Fabrication Additive par Stratoconception pour les outillages de fonderie – Applications industrielles

Claude Barlier, fondateur du Centre européen de développement rapide de produits (Cirtes), revient sur les nombreux atouts de la Stratoconception, un procédé de fabrication additive (FA) qui connaît à ce jour de belles applications, en particulier dans le domaine de la fonderie.

Issue d’activités de recherche menées depuis le début des années 80, une nouvelle génération de technologies de fabrication dites « de fabrication additive » (FA) ou Additive Manufacturing (AM) est en passe de révolutionner non seulement le monde industriel mais elle permet également de répondre aux attentes des consommateurs. En effet, ces nouvelles technologies augmentent considérablement le potentiel de création en termes de design, de personnalisation ou bien encore de fonctionnalités. Dans l’industrie, les nouvelles perspectives sont directement liées à des gains de performances industrielles et de compétitivité. L’ingénieur d’aujourd’hui dispose de solutions lui permettant non seulement de réduire le temps de mise sur le marché de nouveaux produits mais également d’optimiser leur coût de fabrication ainsi que le fonctionnement en service des nouveaux outillages.

La fabrication additive a fait émerger trois concepts fondamentaux. Le prototypage rapide (Rapid Prototyping ou RP) fut le premier concept à apparaître dès la fin des années 80. Il permet principalement la fabrication, dans des temps très courts, de maquettes et prototypes très complexes. Le deuxième concept a été celui de l’outillage rapide (Rapid Tooling ou RT) apparu naturellement dès 1996. Il s’agit, cette fois, d’utiliser les procédés de fabrication additive pour réaliser directement des modèles et outillages, pour ensuite fabriquer des pièces bonne matière et bon procédé à l’aide des grands procédés industriels de la plasturgie, de la fonderie, de la mise en forme par emboutissage… Une troisième voie est apparue dès le début des années 2000, celle de la fabrication directe (Direct Manufacturing). Il s’agit, dans ce cas, de réaliser directement (sans aucun moule ou modèle intermédiaire) des petites séries de pièces grâce au procédé de FA. Le présent article s’attachera aux apports du concept d’outillage rapide, particulièrement en fonderie.

Présentation du procédé de Stratoconception

Dès le milieu des années 90, les sept brevets de base explicitant sept principes physiques d’addition de matière étaient déjà déposés. Ainsi, ce sont ces sept principes qui permettent de classer, aujourd’hui, les nombreux procédés de fabrication additive suivant sept grandes familles, selon la norme ISO 17296-2 :
1.    Polymérisation d’une résine sous l’action d’un laser
2.    Projection de gouttes de matériau
3.    Projection d’un liant sur un substrat de type poudre
4.    Solidification de poudre sous l’action d’une source d’énergie de moyenne à forte puissance (laser ou faisceau d’électrons)
5.    Projection de poudres (ou fusion de fil) dans un flux d’énergie (laser, plasma, Cold Spray)
6.    Fusion de fil au travers d’une buse chauffante
7.    Assemblage de couches à partir de feuilles ou de plaques découpées.

La famille procédant par assemblage de couches réalise les objets à partir de matériaux solides qui peuvent prendre la forme de feuilles fines ou de plaques épaisses. Ces techniques additives procèdent par découpage et assemblage ou bien par assemblage puis découpage de ces feuilles. Le procédé de la Stratoconception appartient à cette famille et met en œuvre des matériaux de différentes natures disponibles en plaques épaisses.

Les divers principes physiques se différencient suivant la nature de leur matériau de base,  leur méthode de solidification mais également selon les principales performances qui en découlent. Ainsi, le tableau ci-dessus résume les principales caractéristiques présentées par chacune des sept grandes familles de procédés et permet de déduire les principales applications et le domaine d’application de chacune d’elles.

À la fin des années 80, ce sont les travaux de recherche du Professeur Claude Barlier qui sont à l’origine du procédé de fabrication additive breveté de la Stratoconception. Afin de développer ses travaux, en 1991, il crée le Cirtes à Saint-Dié-des-Vosges. Depuis cette date, l’équipe de recherche du Cirtes travaille à la mise au point du procédé original et au développement des logiciels. Dix-neuf brevets de base et huit marques ont été déposés à l’international (France, Europe, États-Unis, Canada, Chine et Japon). La Stratoconception est le procédé de fabrication additive permettant la réalisation d’une pièce 3D, par addition de couches solides, directement à partir du tranchage d’un fichier numérique.

