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L’atelier technologique organisé par Plastipolis le jeudi 3 avril 2014 à Oyonnax a traité de la fabrication additive et des opportunités offertes par cette technologie pour l’élaboration de pièces polymères, notamment pour l’outillage. Cet atelier a également permis de donner un aperçu de certaines actions du pôle dans ce domaine.

ROGRAMME

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Partie I - Etat des lieux technologique et industriel 9h30 – 10h00 : Feuille de route PLASTIPOLIS & fabrication additive

  Feuille de route Plastipolis (matériaux avancés, procédés innovants) – Charlotte Thevenet Tendances brevets et opportunités liées à la levée de protection de certains brevets sur la fabrication additive – C. Coustal

10h00-10h50 : Les outils de développement régionaux et nationaux

   Polymères : Plateforme IDPro, Benoit Dony ; Lycée Arbez Carme – Michel Berçot ; Matériauthech – Gilles Gauthier Métaux : PEP – Guillaume Vansteenkiste Poudres : LIFCO – Constantin Iacob

10h50 – 11h30 : Fabrication additive : une réalité industrielle ?

   Vision des utilisateurs et fabriquant de pièce (Poly-Shape). De nouvelles performances envisageables : résultats et travaux de recherche issus des projets Fadiplast, Calypso et Addimize – Jean-Yves Charmeau et M’hamed Boutaous | Laboratoire IMP, Mateis, Cethil Besoin dans le secteur du sport et loisir – Robin Lamy | Sporaltec 

Partie II - Discussion - 11h30 – 12h30 :

Echanges et débats sur les points forts et contraintes de la technologie, modérateur : PLASTIPOLIS 

Partie IV - Buffet Networking - 12h30 – 13h30

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Partie V - Visite - 13h30 – 15h00

  Visite INSA – prototype de flashage IR Visite Lycée Arbez Carmes – moyens de photo-polymérisation, dépôt par fil et collage de poudre Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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OTE D

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OBSERVATION

1. Le champ d’actions dans la fabrication additive de Plastipolis

Les procédés de fabrication à haute valeur ajoutée dont la fabrication additive sont inscrits dans les domaines d’actions stratégiques du pôle Plastipolis. Un des objectifs de la feuille de route 2015 2020 est notamment la mise en œuvre d’une plateforme d’innovation sur la fabrication additive. Plusieurs projets ont été labellisés pour différents types de matériaux : - - polymères : projets Calypso, Fadiplast, Addimize ; métaux : projets Fasther, Moulinnov, Hippi, Platinno, Quickmold. Différentes initiatives sont en cours avec en particulier des collaborations et projets européens. La technologie d’élaboration rapide de pièce est passée du prototypage rapide à la fabrication additive (impression 3D, fabrication rapide, fabrication directe, e-manufacturing). Depuis 2013 il existe une terminologie normalisée des différentes technologies de fabrication additive sous la classification ISO/ASTM 52921:2013 . Partant de cette terminologie, Plastipolis a analysé les avantages et inconvénients de 7 des 8 principales technologies disponibles : - - - - - Projection de matière : Inkjet, M3D (électronique organique) Projection de liant : impression couleur (3DP) Extrusion : dépose de fil fondu (FDM) Photopolymérisation dans une cuve : Stéréolithographie (SLA), Digital Light Processing (DLP) Fusion d’un lit de poudre – frittage : Laser Sintering (SLS), Mask Sintering / Frittage par flashage IR (SMS).

2. Les tendances de la fabrication additive

Plastipolis mène une étude brevets sur la f abrication additive et est d’ores et déjà en mesure de donner des premiers éléments. La tendance observée fait état d’une augmentation significative des dépôts depuis 3 ans. Les principaux déposants sont : 3D Systems, Ibiden Co Ltd, Materialise, 3M Innovative, Stratasys… et les brevets sont majoritairement déposés aux Etats-Unis et en Europe. Une cartographie des mots-clés a été nécessaire pour cette étude afin de hiérarchiser les concepts clés de la fabrication additive. Un exemple d’opportunité en lien avec le SLS concerne le brevet de Deckard Carl R. tombé dans le domaine public en février 2014 : « Apparatus for producing parts by selective sintering ». Cette technologie polyvalente permet de transformer le plastique, le métal et la céramique. Par conséqu ent, on pourrait observer une baisse de l’utilisation des machines de production et une baisse de la concurrence. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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3. Les outils de développement régionaux

