mm
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➲ Impression 3D avec EOS FORMIGA 100,vue sous ESEM (IPHC)
Des grains de taille variable inférieure à 100µm
Des grains partiellement fondus en surface
©IPHC / DEPE : Microscope électronique à balayage environnemental ESEM9/9
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Superposition 3D d’imagesobtenues à partir des µTEMP et µCT(squelette et cerveau d’une souris)
Impression 3D
BANC D’IMAGERIE AMISSA DE L’IPHC(d’autres objets peuvent être numérisés)
Fabriqué par
LpoDECK
©IPHC/ImaBIO
©IPHC/ImaBIO
©IPHC/ImaBIO
©IPHC/ImaBIO
©IP
HC
/ImaB
IO©
IPH
C/Im
aBIO
Fabriqué par
LpoDECK
©IPHC/ImaBIO
Fabrication directe d’un crâne de rat
Détails très fins et fragilesSensible à l’humidité et aux UVs
Détails fins et souplesBon compromis
Images 3D obtenue à partir du µCT(crâne et tête d’un rat)
.stl
Piècepartiellement
nettoyée
Rat ou souris anesthésié
Fabriqué par
CADINDUSSur CONNEX 500
3- exemples de fabrication
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➲ Le support de souris (40gr)
18 cm (ép.0.4mm)
Fabrication traditionnelle
Prototypage rapideFlashage de photopolymère
Association de techniques
Modèle coqueMéthode des éléments finis
Cahier des charges succinct:-Anesthésie continue-Support mécanique de souris-Minimisation de matière-Circulation d’air chaud
SAMCEF-FIELD
CATIA V5
Fabriqué par
Lit première générationembout 30 mm
3- exemples de fabrication
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FDM sur STRATASYS/DIMENSION (CEMES Toulouse) : Fil ABS 0,254 mm
Paroi ép. 1 fil Paroi ép. 2 fil
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Flashage UV de photopolymère sur OBJET 250
Évolution du matériau, pièce immergée dans l’eau et entreposé au soleil
Paroi ép. 0,4 mm
Pièce témoin
Résine supportTotalement retiréeImmersion totale dans eauExposée aux Uvs
Pièce après 3 jours :- Déformation - Durcissement
Fabriqué par
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➲ Un support de rat (600gr)
Cahier des charges succinct:-Anesthésie continue-Support mécanique de rat-Minimisation de matière-Circulation d’air chaud
Prototypage rapideFrittage de poudre polyamide
SAMCEF-FIELD
CATIA V5optimisation
Fabriqué par
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embout 40 mm
3- exemples de fabrication
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Stratasys uPrint SEmêmes têtes d'impression que milieu de gammefil ABSPlus thermoplasticAvec résine supportCouches ép. env. 0,12 à 0,25 mmprécision ~0,2 mm en tolérance géométriqueVolume utile 152 x 203 x 152 mm<20 k€
http://www.u-print.fr/
4- quelques imprimantes
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http://store.makerbot.com/replicator2.html
Précision jusqu’à 0,1 mmCouches épaisseur 0,3 mm et moins~3 k€~50-100€/kgPièces de rechange (moteurs, ventilateur et autres accessoires) : de 1,5 € à 21 €
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4- quelques imprimantes
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http://modeler3d.fr/2013 UP MINI 3D PRINTERfil diam. 1,75 mm ABS blancCouches ép. 0,15 à 0,40 mmVolume utile : 140 x 140 x 135 mm~3k€
4- quelques imprimantes
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http://fr.objet.com/
l'Objet30 ProVolume utile : 294 x 192 x 148.6 mm Couches ép. 28 microns; Couches ép. 16 microns avec matériau VeroClearRésolution: 600 x 600 x 900 dpi précision 0.1 mm7 matériaux polymères photosensibles (impressions indépendantes)Avec résine support~20k€
EDEN 260 présente au Pôle ORTECH du Lycée Théodore Deckhttp://www.lyceedeck.fr/poleortech/equip_eden.html
4- quelques imprimantes
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http://www.eos.info/en
FORMIGA P100Frittage de poudre PA 100µm~200 k€Maintenance + matière ~4k€/an
FORMIGA P100 présente au Pôle ORTECH du Lycée Théodore Deckhttp://www.lyceedeck.fr/poleortech/equip_eos.html
4- quelques imprimantes
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http://www.zcorp.com/
Zprinter 150frittage de poudre monochrome ~15k€
Zprinter 250frittage de poudre polychrome ~25k€
ZPRINTER 150Couleur : monochrome (blanc)Résolution : 300 x 450 ppp Taille minimale : 0,4 mmVitesse de création verticale : 20 mm/heurevolume utile : 236 x 185 x 127 mmcomposite hautes performances couches ép. 0,1 mm
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4- quelques imprimantes
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Impression de prothèse
Impression en TP
Impression en l’air
Impression alimentaire
