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Des pièces aussi vraies que nature

Mirel Scherer

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La précision et la vitesse des machines de prototypage associées aux matériaux de dernière génération permettent de créer des pièces que l'on peut analyser ou tester comme des pièces définitives.

Dans le marasme industriel actuel, le salon Euromold, qui s'est tenu en décembre à Francfort (Allemagne), a connu un succès exceptionnel, aussi surprenant que réconfortant. Il a été véritablement pris d'assaut par des ingénieurs et des techniciens, allemands bien sûr, mais aussi français, venus découvrir les dernières innovations en matière de mise au point de nouveaux produits. Il faut dire que depuis qu'il est devenu, en quelques années, un élément clé de la chaîne de conception-fabrication, le prototypage rapide (PR) ne cesse de progresser et de séduire. La précision et la vitesse des machines augmentent, elles sont pilotées par des logiciels de plus en plus évolués et dotées de lasers de dernière génération (à fibres), les caractéristiques des matériaux s'améliorent, tandis que, parallèlement, les prix des équipements et les coûts d'exploitation baissent. L'évolution parfaite.

La précision a, par exemple, fait un bond et on affiche maintenant des tolérances de l'ordre de 2/100e de millimètre comparables sinon meilleures que celles de pièces réelles qui ne dépassent pas en moyenne le 1/10e de millimètre en mécanique. Grâce à ces avancées, de nouveaux domaines sont accessibles à la fabrication rapide, comme la bijouterie ou le médical, et on peut aussi construire des assemblages complexes afin de les tester dans des conditions de fonctionnement similaires à ceux qu'affronteront les modèles définitifs dans la réalité.

Des tests de soufflerie

À tout seigneur tout honneur, 3D Systems (qui a racheté en 2001 le fabricant suisse de résines RPC et qui détient, selon l'analyste américain Terry Wohlers, plus de 61 % de la base mondiale installée), dévoilait à Euromold un matériau qu'il lancera en 2004 pour ses machines SLA. Premier d'une nouvelle gamme de matériaux composites basés sur une nouvelle recette, le Bluestone SL confère aux pièces une résistance et une rigidité exceptionnelles. Celles-ci peuvent dès lors, être directement utilisées pour de nombreuses applications de pointe, par exemple lors des tests de soufflerie fréquemment réalisés pour le développement de voitures de formule 1, ou encore pour la fabrication de boîtiers électroniques ou de composants pour les assemblages rigides en aéronautique. Le secret de ce matériau réside dans sa formulation chimique qui élimine les problèmes d'affaissement et de délamination classiques sur les produits du marché. Le Bluestone supporte également des températures plus élevées que les matériaux conventionnels.

3D Systems annonce aussi pour ses machines SLS (frittage sélectif par laser) un nouvel acier d'outillage, le LaserForm Acier A6, qui réduit les coûts et accélère les temps de cycle du moulage par injection. Avec une meilleure conductivité thermique et des canaux de refroidissement intégrés, le cycle d'injection est 50 % plus rapide que celui qu'on associe à un acier d'outillage traditionnel. « Pour être compétitive face aux techniques traditionnelles d'usinage, la fabrication à la demande [outillage rapide] doit être non seulement plus rapide, mais aussi permettre d'accroître le débit des équipements d'injection, tout en respectant des critères rigoureux de précision, d'état de surface, de détails et de durabilité », précisent les spécialistes du constructeur américain.

Les utilisateurs ont immédiatement compris l'intérêt de ces développements à l'instar de Microplastics, un mouliste situé à Saint-Charles, dans l'Illinois (États-Unis), qui travaille pour l'automobile, l'informatique, l'électroménager, les télécommunications, le médical et l'électronique. « Nous avons investi dans le système SLS et le matériau LaserForm acier A6 ce qui nous permet de fournir directement des pièces fonctionnelles en polyamide (avec le matériau DuraForme) puis les outillages avec le LaserForm », explique Jim Spaniol, responsable de ventes chez Microplastics.