Différents acteurs ont présenté leur implication dans des activités de fabrication additive :

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La plateforme technologiques ID Pro

ID Pro travaille au développement rapide de produit dans le domaine de la mécatronique. Cette plateforme technologique propose une offre de transfert de technologie et de formation autour du développement rapide de produits pluri-technologiques, notamment à partir d’impression 3D. Elle possède des moyens matériels (enlèvement de matière, transformation, déformation, métrologie, ajout de matière…) qui lui permettent de mener à bien des projets allant de l’étude design à la conception/réalisation ou l’outillage rapide en passant par la validation fonctionnelle de pièces ou de choix des procédés. 

La Matériautech d’Allizé-Plasturgie

La fabrication additive est présentée par Gilles Gautier comme un axe prioritaire de la plasturgie. La Matériautech propose trois supports de développement pour soutenir cette technologie : de la formation, des prestations (expertise et fabrication), et un axe innovation basé sur le travail des matières, des process et de la caractérisation. La Matériautech a fait l’acquisition d’une imprimante de bureau 3D multifonction – éQuipement Objet 30, en capacité d’utiliser 5 matières. Gilles Gautier souligne la problématique du travail de maintenance très important sur cet outil et de la quantité de mat ière perdue dans le circuit, de l’ordre de 25 %, sachant que le litre de matière coûte 650 euros. Un programme de recherche est en cours sur la fabrication additive dans la vraie matière… 

Le Plasti-Campus du Lycée Arbez Carme

Plasti-Campus est un dispositif mis en place en juin 2013 et labellisé en septembre 2013. Les partenaires (Plastipolis, PEP, Insa Lyon, Région Rhône-Alpes, Académie de Lyon, CIRFAP, Allizé-Plasturgie, Plastics Vallée, Fédération de la Plasturgie, la communauté de communes d’Oyonnax) proposent de coordonner la recherche, la formation et le monde économique, et donc de mettre en adéquation des formations avec les besoins industriels sur un territoire élargi. Un fablab est en cours de construction. Ce dispositif travaille de l’idée au produit : du marketing à l’industrialisation en passant par le prototypage. La fabrication additive est utilisée en phase de maquettage afin de réaliser une maquette de forme et d’aspect, et lors de la modélisation « fonctionnelle » lors de laquelle un prototype produit et outillage est élaboré pour obtenir un prototype fonctionnel. Michel Berçot explique que la fabrication additive doit être en complément d’autres technologies et non en remplacement, d’autant qu’il y a de forte problématique matière pour répondr e à certaines exigences (par exemple pour l’électronique). Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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Michel Berçot présente alors les différentes technologies en place au lycée Arbez Carme : - - - - - Collage de poudre : permet l’élaboration de pièces décorées de couleur et est surtout utilisé pour la partie marketing, en amont de la réalisation du produit ; Dépôt de fil : utilisé en tant que machine de développement et non de prototypage ; cette technologie pourra à terme travailler sur une plus grande famille de matériaux ; Photopolymérisation ou comment accélérer le projet par l’outillage ; l’accélération de Coulée sous vide : travail sur l’optimisation de cette machine pour s’approcher des vraies caractéristiques mécaniques du produit final ; Outillage rapide : il s’agit de phases préliminaires pour valider le vrai procédé et le vrai matériau. 

Le centre technique de la plasturgie et des composites : PEP

Guillaume Vansteenkiste a présenté les chiffres clés, les missions, les objectifs et les business unit du PEP. Le PEP a commencé à travailler en 2003 dans un projet d’outillage d’injection avec la réalisation de pièces métalliques par fabrication additive. Ce projet n’a pas été très concluant. C’est en 2005 que de meilleurs résultats ont été observés avec l’arrivée de laser plus puissant (fusion laser métallique).

