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Impression 3D Métal Binder Jetting(MBJ) : quel intérêt pour l’industrie de la mécanique?
Benoit VERQUIN : [email protected]
Paul CALVES : [email protected]
Maxime FAYOLLE : [email protected]
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Fabrication additive métallique : pour qui?
CONSTAT PRINIPAL
La technologie FUSION LASER (LBM), la plus
répandue/connue, est peu adaptée à la réalité
industrielle de nombreuses entreprises :
- Trop cher (et peu productif)
- Trop de surcoûts liés aux supports de fabrication
- Difficulté à mettre en œuvre les aciers de
mécaniciens (alliés)
2013 – 2015 : Réalisation par le CETIM d’études pour ses commissions professionnelles (Forge, Quincaillerie, Mécanique Industrielle, Pompe, Robinetterie… )
Objectifs = étudier les potentialités de la fabrication additive pour la production de composants
mécaniques pour différents secteurs d’activités industriel (études technico-économiques)
Recherche de solutions
additives alternatives pour :
- rendre la fabrication additive
« économiquement accessible »
- Faciliter l’émergence d’aciers « mécanicien »
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FDM
SLA
MBJ
Material
jetting
Material droplet
filled with nano powder
Fabrication additive indirecte(sans fusion)
Quel procédé FA métal?
Fabrication additive directe (avec fusion)
Projection/Dépôt(DED)
Lit de poudre(LBM/EBM)
Pour beaucoup d’applications • Trop cher (et peu productif)
• Trop de surcoûts liés aux
supports de fabrication
Domaine d’application : ébauches,
formes simples et applications
outillage. Non adapté aux petites
pièces complexes
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Quel procédé FA métal?
Fabrication additive directe (avec fusion)
Fabrication indirecte(Sans Fusion)
Metal Binder Jetting(MBJ)
Projection/Dépôt(DED)
Lit de poudre(LBM/EBM)
Pour beaucoup d’applications • Trop cher (et peu productif)
• Trop de surcoûts liés aux
supports de fabrication
Domaine d’application : ébauches,
formes simples et applications
outillage. Non adapté aux petites
pièces complexes
Nouvelle piste explorée par le CETIM pour la
petite pièce complexe en petite et moyenne série
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Principe du Metal Binder Jetting (MBJ)
Etape 1: Mise en forme par Binder Jetting Etape 2 : Consolidation par Frittage
Superposition de couches de poudres, agglomérées par un liant polymère. Le liant est déposé sélectivement par une tête d’impression
Après avoir brulé le liant (déliantage), le frittage de la pièce « verte » permet sa consolidation,
venant ainsi conférer à la pièce sa densité
finale et ses caractéristiques mécaniques.
Pièce « verte »Pièce « fri ttée »
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Le Metal Binder Jetting (MBJ) en Vidéo
Pas de supports de fabrication
Productivité
Matériaux : Ouverture aux matériaux peu ou pas soudables : aciers a lliés,
aciers outils,…
https://www.youtube.com/watch?v=h0YVh_TPBRY
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Cycle de fabrication Analogie avec le MIM (Metal Injection Molding)
MIM par outillage,
sur presse à injecterMatière 1ière : Mélange poudre + liant = feedstock
Matière 1ière : Poudre et
liant séparés
Pièce métallique dense et consolidée
Après frittage : Densité 97 à 99,5%
Après frittage + HIP : 98 à 100%
Retrait environ 20%
Mise en Forme Déliantage Frittage
Pièce verte
70%v Métal
30%v Liant
70%v Métal
30%v Porosité
Pièce brune
MBJPar superposition de couches de poudre
agglomérées par liant
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Matériaux
Maitrisés et disponibles :Acier Inoxydable 316LAcier Inoxydables 17-4PH
Maitrisés et disponibles :Acier Inoxydable 316LAcier Inoxydables 17-4PH
316L 17-4PH
Matériau maitrisé et disponible dans les semaines à venir:Titane TiAl6V4
Matériau maitrisé et disponible dans les semaines à venir:Titane TiAl6V4
German, Progress in Titanium
metal powder injection molding,
Materials, 2013, Vol 6
Digital Metal Metal Injection Molding
