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La fabrication additive pour l’industrie 4.0
Alain BERNARDProfesseur des Universités à l’Ecole Centrale de Nantes
Chercheur au LS2N UMR CNRS 6004
Vice-Président, Association Française de Prototypage Rapide et de fabrication additive
120/09/2017 Prof. Alain BERNARD
AFPR : Association Française
du Prototypage Rapide
et de la fabrication additive
Créée en 1992
Objectifs de l’AFPR :
• Rassembler les partenaires de la Fabrication Additive
• Répondre à des besoins multisectoriels
• Favoriser la formation et le transfert de technologie
• Rassembler, capitaliser puis diffuser l’information la plus objective et la plus complète
• Soutenir les projets innovants
• Construire un lien d’échange didactique et technique
• Se positionner dans un cadre européen et mondial
220/09/2017 Prof. Alain BERNARD
Georges TaillandierPresident [email protected]
Prof. Alain [email protected]
Philippe [email protected]
www.afpr.asso.fr
3Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source : https://iot-analytics.com/industrial-internet-disrupt-smart-factory/
Principe de la fabrication additiveMETHODE DE CONSTRUCTION COUCHE PAR COUCHE
Points communs à toutes les technologies
� Un modèle numérique de l’objet doit être créé.
� A partir du modèle numérique, un fichier STL est généré et est coupé en différentes couches.
� Sur la base de ces couches, la pièce physiques est construite couche par couche.
4Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source: http://blog.cafefoundation.org/additive-manufacturing-for-electric-motors/
7 familles de procédés
20/09/2017 5
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD
6 familles de
matériaux
20/09/2017 6
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD
7 familles de procédés
7
Source : Machine manufacturers
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
De nouvelles machines à venir
8
Source : Machine manufacturers
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
DMAMS
De nouvelles machines à venir
9Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source: Benoit FURET, Université de Nantes
BATIPRINT3DTM
A new 3D printing method for buildingCombination of foam and concrete 3D printing.
Plus que des technologies : une chaîne de valeur complète
10Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Post-treatments
Material qualification
Geometry and material design
Manufacturing
Manufacturing preparation
20/09/2017 11Prof. Alain BERNARD
Un processus complexe
Source : groupe adhoc sur les standards numériques. Publication du NIST
Une vision systémique
12Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source: Master thesis, Laura Martinez, IS3P team, LS2N, Centrale Nantes
1. Generate CAD model1.1 Scan Part
1.1.1 Digitalize Physical Part1.1.2 Process Points Cloud1.1.3 Develop Geometric Model
1.2 Obtain CAD File1.3 Optimize Topology
1.3.1 Generate Optimal Topology1.3.2 Optimize 3D Model
1.4 Analyze Model
2. Generate Tessellated Model2.1 Tessellate Model
2.2 Repair/Modify Tessellated Model
3. Generate Build Model3. 1 Plan process - Geometry information
3.1.2 Choose orientation3.1.3 Generate supports
3.2 Plan process - Process information3.2.1 Set Build Orientation
3.2.1.1 Place Part3.2.1.2 Generate Slices3.2.1.3 Path Planning
3.2.1.3.1 Determine Paths3.2.1.3.2 Compute Paths3.2.1.3.3 Determine Path
Parameters3.2.2 Set Process Parameters
3.2.2.1 Set Quality Parameters3.2.2.2 Set Control Parameters3.2.2.3 Set Powder Parameters
3.3 Process simulation
5. Manufacture Part5.1 Preheat Build Plate5.2 Build Part
5.2.1 Create Powder Layer
5.2.2 Fuse Powders5.2.2.1 Melt Powders5.2.2.2 Solidify
5.2.3 Lower Build Plate
7. Post-process Part7.1 Remove Supports
7.2 Enhance Properties7.2.1 HIP Treatment7.2.3 Annealing
7.3 Enhance Accuracy7.3.1 Machining
7.3.2 Chemical Polishing
7.4 Improve Surface Texture7.4.1 Shot Peening7.4.2 Milling7.4.3 Grinding7.4.4 Sanding,7.4.5 Polishing7.4.6 Abrasive blasting
8. Ensure Quality8.1 Test Mechanical Properties8.2 Perform a Non-destructive Evaluation
4. Preparation of the Machine4.1 Review Job File
4.2 Start Machine4.2.1Configure AM Machine4.2.2 Set AM Machine Parameters
4.3 Submit Job
6. Obtain Manufactured Part6.1 Extract Surplus Powder6.2 Treat Surplus Powder
6.2.1 Recycle Powder6.2.2 Remove Non Profit Powder
6.3 Remove Part from the Build Plate
9. Create Digital Twin
10. Machine Maintenance10.1 Corrective Maintenance
10.1.1Powder Supply10.1.2Reparation
10.2 Preventive Maintenance10.2.1 Check Recoating Blade
10.3 Predictive Maintenance
11. Clean AM Machine 12. Supply Powders to the Machine
13. Ensure Safety
Une vision systémique
13Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source: Master thesis, Laura Martinez, IS3P team, LS2N, Centrale Nantes
1. Generate CAD model1.1 Scan Part
1.1.1 Digitalize Physical Part1.1.2 Process Points Cloud1.1.3 Develop Geometric Model
1.2 Obtain CAD File1.3 Optimize Topology
1.3.1 Generate Optimal Topology1.3.2 Optimize 3D Model
1.4 Analyze Model
Generate CAD model
Une vision systémique
14Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source: Master thesis, Laura Martinez, IS3P team, LS2N, Centrale Nantes