Projets outillage (métal) :

- - - - - - - - - Antiope : Evaluation potentiel du conformal cooling en SLS et Stratoconception, Uffo : test SLS pour outillage de plasturgie, RC2 : FP7, SLM pour aéronautique, caractérisation du procédé, GPP Multimat : Multi-matériaux SLM avec Phenix System, OSOTO : refroidissement optimal des pièces plastiques, Fasther : Transfert de la technologie SLM vers les moulistes, Moditere : ANR, structure fractale/itérative, NewPIM : Outillage SLM pour MIM et système chaud-froid, Thèse CIFRE : simulation procédé SLM, soutenu en 2013 avec INSA Les projets en cours : - - Moulinnov : FUI, recherche de matériaux SLM plus performants, ProPIM : Application du SLM sur canaux chauds Les moyens disponibles et axes de travail : - - - Plateforme Platinno : EOS M270 (avec paramétrie ouverte), banc de contrôle insert fusion laser, machine Röders RXP 600 DSH, Méthodologie de conception : caractérisation de la tenue en fatigue, MoldTherm, Mcool, formation sur le Conformal Cooling, Simulation SLM macro : Code de Laurent Van Belle, mesure contraintes résiduelles. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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Projets polymère

- - - - - Fadiplast : FUI, aéronautique, SLS polymère haute température (projet terminé) Moditere : ANR, structure fractale/itérative (projet terminé) Addilight : H2020, SMS Sansa : Euripides, FDM(Stratasys), Prototype pour la Plastronique Dicopol : ANR (rejeté), simulation du procédé SLS niveau macro Les moyens disponibles et axes de travail : - - Logiciels d’optimisation : topologique (Optistruct) et paramétrique (modeFRONTIER) Moyen de contrôle par Rayon X CRS 

La société d’ingénierie LIFCO

LIFCO propose la modification des propriétés surfaciques des matériaux à partir de poudres du marché. Ces poudres composites fonctionnalisées, mises en œuvre par frittage/fabrication additive ou par projection thermique et électrostatiques, sont utilisées dans les matériaux composites et pour des applications de traitement de surface. Selon Constantin Iacob, la fabrication additive est un sujet simple et complexe en même temps : simple, car la technologie est au début d’un développement et les utilisateurs voient son intérêt, mais la problématique des matériaux complexifie son usage. Les machines sont souvent fournies avec les poudres et le client est tenu d’utiliser les consommables du constructeur. Le client ne doit pas toucher les paramètres le temps du contrat avec le fournisseur. Les machines permettent de réaliser des pièces complexes mais la plupart du temps en monomatériaux. LIFCO veut développer les poudres de demain avec des partenaires et aller vers du multimatériau. Différentes technologies sont utilisées pour modifier les propriétés surfaciques des poudres composites. La technologie à lit fluidisé permet la fonctionnalisation des poudres et l’homogénéisation de la composition à l’échelle du grain. LIFCO commence à intégrer des projets de fabrication additive/frittage notamment dans la fabrication de matériaux composites pour le frottement avec des poudres de fer, nitrurées, enrobées, frittées, polymères… ; et de céramiques techniques. Constantin Iacob précise que LIFCO évite d’utiliser le terme nanopoudre, et pose la question suivante : quelle taille dans les années à venir pourra garantir la sécurité ? LIFCO ne descend pas en dessous de 0,3 µ. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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4. Fabrication additive : une réalité industrielle ?

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Les avantages et limites de la fabrication additive : étude de cas

La société Poly-Shape, Additive Layer Manufacturing et Direct Manufacturing Expert, est membre du comité de normalisation européen sur la fabrication additive. Poly-Shape a un des parcs machines les plus développés d’Europe tant en nombre qu’en variété que ce soit pour de la fabrication de pièce polymère ou métallique. La société n’est pas liée aux fabricants de machines pour les poudres. Les projets présentés démontrent plusieurs avantages à cette technologie : l’allègement, la fonctionnalisation, le gain sur l’étape d’assemblage et le test de la pièce en grandeur réelle. Des projets collaboratifs sont en cours avec des chimistes et des compounders dans le but d’adapter les matériaux aux machines et à la pièce définitive. Une étude de cas a été présentée et illustrée. Le projet pour Thales Alenia Space porte sur une pièce pivot de panneaux solaires d’un satellite à optimiser pour un gain de masse. Les nouveaux objectifs d’un nouveau design à iso performance sont de remplacer un sous ensemble de 6 pièces par une seule pièce, réduire la masse totale du support (6 fois plus léger – de 52 kg à 18 kg – et 5 fois plus petit), intégrer une fonction à l’aide d’un design innovant. Le projet porte sur l’équipement de 81 satellites, avec 39 pièces par satellite, sur un délai de 3 ans.