TA6V :
Métallurgie
similaire au
MIM
En cours de développement : Inconel 625 et CuivreEn cours de développement : Inconel 625 et Cuivre
Développement Cetim sur 2018 : Acier outil (H13 et/ou D2)Développement Cetim sur 2018 : Acier outil (H13 et/ou D2) R&D Cetim : WC-CoR&D Cetim : WC-Co
• A ce jour : offre matériau limitée.• A termes : tous les matériaux MIM
2018 : Mise en place au CETIM d’une activité orientée sur le développement matériau
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Propriétés mécaniques
Propriétés globalement similaires au MIM
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Rugosité
3µm < Ra < 12µm30µm< Rt < 100µm
Ra > 10µmRt > 100µmLié au matériau,aux paramètres defabrication et à
l’orientation de lasurface
Fusi
on
La
ser
Me
tal b
ind
er
jett
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Etats de surfaces significativement meilleurs
Bonne propreté de surface dans des zones non accessibles au polissage (canaux ou formes internes)
Etats de surfaces significativement meilleurs
Bonne propreté de surface dans des zones non accessibles au polissage (canaux ou formes internes)
Z
11Ne pas diffuser sans autorisation préalable du CETIM
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Fusion LaserMetal binder jettingEx
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Brut de frittage Frittage + HIP
Porosité
Environ 2-3% de
porosité résiduelle
(similaire au MIM
Matériau dense
(similaire au MIM)
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Besoin de supports de fabrication (= reprises d’usinage)
surfaces en
porte à faux :
Etats de surfaces
dégradés
quelque soit
l ’angle de la
surface :
Meilleur état de surface
Fusion Laser Metal Binder Jetting
Atouts du Metal Binder Jetting
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filets
Fusion Laser
Rugosité
des filets
importante
Filets
fonctionnel
Trous à reprendre
A reprendre Fonctionnel
Trous fonctionnels
Metal Binder Jetting
Atouts du Metal Binder Jetting
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TIM
Bilan technico-économique pour 1000 pièces
Temps de production : 1130hPrix de revient : env. 70 à 80€/pcs(brut de fusion avec supports = 55€/pcs)
Temps de production : 264h Prix de revient: 15 à 25 €/pcs (estimé)
(Pièce fine, sans supports)
FUSION LASER DIGITAL METAL
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TIM Principale limites actuelles : la taille des composants
Lever des verrous du Binder Jetting
Roue de pompe 750g(Procédé
ExOne)
Possible mais demande une étude de faisabilité selon le cas
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Pièces avec éléments mobiles
L’absence de support à l’impression donne au MBJ l’opportunité de construire des pièces constituées d’éléments mobiles
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Autres exemples « design »
Comme d’autres procédés additifs, le MBJ permet la réalisation : - de s tructures lattices (sans
contra intes de supportage)
- de toutes sortes de texturations de
surfaces 3D
Permet d’ajouter sans surcoût
s ignificatif une valeur a joutée
(personnalisation, fonctionnalisation
de surface, fonction esthétique…)
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Surfaces
externes
Tribo
“standard”
Tribo
“évoluée”
Electrochimique
ElectrolytiqueSablage Hybrides
Temps 15 - 30 h 2 - 4 h <30 min Qq minutes 2 - 3 h
Ra 2 µm 0.5 µm 1 µm 3 µm <2 µm
Rz 20 µm 5 µm 10 µm 25 µm 20 µm
Avantages
Coût (installation
Mise en œuvre).
Autonomie.
Temps cycle.
Rugosité obtenue.
Automatisation.
Pas/peu d’impact
géométrique.
Accessibilité
Brillance.
Coût installation.
Préparation de la
surface (médias).
Automatisation.
Peu d’impact
géométrique.
Accessibilité
Limitations
Impact faible sur
la rugosité.
Impact sur la
géométrie.
Temps cycle.
Impact sur la
géométrie.
Accessibilité
limitée
Fournisseurs limités .
Efficacité limitée si Ra >>
ondulation.
Automatisation.
Peu d’impact sur la
rugosité.
Peu dégrader les
surfaces.
Coût d’installation.
Fournisseurs limités
Efficacité limitée si
Ra hétérogène.
Ondulation.