Il consiste à décomposer automatiquement la pièce en une série de couches élémentaires complémentaires 3D appelées strates, dans lesquelles sont placés des éléments de positionnement. Chacune de ces strates est directement mise en panoplie, puis fabriquée par micro-fraisage rapide, par découpe laser, par découpe au fil, ou par tout autre moyen de découpe à partir de tous matériaux en plaques. Toutes ces strates sont ensuite positionnées par des inserts, des pontets sécables ou par des éléments d’imbrication, dans le cas de pièces à parois minces, puis assemblées afin de reconstituer la pièce finale. L’assemblage des strates est pris en compte dès la conception afin d’assurer la tenue aux contraintes mécaniques pendant l’utilisation. Il est naturellement possible d’incorporer dans les strates des canaux de régulations, des cellules thermiques, des busages, voire d’intégrer des capteurs.

Le procédé est rapide et sans limitation de forme, de matériau ou de taille et il est particulièrement adapté aux pièces de moyennes et grandes dimensions. Il peut être utilisé aussi bien pour la fabrication de pièces mécaniques, de maquettes et de modèles, que pour celle d’outillages. Il trouve donc des applications en prototypage, en outillage et en fabrication directe pour tous les secteurs d’activité : l’automobile, l’aéronautique, l’énergie, l’électroménager, le flaconnage, la verrerie, la cristallerie, le médical, le sanitaire, l’architecture, le mobilier, la sculpture, le design… Il permet également de réaliser des œuvres d’art, de moyennes et grandes dimensions et plus récemment des emballages 3D.

L’un des concepts les plus porteurs pour le procédé de Stratoconception est celui de l’outillage rapide notamment pour les domaines de la forge, de la plasturgie, de la verrerie et, plus particulièrement, pour le domaine d’application industriel privilégié de la fonderie.

Applications actuelles industrielles en fonderie

En fonction du type d’outillage et de l’application visée, les matériaux constituant les outillages réalisés par Stratoconception diffèrent, ainsi  pour :

1. La fonderie sable
a.   Réalisation de modèles permanents
•    L’outillage sera en PSE HD pour la réalisation de pièces unitaires ou de très petite série,
•    En bois (bouleau de Finlande) ou en plaques de résine moyenne densité (LAB650) pour la moyenne série,
•    En plaques de résine haute densité (LAB950), voire en aluminium, pour les outillages dédiés à la grande série.

b.  Réalisation de modèles perdus
•    Réalisation de modèle direct en PSE pour la production de pièces unitaires ou de très petite série,
•    Réalisation d’outillage d’injection en aluminium ou en acier pour la fabrication en série de modèle perdu en PSE destiné ensuite à la fonderie de pièces en série (voir au § suivant l’exemple PSA)

La première innovation intéressant la fonderie a été initialement conçue par l’équipe R&D du Cirtes pour le passage de la vapeur de cuisson dans le moule lors de l’obtention de modèles en polystyrène expansé pour la fonderie de culasses moteur de PSA. Les busages ainsi aménagés aux interstrates peuvent être transposés à tous les procédés nécessitant des échanges de fluide entre la partie moulante et l’extérieur du moule (comme par exemple l’aspiration dans le cas du thermoformage, …). Le placement et la fabrication de ces évents sont directement intégrés au procédé et, ainsi, ils sont réalisés en même temps que l’ensemble de l’outil. Ce type de busage conformable trouve des applications importantes en fonderie comme par exemple dans la fabrication des boîtes à noyaux. Les gains obtenus se retrouvent d’abord sur les temps de fabrication des outillages qui ne doivent pas subir une étape de perçage très difficile. Ils se retrouvent également sur les temps de fabrication des noyaux avec également de meilleurs taux de polymérisation des sables. Enfin, la gestion et la récupération des gaz de polymérisation sont facilitées, améliorant ainsi la protection des opérateurs et ayant un moindre impact environnemental.

2. La fonderie en moule métallique

L’outillage est réalisé en acier à outils dans les nuances conventionnelles de travail à chaud (H11, H13…).
Il s’agit donc ici de mettre en œuvre des matériaux déjà couramment utilisés et validés par les modeleurs et moulistes traditionnels, dont le comportement est de ce fait bien maîtrisé.

