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Fabriquer par ajout de matière

Vignette du numéro 276 de Mai 2018

Article publié dans le numéro 276 de Mai 2018
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L’usinage et les nombreux procédés qui s’y rapportent sont depuis toujours intimement liés à l’histoire de l’industrie. Aujourd’hui, les technologies de fabrication additive, auxquelles s’ajoutent celles du traitement de surfaces, représentent des alternatives pour la réalisation de prototypes ou de petites séries, permettent d’envisager la création de pièces complexes, et se combinent aux méthodes traditionnelles dans des équipements hybrides…

 

 

 SOMMAIRE

- Croissance métallique

- Enchaînement de procédés

- Objets déposés

- Champs magnétiques intenses

- Polymères à façon

 

 

Aujourd’hui on est capable de fabriquer directement, à partir d’un simple modèle CAO, des maisons, des pièces métalliques et des organes humains par ajout de matière, des opérations effectuées sans outillage. Une révolution dans la façon de concevoir et d’exécuter, qui possède ses atouts et présente ses limites, qui ne saurait se substituer aux méthodes traditionnelles mais ouvre de nouvelles perspectives. Souvent réduite à l’appellation impression 3D qui n’est en réalité qu’un de ses procédés, la fabrication additive ne cesse de se développer depuis la fin des années 1980 au rythme de découvertes et de mises au point technologiques. L’impression 3D est le résultat d’un dépôt de matière par l’intermédiaire d’une buse de projection, quand d’autres méthodes ont recours à la fusion ou au frittage de poudre, au dépôt de fil fondu, à la polymérisation, au collage de films ou encore à la fonderie. Toutes ces méthodes ont pour point commun une fabrication par empilement de couches successives de matière, métal, plastique ou tissus biologiques.

Croissance métallique

Sur la plateforme de l’ex-LERMPS à Sevenans, désormais intégré à l’ICB de Dijon, les équipements et les compétences donnent la capacité de maîtriser tous les maillons de la chaîne du procédé de fusion laser sur lit de poudre métallique, depuis l’atomisation des poudres jusqu’à la réalisation d’un prototype industriel. Le principe ? Une pièce virtuelle est générée via un outil CAO. Cette maquette numérique est sectionnée en couches parallèles (slices) puis une stratégie de remplissage est appliquée selon un fichier matière, dans le but d’obtenir une pièce réelle aux cotes définies lors de la conception. Sur un plateau support, une fine couche de poudre est ensuite étalée puis fondue sélectivement grâce au passage d’un faisceau laser. Le plateau support descend alors de l’épaisseur d’une strate ; une nouvelle couche de poudre est étalée et le processus recommence jusqu’à l’obtention d’une ou plusieurs pièces définitives.

La tour d’atomisation dont dispose la plateforme préindustrielle permet de gérer des formules spécifiques, voire inédites, pour la création d’alliages adaptés aux besoins de la recherche fondamentale comme de la R&D. « Le projet AMANDE, actuellement mené au laboratoire, concerne le développement d’alliages légers pour la fabrication additive de pièces à haute valeur ajoutée », explique Lucas Dembinski, enseignant à l’UTBM et chercheur à l’ICB. Les possibilités apportées par la fabrication additive entrent peu à peu dans la culture industrielle, et les entrepreneurs sont aujourd’hui prêts à envisager la conception d’une manière spécifique à ces nouveaux procédés. La composition des poudres se diversifie et les alliages deviennent plus techniques. L’évolution des équipements continue à ouvrir de nouvelles voies, en même temps qu’elle pointe les limites de la technologie.