Airbus, quant à lui, n'a pas hésité à investir récemment, pour son usine de Filton en Grande-Bretagne, dans un équipement de PR haut de gamme, la machine SLA 7000 de 3D Systems. Martin Aston, responsable de la soufflerie de l'usine est formel quant aux bénéfices qui en résultent. « Disposer de son propre équipement de PR améliore la réactivité et réduit considérablement les coûts, parfois d'un ordre dix par rapport aux travaux confiés aux sociétés de services, souligne-t-il. Sans parler d'un meilleur contrôle de la qualité. »

L'amélioration des caractéristiques et la mise au point de produits similaires à ceux que l'on doit produire en grandes séries, facilitent également les tractations commerciales avec les fabricants de moules prototypes. Les pièces fabriquées avec la dernière-née de Stratasys, la Dimension, coûtent de 7 à 9 euros par 2,5 cm3. Mais au-delà de ce prix compétitif, les produits fabriqués (comme un excavateur en ABS à échelle réduite constitué de 60 composants mais qui fonctionne comme une machine réelle) ont une précision qui permet aux outilleurs d'identifier les formes difficiles à fabriquer et donc coûteuses en outillage. Ces indications sont une mine d'or pour les concepteurs qui peuvent modifier la forme des pièces en conséquence et réduire ainsi les coûts de fabrication du futur produit.

Les nouvelles approches du PR permettent aussi de réduire le nombre de composants et d'éliminer les opérations secondaires pour la réalisation d'un assemblage complexe. Éternel rival de 3D Systems, EOS illustre cette évolution avec quelques nouveautés saisissantes. Sa machine Eosint M 270 utilise un laser à fibres qui améliore sensiblement la précision des pièces. Son matériau DirectSteel H20, un acier destiné aux applications d'outillage rapide, améliore la pureté des pièces et leur dureté (42 Rockwell C). La machine Eosint P 380 et le polyamide PA 2200 permettent à certains industriels, comme le fabricant allemand de produits médicaux Hettich Zentrifugen, de réduire sensiblement le nombre de composants.

Maintenance plus facile

L'adoption de lasers à fibres pour améliorer la précision se généralise. Phenix Systems, un des rares constructeurs français de machines de PR (une start-up créée en 2000), installe sur ses équipements de frittage de poudres céramiques et métalliques de tels lasers (de 50 ou 100 W) conçus par IPG. Cela améliore la précision estime François Reymondet, pdg de Phenix Systems. Ainsi, les machines PM 250 et PM 100 affichent une précision de fabrication classe 9-10 et une vitesse qui varie de 1 à 10 mm3/s. Destinées à la fabrication de pièces fonctionnelles, de petites séries de pièces complexes, de noyaux céramiques pour la fonderie de précision ou d'empreintes de moules, ces équipements offrent aux utilisateurs la possibilité d'utiliser des matériaux disponibles sur le marché. Ce qui réduit sensiblement les coûts. Et les projets ne manquent pas à la jeune société qui s'apprête à lancer fin 2004-début 2005 une machine dédiée à la dentisterie.

Cette évolution concerne aussi les petits équipements de bureau, que les experts du marketing appellent si joliment imprimantes 3D. Ce secteur du marché a connu une croissance considérable : environ 20 % selon les spécialistes. Une évolution que l'on doit à l'amélioration considérable des caractéristiques techniques des matériels et à l'appréciation des utilisateurs qui plébiscitent désormais ce type de solution. Ils ont appris à mieux utiliser ces machines qui s'installent à côté du poste de CFAO et qui produisent rapidement un modèle. Et quelle meilleure illustration de cette évolution technico-économique que l'irruption, en 2002, sur ce marché de 3D Systems dont le prototype Invison est devenu en une seule année, un équipement catalogue. Il a pourtant trois ans de retard sur Objet Geometries qui propose déjà, avec sa machine Eden 330, la deuxième génération d'équipements de bureau capables de fabriquer des pièces par jet de résine. L'Eden 330 est 15 % plus rapide que le modèle précédent mais aussi plus précise car elle peut produire des couches de moins de 16 micromètres d'épaisseur. « L'utilisateur n'a plus le souci de la préparation ni du support de la pièce qui s'enlève par simple jet d'eau, explique Daniel Cohen, directeur marketing du fabricant israélien. Ni de la maintenance, car les huit têtes sont autonomes et peuvent être remplacées individuellement. » Avec son prix de 90 000 euros (200 euros/kg pour la résine maison), cet équipement s'attaque frontalement aux machines de production, car il divise au bas mot le prix d'investissement par deux. Les utilisateurs se sont rendu compte des avantages. Ainsi Adidas-Salomon a-t-il réduit, grâce à la machine d'Objet Geometries, le temps de développement d'une nouvelle chaussure de sport de 90 à 30 jours. Qui dit mieux ?