Le potentiel des technologies exploité
pleinement grâce à une nouvelle manière de concevoir matériau et
géométrie en même temps
20/09/2017 15Prof. Alain BERNARD
Créer de nouveaux produits…
16Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Créer de nouveaux produits…
17Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Pas seulement des pièces, aussi des outillages…
18Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Inserts in moldsSource: PEP
Injection molding toolings - PS Application PMPR&D contract PSA / CIRTES
(Aluminium)
Blowing toolsSource: CIRTES
Inserts in moldsSource: Realizer
20/09/2017 19Prof. Alain BERNARD
Une évolution complète de la conception
… qui permettent de nouvelles façons de concevoir
Nouveaux matériaux
Gradient fonctionnel de matériaux
Antenne imprimée en 3D avec son circuit électronique
Nouvelles formes et topologies
Boucle en titane
Nouvelles structures d’assemblage
Injecteur
Source : Daniel Pyzak, AEFA 2016
20/09/2017 20Prof. Alain BERNARD
Une vision fonctionnelle
Source : Renishaw
21
La juste matière au juste endroit
20/09/2017
Optimisation topologique
Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole Polytechnique, AEPR 2015
Prof. Alain BERNARD
22
La juste matière au juste endroit
20/09/2017 Prof. Alain BERNARD
Optimisation géométrique
Source : ISO/TC/SCN 243 - Additive manufacturing — Technical Design Guideline for Powder Bed Fusion — Part 1: Laser-based
Powder Bed Fusion of Metals
Supports required
thickness
length
Initial shape, after topological
optimization
New shape for LBM process
Thin wall
Fillet radius
23
Complexité sans surcoût
20/09/2017 Prof. Alain BERNARD
� Toute géométrie est
envisageable au regard
des possibilités des
procédés.
� Des règles de
conceptions couplées
aux outils de simulation
ouvrent des possibilités
nouvelles.
� Applications principales :
allègement des pièces
implants spécifiques à
un patient particulier
pièces adaptées au
chargement
Source : S. Galjaard, S. Hofman, S. Ren, Arup, Amsterdam, The Netherlands © Springer International Publishing Switzerland 2015 P.
Block et al. (eds.), Advances in Architectural Geometry 2014, pp 79-93
24
Concevoir matériau et structure
20/09/2017
Structures lattices
Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne
Prof. Alain BERNARD
25
Concevoir matériau et structure
20/09/2017
Structures lattices
Source : Fabrication Additive, Barlier et Bernard, Editions DUNOD
Prof. Alain BERNARD
En couleur et en mixant les matériaux…
Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016
26Prof. Alain BERNARD20/09/2017
27
Avec une vision organique et esthétique
20/09/2017
Source : Julien Bernard, Volum-e
Prof. Alain BERNARD
Source : exposition imprimer le Monde, Centre Pompidou, mars 2017
Le potentiel des technologies exploité pleinement grâce à
une nouvelle manière de concevoir les gammes de
fabrication
20/09/2017 28Prof. Alain BERNARD
29
Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Ajout de fonctions sur des pièces
Ajout de fonction
30
Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)
Fabrication hybride
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Combiner les procédés et notion de gamme
Intégrer les machines dans une chaîne technologique complète
incluant des techniques de parachèvement
20/09/2017 31Prof. Alain BERNARD
68 heures de fabrication en Aluminium
614 Mo de supports
438g (diminution de 20%)
Fabrication Micro Fusion Laser (SLM)Surfaces ré usinées
20/09/2017 32
Finition après FA
Source : MBProto – Volum-e
Prof. Alain BERNARD
Ne pas négliger post-traitements et finition…
Usinage ou micro-usinage
Cela dépend directement du procédé et du matériau… mais aussi du savoir faire
(supports, orientation, etc…)
33Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Traitements thermiques
Compression isostatique à chaud (HIP)
Polissage
Coating
Etc…Finition
Assurer la continuité numérique et la traçabilité totale le long de
la chaîne de valeur
20/09/2017 34Prof. Alain BERNARD
35
Transférer des données
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source : Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod
36
Transférer des données
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Source : Exploring model-based engineering concepts for additive manufacturing, Robert R. Lipman, Jeremy S. McFarlane
A
M
F
S
T
L
3
M
F
S
T
E
P
S
T
E
P-
N
C
Maîtriser la qualité le long de la chaîne de valeur
20/09/2017 37Prof. Alain BERNARD
Contrôle de la qualité de la matière première
38
Source : Romain Vert, Tekna, AEFA 2015
Prof. Alain BERNARD20/09/2017
20/09/2017 39Prof. Alain BERNARD
Mesure in situ
Source: André Surel, EOS, AEFA 2015
20/09/2017 40Prof. Alain BERNARD
Mesures post-process
� Tomographie par rayons X
� Différents matériaux incluant le métal
� Images de l’intérieur de formes lattices
et/ou complexes
XT H 450 BladeRunner
Nikon 750kV microfocus X-ray source
Source : Multistation, séminaire formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris
Mais ce n’est que le début de l’histoire, avec de
grands enjeux à venir pour une réelle intégration
industrielle de la fabrication additive !