    

Réalisations par microfusion laser

Réalisations par microfusion laser sur lit de poudre

à l'ICB-LERMPS

Cela permet, entre autres avantages, de réaliser des pièces de plus en plus grandes. Depuis peu, des machines hybrides sont présentes sur le marché et combinent fabrication additive et usinage. Les gains techniques s’accompagnent de nouvelles difficultés, comme l’organisation de plusieurs faisceaux lasers, qui peuvent fonctionner simultanément pour gagner en temps de production et en dimension de réalisation. L’hybridation des techniques dans un même équipement suppose une étanchéité parfaite de la machine, dont l’atmosphère doit être garantie neutre pour éviter l’oxydation des pièces. Le stockage et la manipulation de poudres aux compositions plus élaborées, mais plus dangereuses, posent question en termes d’hygiène et de sécurité. Un autre défi posé par la fabrication additive de pièces métalliques reste la rugosité des surfaces, encore parfois trop élevée par rapport à l’application finale.

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Résonateurs micro-ondes monoblocs

La fabrication additive décline ses possibilités à tous les domaines, y compris à celui, extrêmement précis, des horloges atomiques. La réalisation de prototypes en métal et en polymère de résonateurs micro-ondes apporte la preuve de son intérêt et de sa faisabilité. Avec une stabilité de fréquence passant de douze à dix-huit chiffres après la virgule, les diverses variétés d’horloges atomiques de dernière génération sont sans conteste les instruments de mesure les plus précis qui soient. Leur exactitude garantit le maintien de l’heure officielle, la rapidité et la synchronisation des télécommunications, et, par satellites interposés, la précision des systèmes de géolocalisation. Ainsi une erreur d’un millième de seconde dans la mesure de la propagation des ondes entre des horloges embarquées dans l’espace et l’observateur sur Terre équivaut à une erreur de positionnement au sol de trois cents kilomètres !

Les horloges compactes à cellules de rubidium, le type d’horloges mises au point au laboratoire Temps-fréquence (LTF) de l’université de Neuchâtel, sont utilisées pour les systèmes de navigation Galiléo. Le cœur de l’horloge, le résonateur, est composé d’une cellule en verre dans laquelle sont piégés des atomes de rubidium, et d’une structure résonante qui entoure cette cellule : la cavité micro-ondes. Pour en améliorer les performances sans l’agrandir, des électrodes sont placées sur la face interne de la cavité : elles forcent les champs micro-ondes à aller dans la direction souhaitée et confinent les rayonnements. Réalisés dans les ateliers du LTF, la cavité et les électrodes exigent une grande précision pour leur fabrication comme pour leur assemblage. Pour s’affranchir de cette contrainte, les chercheurs se sont associés à la spin-off de l’EPFL SWISSto12 pour tenter de réaliser ces pièces en fabrication additive, en métal et en polymère. Les résultats sont probants. « Les propriétés de ces cavités sont tout à fait comparables à celles des cavités produites par usinage mécanique classique », souligne Christoph Affolderbach, chef du projet au LTF.

cavité polymère monolithique

Cavité polymère monolithique obtenue par stéréolithographie, incluant une boucle de couplage

La version métallique est obtenue par fusion de poudre par un laser, et la version polymère par solidification d’un liquide plastique (stéréolithographie), là aussi par laser. La rugosité des surfaces, typique de la fabrication additive, de quelques dizaines de micromètres, n’est pas un problème pour l’application visée ; le modèle en polymère est plus léger mais nécessite, pour être conducteur, un revêtement de cuivre, lui-même protégé de l’oxydation par une microcouche d’argent. La fabrication additive a aussi permis d’intégrer à la réalisation monobloc en polymère, une boucle de quelques dixièmes de millimètre, par laquelle les micro-ondes sont couplées dans la cavité.

Que le modèle soit réalisé en métal ou en polymère, la fabrication additive a bien répondu aux exigences : la résonance de la cavité micro-ondes est au diapason de la fréquence intrinsèque de l’atome de rubidium, soit 6,835 GHz, et bien reproductible d’un résonateur à l’autre. « L’expérience confirme que ces technologies sont bien adaptées pour la réalisation de résonateurs, tout comme pour celle des antennes et des guides d’ondes que SWISSto12 savait déjà maîtriser », remarque Christoph Affolderbach.

