La fabrication additive pour l’industrie 4 - enova-event.com€¦ · Source:Stratasys, Gülay...

La fabrication additive pour l’industrie 4.0

Alain BERNARDProfesseur des Universités à l’Ecole Centrale de Nantes

Chercheur au LS2N UMR CNRS 6004

Vice-Président, Association Française de Prototypage Rapide et de fabrication additive

120/09/2017 Prof. Alain BERNARD

AFPR : Association Française

du Prototypage Rapide

et de la fabrication additive

Créée en 1992

Objectifs de l’AFPR :

• Rassembler les partenaires de la Fabrication Additive

• Répondre à des besoins multisectoriels

• Favoriser la formation et le transfert de technologie

• Rassembler, capitaliser puis diffuser l’information la plus objective et la plus complète

• Soutenir les projets innovants

• Construire un lien d’échange didactique et technique

• Se positionner dans un cadre européen et mondial


Georges TaillandierPresident [email protected]

Prof. Alain [email protected]

Philippe [email protected]

www.afpr.asso.fr

3Prof. Alain BERNARD20/09/2017

Source : https://iot-analytics.com/industrial-internet-disrupt-smart-factory/

Principe de la fabrication additiveMETHODE DE CONSTRUCTION COUCHE PAR COUCHE

Points communs à toutes les technologies

� Un modèle numérique de l’objet doit être créé.

� A partir du modèle numérique, un fichier STL est généré et est coupé en différentes couches.

� Sur la base de ces couches, la pièce physiques est construite couche par couche.


Source: http://blog.cafefoundation.org/additive-manufacturing-for-electric-motors/

7 familles de procédés

20/09/2017 5

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD

6 familles de

matériaux

20/09/2017 6

Source : ISO 17296-2:2014E

Prof. Alain BERNARD

7 familles de procédés

7

Source : Machine manufacturers

Prof. Alain BERNARD20/09/2017

De nouvelles machines à venir

8

Source : Machine manufacturers


DMAMS

De nouvelles machines à venir


Source: Benoit FURET, Université de Nantes

BATIPRINT3DTM

A new 3D printing method for buildingCombination of foam and concrete 3D printing.

Plus que des technologies : une chaîne de valeur complète


Post-treatments

Material qualification

Geometry and material design

Manufacturing

Manufacturing preparation

20/09/2017 11Prof. Alain BERNARD

Un processus complexe

Source : groupe adhoc sur les standards numériques. Publication du NIST

Une vision systémique


Source: Master thesis, Laura Martinez, IS3P team, LS2N, Centrale Nantes

1. Generate CAD model1.1 Scan Part

1.1.1 Digitalize Physical Part1.1.2 Process Points Cloud1.1.3 Develop Geometric Model

1.2 Obtain CAD File1.3 Optimize Topology

1.3.1 Generate Optimal Topology1.3.2 Optimize 3D Model

1.4 Analyze Model

2. Generate Tessellated Model2.1 Tessellate Model

2.2 Repair/Modify Tessellated Model

3. Generate Build Model3. 1 Plan process - Geometry information

3.1.2 Choose orientation3.1.3 Generate supports

3.2 Plan process - Process information3.2.1 Set Build Orientation

3.2.1.1 Place Part3.2.1.2 Generate Slices3.2.1.3 Path Planning

3.2.1.3.1 Determine Paths3.2.1.3.2 Compute Paths3.2.1.3.3 Determine Path

Parameters3.2.2 Set Process Parameters

3.2.2.1 Set Quality Parameters3.2.2.2 Set Control Parameters3.2.2.3 Set Powder Parameters

3.3 Process simulation

5. Manufacture Part5.1 Preheat Build Plate5.2 Build Part

5.2.1 Create Powder Layer

5.2.2 Fuse Powders5.2.2.1 Melt Powders5.2.2.2 Solidify

5.2.3 Lower Build Plate

7. Post-process Part7.1 Remove Supports

7.2 Enhance Properties7.2.1 HIP Treatment7.2.3 Annealing

7.3 Enhance Accuracy7.3.1 Machining

7.3.2 Chemical Polishing

7.4 Improve Surface Texture7.4.1 Shot Peening7.4.2 Milling7.4.3 Grinding7.4.4 Sanding,7.4.5 Polishing7.4.6 Abrasive blasting