Impression d’un objet numérisé
Impression nanométrique
Aide à la conceptionImpression d’organesAvec cellules souches
chocolat,pizzas, viandes,…
Les développements actuels…
Équations mathématiques
Stylo FDM
bâtiment
Stone spray project
Pour la mode
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5- Conclusion
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Autres utilisations du laser : ablation sélective, découpe, marquage, soudure, métrologieCLP : club laser et procédés (http://www.procedes-laser.com/ )http://www.laserenligne.fr/
SLS metal
Impression 3D métalProcédé CLAD
IrepaLaser(voir techniques
de rechargement laser)
Formation du copeau
La fabrication de pièces métalliques …
Techniquesde fabrication
complémentaires
CONCLUSION
2/3
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Machine de prototypage
rapide
32
PiècesMultifonctionnelles
NouveauxMatièresGéométries
Les possibilités pour l’innovation
Intégration dans leProcessus de fabrication
CONCLUSION
3/3
Plastiques,Métalliques,Composites
LimitesRepoussées
Sans assemblageouAssemblage par collage, boulonnage, …
DMLSDirectMetalLaserSintering
Les repères :- Entreprises spécialisées dans la fabrication directe- Matériaux plastiques déjà produits : ABS, PLA, PC, PA, Plastique chargé céramique, fibres, alliage d’aluminium,…- Matériaux métalliques déjà produits : 316L, Ti64, TA6V, acier maraging, CR-CO, Bronze, Inconel, alliage de Nickel,…
Source : InternetSource : Internet
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ANNEXE
découverte et utilisation de
techniques de fabrication directe
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http://institut.in2p3.fr/IN2P3
http://www.iphc.cnrs.fr/
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http://www.bedigitalbusiness.com/marketing-digital/dallas-web/veille-imprimante-3d-et-4d/
Les impacts…
Source : http://alternatives.blog.lemonde.fr/2013/07/22/limpression-3d-livre-mathilde-berchon/
http://www.sculpteo.com/fr/help/
La technique…
Un livre…
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Source des images : http://www.sculpteo.com/fr/help/
zcorp
alumide
eos
argent
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Association Française de Prototypage Rapide : http://www.afpr.asso.fr/
Assises Européennes de Prototypage Rapide : http://code80.net/afpr/aepr/
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http://souspression.canalblog.com/archives/2010/06/28/18432637.htmlSOURCE : http://p1.storage.canalblog.com/16/54/447324/54635666.png
Comparatif Imprimantes 3D du marchéSource : Industrie et Technologies – Mai 2010
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77 membres de 15 Etats
National Additive Manufacturing Innovation Institute : SOURCE : http:/namii.org/resources/presentations/
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Aux Etats Unis…SOURCE : The Shapeways Blog : 3D Printing News & Innovation – 8-20122012 - développement des techniques2013 - début des mises en application
Source : http://alternatives.blog.lemonde.fr/2013/07/22/limpression-3d-livre-mathilde-berchon/
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SOURCE :http://fortune.fdesouche.com/311407-imprimantes-3d-ces-petites-machines-qui-vont-beaucoup-changer-le-monde
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http://printrbot.com/product-category/assembled-printrbots/
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http://www.ultimaker.com/
Fdm ABSVolume utile : 21 x 21 x 20,5 cm~2k€32€/bobine
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http://www.up3dusa.com/
UP Plus 2Fdm ABSVolume utile : 14 x 14 x 12,5 cmPrécision de 0,15 à 0,4 mm<2k€
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Cube 3DFil ABSCouches ép. 0,25 mmVolume utile 14 x 14 x 14 cm
<2k€
http://www.cubify.fr/
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http://www.solidoodle.com/
Solidoodlefil ABS diam. 1,75 mmRésolution : buse diamètre 0,35 mmÉpaisseur de couche de 0,1 mm à 0,3 mmVolume utile ~8’’ x 8’’ x 8’’~2 k€
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http://www.numerama.com/magazine/22485-solidoodle-une-imprimante-3d-a-moins-de-400-euros.html
http://www.solidoodle.com/
SOLIDOODLE 3Volume utile : ~150 x 150 x 150 mmFil ABS diam. 1.75mmExtrudeur diam. 0,35 mm
<1k€
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http://www.a4.fr/
EASY 120Impression FDM ABS fil diam. 1,75 mmRésolution : 0,15 à 0,4 mmVolume d’impression 140 x 140 x 135 mmImpression de pièce unique .stl avec logiciel UP~2 k€