Bouleverser la chaîne d’approvisionnement avec l’impression 3D : introduction à l’outillage composite FDM

Les délais de production des outils traditionnels en aluminium, en acier, en invar ou en FRP (polymère renforcé de fibres) sont généralement mesurés en semaines ou en mois. Les coûts atteignent souvent des dizaines de milliers d’euros, même pour des formes relativement simples. Ces délais trop longs et ces coûts élevés ont un impact sur le rythme de développement et peuvent empêcher l’optimisation de la conception et l’innovation des produits.

La solution : L’impression 3D

Pendant de nombreuses années, les fabricants d’équipements d’origine et les fournisseurs leaders dans l’industrie aérospatiale ont fait appel à l’impression 3D pour une production rapide et à bas prix d’outils composites. Boeing, par exemple, a fait une révélation sur son recours à la technologie FDM en 2012 dans un document technique SAMPE (Society for the Advancement of Material and Process Engineering) décrivant ses efforts de développement de structures hors autoclave, larges et complexes.

L’impression 3D est une technologie de fabrication additive automatisée qui permet de produire des pièces en déposant le matériau couche par couche. Le FDM est une technologie d’impression 3D qui fait appel à une extrudeuse montée sur un système à portique afin de déposer de manière précise les matériaux thermoplastiques couche par couche à travers un procédé hautement contrôlé et automatisé.

Depuis 2012 jusqu’à récemment, les capacités des imprimantes 3D et les propriétés des matériaux, comme la résistance à la chaleur, ont limité les applications de l’outillage composite imprimé 3D. Toutefois, Stratasys a récemment investi de manière substantielle dans le développement de solutions d’impression 3D adaptées aux besoins uniques du marché des outils composites. Le lancement de la résine thermoplastique haute température ULTEM 1010, apte à doubler la productivité, et des guides de conception détaillés axés sur l’outillage composite, permet dorénavant aux utilisateurs de la technologie FDM de bouleverser considérablement la chaîne d’approvisionnement d’outils composites.

Le fait que Stratasys ait développé des matériaux haute température et accélérateurs de productivité permet aux clients de produire des outils de montage haute température en quelques heures ou jours, au lieu des semaines ou mois qu’il aurait fallu pour les produire via des processus traditionnels. De plus, les outils imprimés 3D peuvent offrir des économies de coûts considérables par rapport aux matériaux d’outillage traditionnels ainsi que de nombreux autres avantages moins quantifiés, tels que l’allègement du poids. Des études de cas avec des fabricants d’équipements d’origine comme Dassault Falcon Jet démontrent des réductions potentielles jusqu’à 90% en matière de coûts et de délais.

Capacités :

L’outillage composite imprimé 3D, plus particulièrement celui imprimé sur les machines FDM Stratasys avec la résine ULTEM 1010, est capable de supporter une exposition répétée aux cycles de durcissement à l’autoclave communs, mais toujours extrêmes à 177°C et 90psi.

L’outillage peut recevoir différentes finitions pour obtenir une étanchéité au vide et une rugosité de surface inférieure à 16 μin Ra (0,4 μm). Les méthodes de finition les plus courantes sont l’abrasion manuelle et l’application de résines haute température à deux composantes, l’usinage des couches minces et l’application de films FEP.

La nature additive de l’impression 3D permet le dépôt du matériau là où c’est nécessaire, et par conséquent, offre une grande efficacité et un minimum de déchets. Elle réduit non seulement l’utilisation des matériaux, mais également le poids de l’outillage. Cette optimisation permet aux outils d’être manipulés par des opérateurs humains plutôt que par des grues ou des dispositifs de levage. Ce qui réduit davantage les coûts récurrents et les inefficacités opérationnelles.

C’est plus rapide, moins cher et a beaucoup d’avantages ... mais, où est le piège ?

Comme indiqué plus haut, les avantages du FDM dans l’outillage composite sont nombreux et incontestables. Cela dit, il existe certaines limites et réflexions à prendre en compte pour assurer la réussite de la mise en œuvre et de l’utilisation de la technologie.

• La dilatation thermique (CET) – le premier souci avec les outils imprimés 3D est le coefficient d’expansion thermique (CET) relativement élevé des matériaux actuellement disponibles. Etant donné que les outils sont composés de thermoplastiques purs (non remplis), ils ont un CET relativement élevé. Le CET de la résine ULTEM 1010, le principal matériau d’outillage composite de Stratasys, est à peu près le double de celui des alliages d’aluminium. En travaillant avec des mandrins mâles, le CET élevé de l’ULTEM peut être considéré comme un avantage, car il augmente la consolidation des plis et facilite l’enlèvement du mandrin. Toutefois, pour certaines formes femelles profondes, cela pose un certain nombre de défis.
• La taille – un autre souci qu’on rencontre avec l’outillage FDM se rapporte à la taille. Le plus grand plateau de construction des imprimantes FDM Stratasys mesure 3’ x 2’ x 3’. Bien que les outils plus volumineux soient habituellement imprimés en segments, puis collés ensemble, cela peut éroder la valeur de l’outil d’un degré si celui-ci doit être sectionné plusieurs fois, particulièrement dans plusieurs directions. Ceci est simplement dû au matériel supplémentaire nécessaire pour renforcer les zones communes et à l’augmentation du travail manuel nécessaire pour assembler les outils. Dans la plupart des cas, les avantages l’emportent toutefois sur les inconvénients. Néanmoins, il faut le garder à l’esprit lorsqu’on envisage de construire des structures plus vastes.
• La durée de vie de l’outil – comme mentionné précédemment, la durée de vie de l’outil n’a pas été totalement définie, car elle dépend d’un certain nombre de facteurs (ex : paramètres spécifiques du cycle de durcissement, forme de l’outil, conception/construction de l’outil, méthodes d’étanchéification, etc.). Toutefois, pour des applications à faible volume (1 – 50 ou peut-être jusqu’à 100 cycles), les études réalisées jusqu’à ce jour sont prometteuses. Et dans de nombreux cas, le faible coût de la mise en œuvre pourrait même permettre l’utilisation planifiée d’outils multiples pour un coût inférieur à celui d’un seul outil métallique ou FRP.

Résumé

L’outillage imprimé 3D offre aux fabricants de composite, aux fabricants d’équipements d’origine et aux fournisseurs d’outillage une alternative performante, rapide et moins chère aux technologies d’outillage haute température existantes. Les premiers utilisateurs de cette technologie bénéficient déjà de l’avantage concurrentiel offert par les outils imprimés 3D.

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Publié le 18 Avril 2017