L’équipe de recherche de Cirtes travaille depuis de nombreuses années sur le développement de l’outillage rapide par Stratoconception métal. Ces travaux ont abouti à des innovations majeures brevetées, présentées ci-dessous et particulièrement bien adaptées aux outillages de fonderie

La première innovation concerne la réalisation de cellules thermiques conformables. L’intérêt majeur pour l’outillage rapide réside dans la possibilité d’intégration, au cœur même de l’outillage de fonctionnalités avancées telles que la chauffe ou le refroidissement des empreintes, permettant une réelle maîtrise du comportement thermique. Les études menées ont permis de mettre au point de véritables nappes de régulation conformable autorisant la gestion fine des différents échanges thermiques pendant les cycles de fabrication, ce qui offre d’importants gains de productivité et de qualité.

L’application de la Stratoconception au concept de l’outillage rapide pour la fonderie apporte bien sûr des gains de temps et des gains économiques sur l’outillage. Mais, au travers des innovations présentées, elle génère également des gains en termes de performances industrielles au niveau de la qualité aussi bien qu’à celui de la productivité. Il est également important de préciser que le concept « Stratobrasé » s’applique aussi à des parties d’outillages (zones fonctionnelles par exemple) et pas forcément à la totalité de l’outillage. Dans ce cas, nous retrouvons la notion d’insert. Ces nouveaux outillages nécessitent un surcroît de conception qu’il faut savoir prendre en compte dès le lancement des études d’outillage. Afin d’innover également sur ces aspects de la conception, le Cirtes s’est associé à Missler Software dans le cadre du projet Piave C-Fast.

Le projet labellisé Piave (Industrie du Futur) C-Fast (Conception pour la fabrication additive par stratoconception sous TopSolid) porte sur la création, pour le procédé de Stratoconception, d’une chaîne numérique unifiée continue et réversible de la conception en fabrication additive jusqu’au contrôle final. En effet, les procédés de FA exigent le transfert des fichiers issus des différents logiciels de conception assistée par ordinateur du marché, sous format de fichiers STL afin de communiquer avec les différentes machines de FA présentes en usine. Or, cette étape est réductrice car elle n’autorise plus les remontées d’informations issues de la fabrication pour modifier les modèles sources, et également la variabilité du modèle initial devant être reproduit suivant différentes dimensions, sans avoir à refaire tout le travail. L’objectif de C-Fast, qui permet de travailler en natif, est donc de supprimer cette étape de transfert par le format STL afin de fluidifier les échanges montants et descendants : piste d’économies, de gain de productivité et de qualité.

Conclusion

La réalisation d’outillage en fabrication additive par Stratoconception, avec ou sans l’assemblage des strates par brasage, constitue une réelle alternative aux techniques de fabrication conventionnelles. Le procédé offre des avantages majeurs pour la production de moules et d’outillages dans des secteurs très divers tels que la fonderie, mais aussi la forge, la plasturgie et le secteur verrier. Il permet notamment :
– La modification facilitée des outillages grâce à la chaîne numérique,
– L’amélioration de la thermique du moule (refroidissement, thermorégulation), réduction des cycles de production et amélioration de la qualité des pièces produites,
– L’amélioration de l’efficacité des outillages (gazage des boîtes à noyaux, diffusion homogène de la vapeur de cuisson des outillages polystyrène…),
– L’intégration de fonctions avancées lors de la réalisation du moule (capteurs),
– La possibilité d’adapter la durée de vie des outillages aux séries par une large gamme de matériaux compatibles avec cette méthode de fabrication,
– La possibilité d’adapter des nuances d’aciers selon les sollicitations du moule ou d’une partie du moule (insert).
– Le concept d’outillages éphémères permettant le stockage numérique des modèles, donc la sécurité des données et de ce fait réduisant l’emprise au sol dans le magasin outillages.

Le procédé est d’ores et déjà utilisé en fonderie à l’échelle industrielle pour la réalisation de boîtes à noyaux, de modèles perdus (Polystyrène) et de moules permanents (bois, résine…). Les derniers développements, qui portent sur la réalisation d’outillages métalliques destinés à être utilisés en fonderie par gravité et en fonderie sous pression, sont en cours d’industrialisation. Ces procédés qui sollicitent fortement les outillages nécessitent la mise en œuvre de procédés d’assemblage très performants (par brasage fort notamment), permettant d’obtenir des interstrates de haute qualité, aptes à résister à des sollicitations thermomécaniques extrêmes.

N° 94 décembre 2017