Cette recherche a fait l’objet d’une publication en mars dernier dans la revue Applied Physics Letters et d’un focus dans sa sélection Editor’s pick : https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5019444

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Enchaînements de procédés

chaîne de traitement de surfaces

Chaîne de traitement de surfaces

carrure de montre électropolie

Carrure de montre en acier inoxydable 316L

après électropolissage

Jouer sur la composition des poudres peut aider à obtenir un meilleur état de surface. « Cependant une opération de finition est dans tous les cas nécessaire, elle est plus ou moins exigeante selon la destination de la pièce fabriquée ; les procédés habituellement utilisés nécessitent toujours des ajustements, car une pièce obtenue par fabrication additive ne réagit pas tout à fait de la même manière qu’une pièce usinée », précise Lucas Dembinski. Les polissages chimique et électrochimique, les revêtements par voie humide, spécialités de l’Institut UTINAM, et les revêtements par projection thermique, réalisés à l’ICB-LERMPS, figurent parmi les techniques les plus usuelles pour lisser les surfaces. L’Institut UTINAM est impliqué dans un projet de recherche avec l’IRT M2P (Matériaux métallurgie et procédés) et de nombreuses entreprises, notamment du secteur aéronautique, avec pour but le post-traitement de pièces de fabrication additive.

Le chercheur Francis Touyeras, par ailleurs enseignant en chimie à l’IUT de Besançon-Vesoul, explique qu’ « il n’existe pas de solution universelle, tout dépend de la nature des matériaux et du résultat souhaité. Dans ce projet, nous travaillons entre autres sur un alliage de nickel et de chrome Inconel, et sur du titane. Nous comparons différentes techniques permettant de diminuer la rugosité de surface, telles que l’électropolissage et le polissage chimique. » Lors de l’électropolissage, la pièce est reliée au pôle positif (anode) d’un générateur et plongée dans un électrolyte acide. Sous l’effet du courant, la surface de la pièce est dissoute, conduisant à une finition lisse et brillante. Le polissage chimique permet d’obtenir une finition similaire, sans utiliser de courant électrique, par le biais de réactions d’oxydoréduction de la surface du matériau. Le principal attrait de ce procédé est le parachèvement de pièces complexes, comportant des corps creux perturbant le champ électrique.

Dans la thèse qu’elle vient de soutenir dans le cadre du projet MOMEQA, pour l’innovation dans l’industrie horlogère en Franche-Comté, Chloé Rotty a validé des scénarios d’optimisation de l’électropolissage sur les laitons et sur l’acier inoxydable 316L, pour l’obtention de surfaces brillantes. « Un autre aspect de la recherche a consisté à comparer le comportement d’un acier obtenu par fonderie et par fabrication additive, afin de mettre en évidence l’influence du procédé de fabrication sur l’aptitude du matériau à l’électropolissage. » Il s’agit d’adapter la nature des bains électrolytiques, la tension du courant électrique, de travailler sur l’agitation du bain notamment par ultrasons…, pour contrôler l’érosion et obtenir la meilleure qualité de surface possible. « Les recherches sur l’électropolissage, inventé dans les années 1930, sont aujourd’hui remises au goût du jour pour les besoins de la fabrication additive », souligne la jeune chercheure.

