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Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en polymères 15.11.2013 Toulon Sébastien MOUSSARD Ingénieur Matériaux Matériautech ® 39 rue de la Cité, 69003 Lyon

Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

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Page 1: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en polymères

15.11.2013 – Toulon

Sébastien MOUSSARD – Ingénieur Matériaux

Matériautech®

39 rue de la Cité, 69003 Lyon

Page 2: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 2

Sommaire

1. Présentation de la Matériautech®

2. Principe – applications

3. Les technologies de fabrication additive

4. Forces et faiblesses

5. Conclusions – Innovations

Page 3: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 3

Matériautech®

Materiautech® - Lyon

La Matériautech® :

Un espace dédié aux innovations matières / process regroupant près de 600 matières

plastiques

Un outil de mise en relation pour plus de 650 industriels par an ayant une problématique

liée au développement de nouveaux produits plastiques ou à l’innovation.

Un réseau regroupant centres techniques, fabricant matières/additifs, spécialistes de la

décoration, …

GEM®

Page 4: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 4

Les Matériautech®, sont des centres de compétences européens en Plasturgie et Eco-Conception.

En Europe LYON / GENERALISTE (Allizé Plasturgie)

ITALIE / MATIERES TECHNIQUES HT (Proplast)

OYONNAX / INJECTION & COMPOSITES (PEP)

SOPHIA ANTIPOLIS / BIOMATERIAUX (Carma)

SAINT- ETIENNE / DESIGNER (Cité du Design)

ALES / NANOMATERIAUX (Ecole des Mines)

Développements en cours Allemagne / Espagne

7 Materiautech®

PARIS / GENERALISTE (Fédération de la Plasturgie)

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Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 5

Principe de la fabrication additive

Procédé de mise en forme d’une pièce complexe par ajout de

matière, par empilement de couches successives sans utilisation

d’outillages conventionnels

Modélisation 3D sur

ordinateur

Transfert des données

Production Pièce finie

Page 6: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 6

Principales applications de la fabrication additive

Prototypage rapide

Maquette conceptuelle, visuelle

Tests d’assemblage/ajustement

Tests fonctionnels

• Résistance chimique

• Propriétés mécaniques

• Propriétés thermiques

Tests de durabilité

• Tenue au vieillissement (UV)

Tests réglementaires

• Qualité alimentaire

• Biocompatibilité

Fabrication directe de pièces

• Petites séries (≥1)

• Personnalisation des produits

3,9

6,6

9,6

11,7

14

17,2

19,6

24

28,3

0

5

10

15

20

25

30

2003 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Part de la fabrication directe [%]

[Wohlers report 2013]

Page 7: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 7

Les technologies de fabrication additive

Plastiques

Projection jet de matière

PolyJet (Stratasys)

MultiJet (3D Systems)

Photo-polymérisation

Stéréolithographie (SLA)

Digital light processing (DLP)

Projection de liants

Impression 3D (3DP)

Extrusion

Dépôt de fil

(FDM)

Fusion de poudres

Frittage de poudres

(SLS)

Frittage de poudres (SMS)

ISO/ASTM 52921:2013

Page 8: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 8

Niveau de détails élevé Résistance thermo-mécanique limitée

Solution multimatériaux Vieillissement des matières

Large choix de matières (+60)

PolyJet

Principe : Projection jet de matière

Jet de résines photopolymères durcie par lampe UV

Matières

Photopolymères à base acrylique, photopolymères

élastomères

Post-traitement

Dissolution de la résine support avec de l’eau Matériau A

Matériau B

Têtes d’impression

Lampe UV

Page 9: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 9

PolyJet - applications

Tests fonctionnels, réglementaires , validation visuelle

Simulation de plastiques techniques

• En température jusqu’à 80°C

• Simulation ABS (température, rigidité)

Simulation de plastiques standards

• Transparence

• Couleurs

• Souplesse (TPE, caoutchoucs)

• Simulation PP

• Bio compatible

Page 10: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 10

PolyJet - applications

Simulation surmoulage/multi-injection, soft touch

Prothèses dentaires

Médical

[Stratasys]

Page 11: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 11

Stéréolithographie (SLA)

Pièces avec une géométrie complexe Résistance mécanique

Excellente finition Post traitement au four pour finaliser la

polymérisation

Cout compétitif Vieillissement aux UV

Laser

Lentilles

Photopolymère

liquide

Pièce

Plateforme

Racle

Rayon laser

Cuve

Principe : Photopolymérisation

Résine photopolymère durcissant aux UV à l’aide d’un

laser

Matière :