8. Ensure Quality8.1 Test Mechanical Properties8.2 Perform a Non-destructive Evaluation

4. Preparation of the Machine4.1 Review Job File

4.2 Start Machine4.2.1Configure AM Machine4.2.2 Set AM Machine Parameters

4.3 Submit Job

6. Obtain Manufactured Part6.1 Extract Surplus Powder6.2 Treat Surplus Powder

6.2.1 Recycle Powder6.2.2 Remove Non Profit Powder

6.3 Remove Part from the Build Plate

9. Create Digital Twin

10. Machine Maintenance10.1 Corrective Maintenance

10.1.1Powder Supply10.1.2Reparation

10.2 Preventive Maintenance10.2.1 Check Recoating Blade

10.3 Predictive Maintenance

11. Clean AM Machine 12. Supply Powders to the Machine

13. Ensure Safety




1. Generate CAD model1.1 Scan Part

1.1.1 Digitalize Physical Part1.1.2 Process Points Cloud1.1.3 Develop Geometric Model

1.2 Obtain CAD File1.3 Optimize Topology

1.3.1 Generate Optimal Topology1.3.2 Optimize 3D Model

1.4 Analyze Model

Generate CAD model

Le potentiel des technologies exploité

pleinement grâce à une nouvelle manière de concevoir matériau et

géométrie en même temps


Créer de nouveaux produits…


Pas seulement des pièces, aussi des outillages…


Inserts in moldsSource: PEP

Injection molding toolings - PS Application PMPR&D contract PSA / CIRTES

(Aluminium)

Blowing toolsSource: CIRTES

Inserts in moldsSource: Realizer


Une évolution complète de la conception

… qui permettent de nouvelles façons de concevoir

Nouveaux matériaux

Gradient fonctionnel de matériaux

Antenne imprimée en 3D avec son circuit électronique

Nouvelles formes et topologies

Boucle en titane

Nouvelles structures d’assemblage

Injecteur

Source : Daniel Pyzak, AEFA 2016


Une vision fonctionnelle

Source : Renishaw

21

La juste matière au juste endroit

20/09/2017

Optimisation topologique

Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole Polytechnique, AEPR 2015

Prof. Alain BERNARD

22

La juste matière au juste endroit


Optimisation géométrique

Source : ISO/TC/SCN 243 - Additive manufacturing — Technical Design Guideline for Powder Bed Fusion — Part 1: Laser-based

Powder Bed Fusion of Metals

Supports required

thickness

length

Initial shape, after topological

optimization

New shape for LBM process

Thin wall

Fillet radius

23

Complexité sans surcoût


� Toute géométrie est

envisageable au regard

des possibilités des

procédés.

� Des règles de

conceptions couplées

aux outils de simulation

ouvrent des possibilités

nouvelles.

� Applications principales :

allègement des pièces

implants spécifiques à

un patient particulier

pièces adaptées au

chargement

Source : S. Galjaard, S. Hofman, S. Ren, Arup, Amsterdam, The Netherlands © Springer International Publishing Switzerland 2015 P.

Block et al. (eds.), Advances in Architectural Geometry 2014, pp 79-93

24

Concevoir matériau et structure

20/09/2017

Structures lattices

Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne

Prof. Alain BERNARD

25

Concevoir matériau et structure

20/09/2017

Structures lattices

Source : Fabrication Additive, Barlier et Bernard, Editions DUNOD

Prof. Alain BERNARD

En couleur et en mixant les matériaux…

Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016


27

Avec une vision organique et esthétique

20/09/2017

Source : Julien Bernard, Volum-e

Prof. Alain BERNARD

Source : exposition imprimer le Monde, Centre Pompidou, mars 2017

Le potentiel des technologies exploité pleinement grâce à

une nouvelle manière de concevoir les gammes de

fabrication


29

Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)


Ajout de fonctions sur des pièces

Ajout de fonction

30

Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)

Fabrication hybride


Combiner les procédés et notion de gamme

Intégrer les machines dans une chaîne technologique complète

incluant des techniques de parachèvement


68 heures de fabrication en Aluminium

614 Mo de supports

438g (diminution de 20%)