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Objets déposés

Réalisations par microfusion laser

Pièce réalisée par microfusion laser sur lit de poudre à l'ICB-LERMPS

Différentes méthodes sont utilisées pour déposer un revêtement sur des objets, par voie humide ou voie sèche. Certaines d’entre elles dépassent le cadre du traitement de surface pour investir le domaine de la fabrication additive. Dans un projet récurrent mené avec ArianeGroup depuis le début des années 1990, un procédé de projection thermique VPS (Vacuum Plasma Spraying) a permis de réaliser des pièces multicouche à base de cuivre, intégrant des canaux de refroidissement, pour la fabrication d’un prototype de chambre de combustion de moteur de fusée HM-7 (Ariane 5). La maquette, produite à l’échelle 1 en 2005, est toujours utilisée à titre de référence. Plus récentes, et toujours réalisées par VPS, deux nouvelles chambres de combustion ont été testées avec succès sur banc d’essai en Allemagne en 2016, dans le cadre du projet BOREAS, du nom de la plateforme de démonstration technologique financée par le CNES. « Recourir à ce procédé de fabrication, alliant robustesse des pièces et coût avantageux pourrait répondre au double souhait de récupérer les chambres de combustion et de réduire le coût du lanceur, explique Christophe Verdy, ingénieur de recherche expert en projection thermique, et responsable de ce projet à l’ICB-LERMPS. Pour répondre à l’objectif, réduire d’un facteur 10 le coût de ces chambres de combustion, la piste de la projection à froid va elle aussi être suivie.

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Champs magnétiques intenses

La notion de froid du procédé Cold Spray peut sembler relative puisque la température affichée dans la torche de projection peut atteindre 650°C. Mais pour comparaison, la projection thermique annonce, elle, des températures de l’ordre de 10 à 15 000°C… Dans la projection à froid, les particules propulsées par un gaz à très grande vitesse, restées solides, vont se coller sur un substrat et se déforment lors de l’impact. « Le procédé permet de conserver intactes les propriétés électriques et thermiques du cuivre, même si on améliore ses propriétés mécaniques », précise Christophe Verdy. Un projet développé avec le LNCMI (Laboratoire national des champs magnétiques intenses) de Grenoble concerne la fabrication d’aimants polyhélice en alliage de cuivre. Quatorze hélices élaborées par le procédé Cold Spray composent le système aimant. De forme cylindrique, elles s’ajustent les unes dans les autres à la manière de boîtes gigognes. Chacune crée un champ magnétique qui s’additionne aux autres au centre de cette construction. Là encore, la chaîne de fabrication est maîtrisée dans son intégralité, de l’atomisation des poudres métalliques à leur projection par hélium dans une enceinte sous atmosphère contrôlée, réalisée par Christophe Verdy. Les différentes hélices représentent une masse de 400 kg d’alliage cuivre, nécessitant quelque 650 kg de matière au départ de la projection ; le diamètre global du système est de 400 mm, pour une hauteur équivalente. « Le champ magnétique continu obtenu atteint un record de 37 teslas dans une cavité de 35 mm de diamètre ; le système fabriqué par Cold Spray présente une conductivité électrique équivalente à celle du matériau forgé, et se montre supérieur en termes de limite élastique », raconte l’ingénieur. La création de champs magnétiques intenses est utile à des applications spatiales, pour protéger des composants soumis aux rayonnements solaires dès lors qu’ils ne sont plus sous influence de l’atmosphère terrestre.

procédé cold spray

La température de la torche de projection du procédé Cold Spray peut atteindre 650°C

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La bonne formule pour des dents nickel