Des assemblages complexes

Z Corp peut-être, qui innove aussi, mais à sa manière, car les deux technologies ne sont pas comparables. La Z810 est capable de fabriquer rapidement différents composants nécessaires pour assembler des produits complexes. Une turbine composée d'une dizaine de pièces, par exemple. Le constructeur qui vient de mettre sur le marché une machine de bureau qui coûte 30 300 euros (la Z310), a aussi mis au point, en collaboration avec un fondeur américain, un procédé de fonderie directe baptisé Z Cast qui élimine les modèles en cire. Le moule de fonderie est réalisé grâce à deux matériaux, l'un destiné aux matériaux non-ferreux, l'autre aux métaux.

Enfin, la fabrication rapide semble avoir le vent en poupe, comme l'illustre le succès de la machine Perfactory d'Envision Tec. Le constructeur allemand a vendu soixante machines en deux ans (à 50 000 euros l'unité) et prépare une machine plus grande dont le prototype était exposé... à l'abri de regards indiscrets à Euromold. Et quelle meilleure démonstration de ce dynamisme du prototypage rapide que les travaux de l'Institut Fraunhofer qui traitent aussi bien la fabrication directe de grandes pièces par découpe de lamelles métalliques que la métallisation des pièces polymères prototypes ou la fabrication par fusion laser des pièces métalliques dont la complexité est quasi illimitée...

ROTOR POUR MACHINE À LAVER

Réalisé sur la machine de frittage Eosint P d'EOS, ce rotor pour machine à laver a été fabriqué en polyamide PA 2220. Initialement, le rotor comptait 32 pièces, mais l'adoption de la fabrication par prototypage rapide a permis au bureau d'études de réduire le nombre de composants à trois. Certaines opérations de finition ont été aussi éliminées.

TRAIN D'ATTERRISSAGE

Destiné à l'A 380, ce train d'atterrissage au 1/10e a été réalisé en Accura SI 10 SL sur un système de stéréolithographie SLA 7000 de 3D Systems par Nick Hudd, model designer à l'usine Airbus de Filton (Grande-Bretagne). Il sert à tester les qualités aérodynamiques du train dans la soufflerie, permettant de le modifier rapidement et à moindre coût.

QUAND L'UNION FAIT LA FORCE

Né d'une étude réalisée sur le marché du médical par la CCI du Territoire de Belfort, étude qui démontrait les mérites d'une offre globale face à la dispersion des compétences, Integr'all est une initiative originale. Huit PME franc-comtoises, A2E, Amstutz-Levin, Citele, Crips, G-Tech, Mecaplus, MGR et Technicrea, ont décidé de regrouper leurs forces pour traiter plus vite et mieux des travaux très variés sur l'ensemble de la chaîne de création et de production. Du bureau d'études au design en passant par l'électronique, la mécanique, l'usinage de précision, la fabrication des structures en nid-d'abeilles, la plasturgie, la tôlerie, l'assemblage mécanique, elles comptent 1 000 spécialistes et réalisent bon an, mal an, 120 millions d'euros de chiffre d'affaires.

UNE MACHINE POUR MOINS DE 20 000 EUROS

Aussi grande qu'une imprimante classique et à peine plus chère qu'une photocopieuse couleur sophistiquée, la machine SD300 du constructeur israélien Solidimension arrive en Europe. Cette imprimante 3D qui n'usurpe pas son nom à la différence des autres, utilise un principe de fabrication similaire à celui des machines Helisys. À deux différences près : les feuilles de papier sont remplacées par des planches de PVC (coût d'un rouleau : environ 30 euros) et seules les découpes qui forment le contour de la pièce sont collées les unes aux autres au fur et à mesure. Il en résulte en moins d'une heure (en fonction de sa complexité) une pièce plastique plus vraie que nature. « Cet équipement préfigure les machines que l'on pourra installer d'ici deux ou trois ans chez soi pour fabriquer rapidement la pièce plastique (jouet ou autre) que l'on désire », affirme en fin connaisseur Ziad Abou, directeur de CEP, une société sarthoise spécialisée dans le prototypage rapide et la fabrication des moules prototypes.

ÉLÉMENTS DE TURBINE, BIJOUX, MOULES...

Noyaux en alumine (1) pour la fabrication de pales de turbines, empreinte de moule en nickel (2), turbine (3) et bagues (4) en inox..., ces pièces ont été réalisées avec les machines PM 100 et 250 de Phenix Systems. Leurs avantages : la précision, la vitesse et la possibilité d'utiliser directement des matériaux disponibles sur le marché.

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