Photopolymères à partir de résine époxy, acrylate

Nettoyage puis post traitement au four (étuve UV)

Page 12: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 12

SLA – applications

Tests fonctionnels, validation visuelle

Simulation de plastiques techniques

• En température jusqu’à 60-70°C, 110°C (après

traitement)

• Simulation ABS (propriétés mécaniques)

Simulation de plastiques standards

• Transparence

• Couleurs (blanc, ambre, bleu, noir)

• Simulation PP

[3D Systems]

Page 13: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 13

SLA – applications

Maquette conceptuelle, visuelle

Aide à la réalisation d’outillages en silicone

[3D Systems]

Page 14: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 14

Comparaison SLA / PolyJet / Injection

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Moduled'élasticité [MPa]

Contrainte à larupture [MPa]

Elongation à larupture [%]

Résistance àl'impact [J/m]

Module deflextion [MPa]

HDT (0.45 MPa)[°C]

ABS Injection

ABSlike Polyjet

Accura ABS SLA

Page 15: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 15

Impression 3D (3DP)

Multi couleur Propriétés grossières et fragiles

Temps de fabrication rapide Vieillissement des matières

Géométrie complexe

Alimentation

poudre

Piston Piston

Poudre

Pièce

Tête d'impression

Rouleau

Alimentation

adhésif liquide

Principe : Projection de liants

Liant liquide imprimé par jet sur la poudre

Matière

Poudre à base de plâtre / liant liquide

Post traitement

Pas de support de construction

Page 16: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 16

3DP – applications

Fabrication de pièces multicolores / prototype visuels

[Z-Corp - 3D Systems]

Page 17: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 17

Frittage sélectif de poudres (SLS)

Production de pièces à géométrie complexe Texture granuleuse

Bonnes propriétés thermo-mécaniques Propriétés anisotropiques

Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires Propriétés inférieures / matières moulées

Laser

Piston

Piston Piston

Alimentation

poudre

Piston

Poudre

Pièce

Rayon laser

Rouleau

Alimentation

poudre

Principe

Fusion de poudres thermoplastiques par laser CO2

Matériaux : thermoplastiques

PA6 (Solvay)

PA11, PA12, PEEK, PS, PA12+CF, PA12+GF (Eos

GmbH, 3D Systems)

Post traitement : nettoyage de la pièce

Page 18: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 18

SLS – applications

Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires, petites séries

Fabrication rapide de prototypes fonctionnels / pièces grâce à l’utilisation de

thermoplastiques haute performance

• Bonnes propriétés mécaniques, remplacement métal, PA+CF, PA+GF

• Excellent ratio rigidité/gain de poids

• Performance en température > 150°C, PEEK

• Résistance au feu, PEEK

• Résistance à l’abrasion, PEEK

• Bio compatible (PEEK, PA)

• Excellentes propriétés chimiques : PA12

Page 19: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 19

SLS – applications

Médical

Aéronautique

Implant en PEEK Prothèses dentaires Prothèses

Conduits d’airs en PA Conduits d’airs en PEEK

Association avec un CT-scan [Eos GmbH]

Page 20: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 20

SLS – applications

Design Industrie

Automobile

[Solvay]

[Eos GmbH]

Trompette

d’admission

Carter d’huile Cadran de feu avant Collecteur d’admission d’air

Lampe design

Page 21: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 21

Comparaison SLS / Injection

0

20

40

60

80

100

120

Rés

ista

nc

e à

la

ru

ptu

re (

Mp

a)

0

10

20

30

40

50

60

Elo

ng

ati

on

à l

a r

up

ture

(M

pa

) Fragilité des pièces en SLS à cause de la porosité des pièces frittées

Les propriétés mécaniques dépendent de la direction X, Y, Z du fait de la

fabrication couche par couche

[Eos GmbH]

Page 22: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 22

Bonne propriétés mécaniques et

thermiques des matériaux

Finition – état de surface

Utilisation de thermoplastiques Pièces anisotropiques

Coût Choix des matières

Dépôt de fil fondu (FDM)

Bobine matière

Support pièce

Pièce

Bobine matière

support

Plateforme

Filaments

Tête extrusion

Roue motrice

Buse

Principe

Extrusion d’un fil thermoplastique

Matières :