vue en coupe d'un revêtement d'oxynitrure de tantale

Vue en coupe d'un revêtement d'oxynitrure de tantale

Aujourd’hui réalisés à base d’alliages de titane, les implants dentaires font l’objet de recherches pour de nouvelles compositions. Le programme Interreg OXYTAN, signé en juillet 2017 pour deux ans, prévoit de mettre au point et de tester des revêtements biocompatibles et limitant la diffusion d’ions potentiellement toxiques depuis les substrats qu’ils recouvrent. La Haute Ecole Arc et l’UTBM sont chacune engagée dans ce projet aux côtés d’une entreprise. Positive Coating pour la Suisse, Dephis pour la France, dans une saine compétition mettant en jeu deux matériaux, le tantale et le niobium, sous l’arbitrage des spécialistes en biologie de l’université de Genève. « Ces deux éléments métalliques sont très proches chimiquement, mais le tantale est plus coûteux que le niobium, raconte Oksana Banakh, responsable du groupe Ingénierie de surfaces à la Haute Ecole Arc, responsable du projet côté Suisse. Il est intéressant de tester et de comparer les performances des deux. » L’état de surface du dépôt ne doit être ni trop lisse, ni trop rugueux, pour favoriser au maximum la prolifération des cellules ostéoblastes, provenant de l’os de la mâchoire, à la surface de l’implant, et assurer ainsi sa fixation. Le dépôt doit par ailleurs être stable dans le temps. La recherche s’oriente donc dans deux directions : la composition du revêtement et le procédé de fabrication du dépôt. Oxygène, azote, mêlé pour l’un à du tantale, pour l’autre à du niobium, les oxynitrures obtenus font l’objet de compositions différentes avant d’être soit appliqués en monocouche, soit superposés selon des périodes de 10 à 30 nm, pour un total d’une vingtaine de couches. Les procédés utilisés sont le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et l’un de ses dérivés, la technologie HIPIMS, ou pulvérisation par impulsions de forte puissance. « OXYTAN sert aussi de banc d’essai pour cette technologie récente, souligne Alain Billard, responsable du projet pour l’UTBM. Il s’agit ici de projeter des ions et non des atomes, ce qui facilite la gestion de l’énergie et par conséquent la densité du revêtement à réaliser. » Joël Matthey, adjoint scientifique à la Haute Ecole Arc, précise la puissance de ce procédé. « L’intensité électrique produite par le générateur HIPIMS peut atteindre 1 kW/cm2, quand celle de la PVD classique s’élève à quelques dizaines de W/cm2 ! » Pour l’instant l’avancée des recherches ne permet pas encore de savoir si le procédé HIPIMS est adapté ou non à cette application dans le domaine de la biologie. Il est également prématuré de pouvoir déterminer dans quelle proportion l’optimisation de l’état de surface et celle de la composition chimique entreront en jeu pour la réalisation du revêtement biocompatible. Ce projet à vocation industrielle devrait rendre ses conclusions en fin d’année.

 

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Polymères à façon


L’aéronautique, l’énergie, le biomédical, l’outillage, l’art… tous ces secteurs sont intéressés par les possibilités offertes par la fabrication additive, dont les polymères sont la deuxième grande famille de matériaux de prédilection. Au département Mécanique appliquée de l’Institut FEMTO-ST, les installations techniques permettent de travailler à partir de nombreux procédés pour les besoins de la recherche, notamment en lien avec les entreprises. La technologie de dépôt de fil est à l’origine de la mise au point de polymères à mémoire de forme et de matériaux intelligents. Le comportement du matériau, par exemple ses capacités d’absorption vibratoire, fait l’objet de caractérisation pour ajuster la trajectoire des fils polymères et ainsi optimiser la structuration du matériau selon le but recherché. Ce procédé, d’un coût avantageux, est relayé par la photopolymérisation lorsqu’il s’agit d’obtenir une « bonne matière », une résistance mécanique optimale du matériau. Basée sur le principe de la stéréolithographie, elle concerne des résines sensibles aux ultraviolets. Sous l’action de la lumière, la matière se solidifie selon des contours imposés par une image projetée à sa surface, couche par couche, jusqu’à l’obtention de la forme désirée. « Cette technique et le matériel dont nous disposons nous permettent d’atteindre jusqu’à une résolution de 26 µm dans le plan, pour des pièces de 30 cm de haut : chacun des pixels disposés côte à côte a une dimension dix fois inférieure à celle d’un cheveu », explique Sébastien Thibaud, spécialiste de microfabrication mécanique et enseignant à l’université de Franche-Comté. « L’homogénéité de la matière et la possibilité d’utiliser toutes les résines du marché sont des grands atouts de ce procédé, qui permet la réalisation d’un très grand nombre de composants aux propriétés très diverses », ajoute Romain Jamault, également spécialiste de microfabrication, et enseignant à l’ENSMM.