Finitions de surfaces
Rainitial = 5 µm
Rzinitial = 40 µm
Ø2mm, 35mm avec
courbes
Canaux internes La pertinence d’un procédé de
finition dépend toujours :
- de la morphologie de la pièce
- de ses exigences géométriques (conservation arêtes vives)
- du niveau de détail des
surfaces à polir.
Finitions de surfaces : exemples
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Procédé Metal Binder Jetting (Digital Metal)
Fusion Laser (exemple EOS M290)
Volume Utile : 250x250x250Vitesse : env. 15 cm3/h (1 Laser)
Poss ibilité de multiplier
les sources laser (2 ou 4)
Mais augmentation
importante du coût
Potentiel de productivité très important • Multiplication des têtes
d’impression (coût faible /
Laser) couverture du lit de
poudre en 1 passe
• Augmentation du volume utile
(trava il à l ’air ambiant, donc
pas de contraintes d’inertage)
Productivité : ordre de grandeur
Volume Utile : 150x165x55Vitesse : env. 60 cm3/h (2 tête d’impression avec 150 buses/têtes)
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Compétitivité du process
• Souvent compétitif sur de
petits composants.
• Le potentiel de
productivité permet
d’envisager d’être
compétitif sur des plus
grandes dimensions
Perspectives de productivité pour 2020 : à minima x6 ?
surface utile Dépose du liant
360cm²(180*200mm)
Actuel : 2 têtes x 300 buses
Plusieurs passage pour
couvrir 1couche
1000cm²(ex : 320*320mm)
Attendu : Multiplication des têtes
pour couvrir le lit de poudre en 1
passage
x 3
actuelle
Attendu x 2
Exemple d’une
pièce d’environ
60g• Domaine horloger
• Buses de nettoyage pour le domaine du dentaire). Qualification selon norme ISO 10993 (cytotoxicité, contact de 24h avec du sang)
Quelques produits déjà fabriqués en série
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Positionnement technologique
AVANTAGES INCONVENIENTS
Supports de fabrication limités Productivité
Vitesses de fabrication élevées
Pièces « superposables »
Taille de pièce limitée (idem MIM) 0 à 400g (+ ou – selon morphologie)
Env. 100mm dans la plus grande direction
Maitrise du retrait lors du frittage
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9 industriels engagés sur 18 mois
Plateforme M-I3DCoût sur 3 ans = 1500 k€Sub région AuRA : 500k€
Constat : FA trop chère,
manque de productivité
Potentiel du « Binder Jetting »
Plateforme M-I3D (Impression 3D Métal)
• Aéronautique, Médical … Luxe, Industrie• Des petites entreprises aux grands
groupes, dont les 2 plus gros industriels
français de pièces fri ttées
Objectifs : Qualification du procédé + Montée en compétence de partenaires industriels
CETIM
Investi-
gations
techniques
Bus iness
plan
Enjeux : Passer la FA métal au stade de la production industrielle, Elargir les champs industriels de la FA métal
+ des développements individuels pour différents secteurs d’activités
Depuis Septembre 2018 (démarrage)
Plus de 2000h d’impression
Plus de 100 boxs et 10000 piècesfabriquées
Des développements propres à chaque
partenaire + un programme R&D partagé
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Plateformes partagées groupe CETIMpour faire le bon choix technologique
IDF: Plateforme AFH à Saclay AuRA: Plateforme FA à Cluses
Aéronautique et Défense
LBM – SLM 280 HL
Aluminium – Inox - Maraging
LBM : Médical
MI3D : Aéro, Luxe, mécanique
LBM – Trumpf
MI3D: MBJ – Digital Metal
Ti tane + CrCo + Inox
Aéronautique & Energie
LBM Addup + 3D Systems
DMD
Titane, Inconel, etc.
Feuille de route R&D
en cours de définition
Médical, Aéro,
outi llages, raccords…
MBJ
Inox + Ti tane
Plateformes partagées : outil de transfert unique
Marché
Technologie
Matériaux
Marché
Technologie
Matériaux
Marché
Technologie
Matériaux
Marché
Technologie
Matériaux
CVL: Plateforme FA à BourgesAuRA: Plateforme FA à Saint-Étienne