Thermoplastiques : PC, PC/ABS, ABS, PPS, PEI

Post traitement :

Dissolution de la résine support dans du détergent

et de l'eau

Page 23: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 23

FDM – applications

Tests fonctionnels, durabilité, réglementaires, petites séries

Prototypes fonctionnels grâce à l’utilisation de thermoplastiques haute

performance

• Performances mécaniques : rigidité, résistance à l’impact (ABS, PC, PEI)

• Résistance thermique > 150°C (PEI)

• Excellente résistance au feu : comportement V0 des PEI

• Biocompatible : ABS, PC, PPSU (stérilisable EtO et gamma)

• Résistance chimique

Page 24: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 24

FDM – applications

Médical

Aéronautique

Conduits d’air en PEI

Ultem

Electronique

Dispositifs médicaux en ABS

[Stratasys]

Industrie

ABS avec des

propriétés antistatiques

Page 25: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 25

Comparaison FDM / Injection

Les propriétés mécaniques dépendent de la direction

X, Y, Z du fait de la fabrication couche par couche et

du sens du fil

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

PPSU PC ABS PC-ABS PEIULTEM

Mo

du

le d

e Y

ou

ng

(M

pa)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

PPSU PC ABS PC-ABS PEIULTEM

Elo

ng

ati

on

à la

ru

ptu

re (

%)

Fragilité des pièces en FDM du fait de l’adhésion entre les fils

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Comparatif

Attribut PolyJet SLA 3DP FDM SLS

Matériau Photopolymères Photopolymères Poudre à base de

plâtre Thermoplastiques Thermoplastiques

Finition /

Précision +

0,015-0,203 mm

+ 0,051-0,152 mm

+ 0,089-0,203 mm

- 0,127-0,330 mm

- 0,102 mm

Robustesse

[Mpa] +

49,6-60,3

+ 17,2-68,9

- Faible

++ 35,9-71,5

++ 36,5-77,9

Tenue en

température

[°C]

+ 80°C

+ 60°C (110°C)

- Faible

++ >150°C

++ >150°C

Dim. max.

pièce [mm]

+ 1000×800×500

Objet1000

+ 1500x750x550

iPro9000XL

- 508x381x229

Zprinter®850

+ 914x610x914

Fortus900mc

+ 1500x500x500

Hofmann

Multimatière/

muticouleur Oui Non Oui Non Non

Prix [k€] 20-500 30-600 15-200 1-450 150-600

Principaux

fournisseurs Stratasys 3D Systems 3D Systems Stratasys

EOS

3D Systems

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Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 27

Forces des technologies de fabrication additive

Pas besoin de développer d’outillages

• Élimination des coûts liés à l’outillage

Complexité des pièces / liberté de design

Personnalisation / Individualisation / Différenciation

Flexibilité et réactivité

• Gain sur le développement de produits

• Gain sur la fabrication

Idée Conception pièce Conception et Fabrication d’outillage Production

Impression Idée Conception pièce

Time to market

[Arcam]

Page 28: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 28

Faiblesses des technologies de fabrication additive

Choix limité de matériaux par rapport aux techniques conventionnelles

Propriétés encore limités pour des applications hautes performances

Propriétés mécaniques inférieures par rapport aux technologies

conventionnelles

Aspect de surface, précision des détails, stabilité du process

Utilisation de matériaux spéciaux onéreux (poudre, fils…) limitant le choix

des matières

Page 29: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 29

Conclusion - Innovation Arburg K2013

Fabrication sans structure de support couche par couche,

à partir d’infimes gouttelettes

Utilisation de granulés standards économiques au lieu de

matériaux spéciaux onéreux

Possibilité d’avoir des solutions multi matières

Obturateur à buse cadencée

Porte-pièces mobile à 3 ou 5 axes

Granulés Vis injection

[Arburg]

Page 30: Du prototypage rapide à la fabrication additive de pièces en

Matériautech® / Fabrication additive / 15.11.2013 30

Sébastien MOUSSARD Ingénieur matériaux

Tél : +33 (0) 426 682 857 [email protected]

Gilles GAUTHIER Materiautech® Manager Tél : +33 (0) 426 682 856

[email protected]

39 rue de la Cité 69441 LYON - Cedex 03 France

www.materiautech.org

Merci pour votre attention !