Source : Poly-Shape S.A.S

Le matériau utilisé est qualifié par TAS (ExcelTec = PA 12 1550 XS Grey) sur une machine 3D systems Vanguard - Upgrade HS & IQ (capacité : 360 x 380 X 430 mm). Le cycle de production est limité à 24 heures afin de réduire les effets thermiques non maîtrisés des machines SLS actuelles. Cette problématique d’asservissement thermique fait l’objet d’un projet collaboratif avec le PEP. Malgré un matériau permettant des résultats très homogènes (- de 10 % d’écart sur les analyses des éprouvettes), le point bloquant reste la répétabilité. En effet, des nuances dans les résultats mécaniques obtenus d’un lot de production à l’autre à iso-paramètres ont été constatées. Le client a donc mis en place une recette individuelle, ce qui induit une augmentation du coût final de la pièce. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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Le procédé frittage de poudre a été identifié par TAS comme moyen de production de pièces série vol, principalement car il donne libre cours à une conception optimisée autour de la fonction de la pièce et non de sa faisabilité, ceci permet donc de réduire le nombre de sous ensemble, réduire les temps de production, la masse, donc au final le coût général d’un satellite ou de son développement. Cependant Poly-shape et TAS ont relevé des points bloquants à la production de pièces certifiées et spatialisées en série, principalement dû au manque de maturité de la technologie pour des applications industrielles avec les contraintes de suivi et de répétabilités demandées dans l’aéronautique ou le spatial. Ainsi les axes de développement doivent porter sur les matériaux, afin de répondre à la faisabilité de pièces à plus fortes contraintes mécaniques et thermiques, mais aussi sur les moyens de production, afin de rendre la technologie robuste. La technologie à fais ceau d’électron (Arcam) évite à avoir à positionner des supports par rapport à la fusion laser (les poudres métalliques sont près frittées, essai avec du TA6V). 

Optimisation du frittage de poudres polymères pour la fabrication additive

Le projet Calypso d e l’INSA Lyon (IMP, CETHIL, MATEIS) vise à la réalisation d’une étude approfondie du procédé de « frittage » de poudres polymères sous rayonnement laser ou flash infrarouge, en vue de le développer pour la fabrication directe. Les objectifs sont multiples pour les industriels : optimisation des procédés, évaluation de l’impact sur pièces finies, développement et évaluation de nouvelles poudres… comme pour les scientifiques qui cherchent à : - - comprendre les mécanismes du frittage à différentes échelles : taille/distribution, coalesence des particules de poudres ; porosité et microstructure de la pièce ; temps de relaxation, reptation et cristallisation à l’échelle macromoléculaire. comprendre les interactions entre paramètres du matériau, conditions de procédé, microstructures et propriétés finales des pièces. donner des préconisations pour le développement de nouveaux matériaux. - L’intérêt du frittage est la fusion d’une couche complète en même temps, cependant une des problématiques majeures est la fiabilité dans la génération du masque en continu. Le p aramètre essentiel du process est la densité d’énergie. Des liens ont été établis entre porosité et microstructure cristalline. Ces propriétés sont influencées par l’histoire thermique du matériau et de la pièce tout au long de la fabrication. La m esure de l’impact des cycles thermiques sur le matériau polymère a été réalisée sur les différentes couches et non pas sur la dernière couche déposée. A chaque flashage le matériau refond. Le but ultime de ce projet est de proposer des solutions industrielles mais le procédé n’est pas abouti. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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Les besoins de l’industrie du sport en termes de fabrication additive

Le cluster Sporaltec a réalisé une enquête de b esoin auprès d’entreprises rhonalpines. Premier constat, « on trouve de tout » en ce qui concerne les besoins de process en fabrication additive : certaines entreprises n’ont pas de capacité de CAO ; d’autres ont des besoins de prototypage : qui peuvent être sous-traitées, soit les entreprises cherchent à avoir accès de temps en temps à des machines, ou encore elles cherchent à investir et travaillent alors sur un business model ; d’autres encore envisagent de l’utiliser en production. Ce qui a souvent été entendu : « on y va parce qu’on sait que c’est l’avenir, mais on ne sait pas encore vraiment comment aborder le sujet. » Les entreprises sont en veille sur le sujet. Au niveau des machines, les besoins portent sur : de meilleures caractéristiques pour les pièces de grandes dimensions avec la possibilité de tester des fonctions et d’être plus proches de la réalité ; la gestion de l’assemblage de pièces par les sous-traitants ; des machines multi-matières ; des cadences intéressantes pour envisager de la production personnalisée ; des prototypes plus proches du résultat par procédé industriel. Au niveau des matières, les besoins portent sur : des matières souples / amortissantes une meilleure caractérisation des matières Les champs d’applications sollicités par les entreprises porteraient sur : la chaussure et la semelle, avec des besoins en personnalisation et la possibilité de développer des produits a mi-chemin ente sport et médical ; le vélo : avec de nombreux usages différents , l’élaboration de pièces mécaniques, et la possibilité de rendre le produit adaptable à la morphologie / ergonomie ; le vêtement la personnalisation d’un produit …