20/09/2017 41Prof. Alain BERNARD
20/09/2017 42Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 43Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Mieux adresser la complexité des
phénomènes et des processus
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 44Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 45Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : simulation et modélisation
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 46Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : matériau
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 47Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : répétabilité
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 48Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principaux challenges : contrôle des processus
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 49Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 50Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche
Source : Development of an integrated KBE CAPP system for qualified AM, Y. Zhang, A. Bernard et al., AEFA 2017
Experimental Multi-axis carbon printing AM setup & mechanism and printed 3D thin wall part.
20/09/2017 51Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche
Source : Development of an integrated KBE CAPP system for qualified AM, Y. Zhang, A. Bernard et al., AEFA 2017
3-axis flat layer planning Multi-axis non-flat layer planning Multi-process non-flat layer planning
Identified key features for shape accuracy problem analysis: (a) thin walls; (b) long shaft
(a) (b)To be investigated: identifying key areas on free form CAD models for manufacturability analysis
20/09/2017 52Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche
Source : Synergistic integration of Hybrid processes and multiple technologies, K.P. karunakaran, A. Bernard et al., SFF Austin, 2017
20/09/2017 53Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche
Planification systématique à base de connaissance en FA (Zhang et Bernard, 2014)
01
0
0
0
( ) /
1(1 ) 1 0 0 % (1 )
1+ +=
1 + + + -n
i i i iiP P
p k
k p k
p k p k
s sC V
s se s sω χµµ µε µ
=
∗
−= + − × + −
∑
� Multi-criteria Decision
Making Model
� CAPP Based design &
design evaluation
� Part
Clustering
� Prediction modeling
(data mining)
� Curved slicing & multi-
axis tool-path generation
� Group
Orientation
� Projection
based Nesting
KBE CAPP Proposition
�Systematic CAPP Framework
Source : Development of an integrated KBE CAPP system for qualified AM, Y. Zhang, A. Bernard et al., AEFA 2017
20/09/2017 54Prof. Alain BERNARD
Prochaine étape pour la FA�Principales pistes de recherche
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
55Prof. Alain BERNARD20/09/2017
Vers des unités de production intégrées
Source: http://www.conceptlaserinc.com/am-factory-of-tomorrow-2/
56Prof. Alain BERNARD20/09/2017
L’usine du futur intègrera la fabrication additive.
Source: l’Usine FA 4.0 – ACTENIUM - https://www.actemium.fr/smart-industry/smart-process/alafu-le-futur-de-latelier-industriel/
20/09/2017 57Prof. Alain BERNARD
Conclusions
Source : Laser based Additive Manufacturing in industry and academia, M. Schmidt at al., Cross-STC Kn, CIRP Annals, 66/2/561-583
20/09/2017 58Prof. Alain BERNARD
Conclusions
Source : Synergistic integration of Hybrid processes and multiple technologies, K.P. karunakaran, A. Bernard et al., SFF Austin, 2017
Conclusions
La fabrication additive n’est qu’à un stade intermédiaire de développement.
La fabrication additive doit encore être inventée et modélisée afin de donner aux technologues les mêmes possibilités que pour les autres familles de technologies de fabrication.
La prochaine étape sera systémique.
20/09/2017 59Prof. Alain BERNARD
6020/09/2017 Prof. Alain BERNARD
Ouvrage collectif sur la Fabrication Additive
Plus de 35 contributeurs !
Coordination
Claude BARLIER Alain BERNARD
61Prof. Alain BERNARD20/09/2017
ASSISES
EUROPEENNES DE LA
FABRICATION ADDITIVE
27-29 Juin 2017
CentraleSupélec
www.afpr.asso.fr
www.afpr.asso.fr