Fabrication Micro Fusion Laser (SLM)Surfaces ré usinées

20/09/2017 32

Finition après FA

Source : MBProto – Volum-e

Prof. Alain BERNARD

Ne pas négliger post-traitements et finition…

Usinage ou micro-usinage

Cela dépend directement du procédé et du matériau… mais aussi du savoir faire

(supports, orientation, etc…)


Traitements thermiques

Compression isostatique à chaud (HIP)

Polissage

Coating

Etc…Finition

Assurer la continuité numérique et la traçabilité totale le long de

la chaîne de valeur


35

Transférer des données


Source : Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod

36

Transférer des données


Source : Exploring model-based engineering concepts for additive manufacturing, Robert R. Lipman, Jeremy S. McFarlane

A

M

F

S

T

L

3

M

F

S

T

E

P

S

T

E

P-

N

C

Maîtriser la qualité le long de la chaîne de valeur


Contrôle de la qualité de la matière première

38

Source : Romain Vert, Tekna, AEFA 2015



Mesure in situ

Source: André Surel, EOS, AEFA 2015


Mesures post-process

� Tomographie par rayons X

� Différents matériaux incluant le métal

� Images de l’intérieur de formes lattices

et/ou complexes

XT H 450 BladeRunner

Nikon 750kV microfocus X-ray source

Source : Multistation, séminaire formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris

Mais ce n’est que le début de l’histoire, avec de

grands enjeux à venir pour une réelle intégration

industrielle de la fabrication additive !



Prochaine étape pour la FA

Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583


Prochaine étape pour la FA�Mieux adresser la complexité des

phénomènes et des processus



Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges



Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : simulation et modélisation



Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : matériau



Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : répétabilité



Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : contrôle des processus



Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche




Source : Development of an integrated KBE CAPP system for qualified AM, Y. Zhang, A. Bernard et al., AEFA 2017

Experimental Multi-axis carbon printing AM setup & mechanism and printed 3D thin wall part.




3-axis flat layer planning Multi-axis non-flat layer planning Multi-process non-flat layer planning

Identified key features for shape accuracy problem analysis: (a) thin walls; (b) long shaft

(a) (b)To be investigated: identifying key areas on free form CAD models for manufacturability analysis



Source : Synergistic integration of Hybrid processes and multiple technologies, K.P. karunakaran, A. Bernard et al., SFF Austin, 2017



Planification systématique à base de connaissance en FA (Zhang et Bernard, 2014)

01

0

0

0

( ) /

1(1 ) 1 0 0 % (1 )

1+ +=

1 + + + -n

i i i iiP P

p k

k p k

p k p k

s sC V

s se s sω χµµ µε µ

=

∗

−= + − × + −

∑

� Multi-criteria Decision

Making Model

� CAPP Based design &

design evaluation

� Part

Clustering

� Prediction modeling

(data mining)

� Curved slicing & multi-

axis tool-path generation

� Group

Orientation

� Projection

based Nesting

KBE CAPP Proposition

�Systematic CAPP Framework



Vers des unités de production intégrées

Source: http://www.conceptlaserinc.com/am-factory-of-tomorrow-2/


L’usine du futur intègrera la fabrication additive.

Source: l’Usine FA 4.0 – ACTENIUM - https://www.actemium.fr/smart-industry/smart-process/alafu-le-futur-de-latelier-industriel/


Conclusions



Conclusions

Source : Synergistic integration of Hybrid processes and multiple technologies, K.P. karunakaran, A. Bernard et al., SFF Austin, 2017

Conclusions

La fabrication additive n’est qu’à un stade intermédiaire de développement.

La fabrication additive doit encore être inventée et modélisée afin de donner aux technologues les mêmes possibilités que pour les autres familles de technologies de fabrication.

La prochaine étape sera systémique.



Ouvrage collectif sur la Fabrication Additive

Plus de 35 contributeurs !

Coordination

Claude BARLIER Alain BERNARD


ASSISES

EUROPEENNES DE LA

FABRICATION ADDITIVE

27-29 Juin 2017

CentraleSupélec

www.afpr.asso.fr

www.afpr.asso.fr

Questions / Réponses

Alain [email protected]

www.afpr.asso.fr


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