5. Les points forts et contraintes de la fabrication additive

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Soutien des décideurs au développement de la technologie

Un des points soulevé lors des échanges avec l’auditoire est le manque de soutien des décideurs français au développement de la fabrication additive. Pour exemple, en Angleterre, 15 millions de livres ont été investis dans les projets de fabrication additive sur la conception de machine, la qualification du procédé, la traçabilité… Les projets anglais sont bie n supportés par les politiques. En France, il n’y a pas d’engagement dans des projets européens. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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Au niveau des appels d’offres français, la fabrication additive n’est pas bien considérée contrairement aux USA. Les décideurs n’ont pas pris la dimension de la fabrication additive car elle est vue comme une technologie laser. 

La problématique « machine »

Une des problématiques de la technologie de fabrication additive est le manque de machines adaptées à la production. Les entreprises ne peuvent pas développer de la production en grande série car un site de production c’est plusieurs machines alors que la fabrication additive c’est une seule machine. Aucune entreprise ne fédère en France surtout sur la machine polymère. Sur le métal, il va être difficile de rattraper les leaders (Allemagne, Italie ou Angleterre), par contre une place est à prendre sur le polymère. En France, on observe un retard sur le frittage car les donneurs d’ordres ne donnent pas de qualification à cette technologie, par contre il existe des qualifications pour les prototypistes. L’intervenant déplore que l’industrie reste au stade du prototypage et non pas de la production. Une spécificité au domaine du médical est soulevée. Les fabricants proposent des machines de plus en plus grosse pour la production de pièces polymères mais elles ne s’intègrent pas dans un système lean. Il faudrait donc des machines pour de plus petites séries. En deuxième lieu, il y a un intérêt pour du sur mesure d’avoir des temps de cycles plus rapides avec des procédés de refroidissement inclus pour relancer la production sans attendre le refroidissement de la pièce et temps de nettoyage de la machine. 

La problématique « matière »

Dans le triptyque « logiciel – machine – matière », la matière a encore une bonne position en France. Les problèmes restent que les machines imposent des matières, et qu’il n’existe pas de machines de production pour certaines matières existantes. 

Le recyclage des poudres

La société PUS – Poudre Usinage Système travaille sur une technique de tamisage de poudres métalliques, et mène des essais sur des poudres polyamide avec la plateforme IdPro. Une des limites soulevées à cette technique de tamisage est qu’une même granulométrie sur toutes les particules de poudres risque d’altérer les caractéristiques attendues sur la pièce finale car les espaces entre les particules seront trop importants lors de la production. Selon une thèse de l’Insa, les poudres reconditionnées peuvent dégrader la qualité structurelle des pièces. La problématique de coulabilité des poudres usagées (non rafraîchies) et tamisées est à l’étude. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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IL FAUT RETENIR

Les entreprises sont en veille sur le sujet de la fabrication additive, et la tendance est à une augmentation significative des projets de recherche et de développement sur cette technologie. Cependant, le manque de maturité de la technologie pour certaines applications industrielles, l ’absence de soutien des décideurs et la problématique des matériaux (le client est tenu d’utiliser les consommables du fabricant de machine) pourraient freiner sa diffusion. Les verrous technologiques liés aux matériaux ou à l ’équipement (conception en vraie matière, machine multi-matières, …) sont également des opportunités à saisir pour développer des solutions et se positionner sur ce marché porteur. La valeur ajoutée de la fabrication additive réside dans la technicité de la pièce (optimisation du design, allègement, fonctionnalisation …) plus que dans la production rapide de pièces (grandes séries). Les technologies les plus regardées sont le SLS et le SLM. Carine Duwat // 05/06/2014 Fabrication additive Page

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Billet d’étonnement Fabrication additive et opportunités pour la plasturgie

Réalisé par Carine Duwat Le 05/06/2014

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