détermination du volume des vides dans une figurine obtenue par injection plastique

Détermination du volume des vides dans une figurine obtenue par injection plastique

Une technique différente, mais partant du même principe de stéréolithographie, donne les moyens de structurer des polymères en 3D jusqu’à l’échelle submicronique : il s’agit de la lithographie par faisceaux de photons croisés, ou absorption non linéaire à deux photons. « À l’endroit où se croisent ces faisceaux, fournis par un laser femtoseconde en lumière infrarouge proche, l’intensité lumineuse polymérise de la résine liquide déposée sur une plateforme, qui se déplace selon trois axes pour dessiner la pièce à fabriquer », explique Laurent Robert, responsable photolithographie à la centrale technologique MIMENTO, dont la salle blanche devrait cette année être équipée d’une nouvelle machine utilisant ce procédé, dédiée à la structuration 3D de polymères. La haute résolution du faisceau permet de définir une pièce tridimensionnelle, point par point, par des volumes élémentaires, appelés « voxels » submicroniques. Des objets de quelques micromètres cube sont ainsi réalisables. Mais cette petitesse peut être une limite à la taille maximale de l’objet réalisable : en général les temps d’écriture limitent la taille au millimètre. C’est une technologie de microprototypage rapide à l’échelle du micromètre.

Polymères, métaux, matériaux composites sont très nombreux à se plier aux techniques de fabrication additive, tout aussi nombreuses et proposant un éventail de possibilités incroyable à toutes les échelles de dimensions. Particulièrement adaptées pour le prototypage, la fabrication de pièces uniques ou de petites séries, la fabrication additive décline et met à disposition certains de ses procédés, notamment l’impression 3D, dans les FabLabs… Un rendez-vous à ne pas manquer.

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Visualiser la structure interne de très petits objets

Quel meilleur moyen pour connaître la structure d’un matériau ou d’un objet que lui faire passer une radio ? C’est en définitive le principe du micro-nanotomographe installé depuis un an sur la plateforme de recherche MIFHySTO à Besançon. Deux générateurs spécifiques délivrant des rayons X permettent de scruter l’intérieur de n’importe quelle réalisation ou matière à une résolution en volume, exprimée en voxels, de 3 µm pour le générateur micro (150 keV) et 400 nm pour le générateur nano (160 keV). Les vides d’air dans une figurine en polymère, les fissures dans une pièce métallique, l’inspection d’assemblages complexes et multipièce, les défauts à l’intérieur d’une fibre de lin ou encore la superposition des feuilles dans un objet en papier compressé apparaissent de façon très nette. La résolution du tomographe est de trois micromètres pour le générateur micro et de quatre cents nanomètres pour le générateur nano. La tomographie est essentielle pour pouvoir rectifier un procédé de fabrication en fonction des anomalies relevées. L’équipement, ici dédié aux micro- et nanocaractérisations, est unique en Bourgogne - Franche-Comté, et représente un investissement de l’ordre de quatre cent mille euros, entièrement financé par la Région.

mouche

    

oeuf kinder
Rendu 3D de la tomographie d'une mouche

Coupe tomographique d'un oeuf surprise Kinder, révélant

aussi bien les différents matériaux que le vide à l'intérieur

 

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Contacts :

ICB / LERMPS - UB / UTBM / CNRS

Lucas Dembinski / Christophe Verdy

Tél. +33 (0)3 84 58 32 06 / 31 08

 

UTINAM - UFC / CNRS

Francis Touyeras / Chloé Rotty

Tél. +33 (0)3 81 66 68 62

 

Institut FEMTO-ST - UFC / ENSMM / UTBM / CNRS

Département MN2S

Alain Billard

Tél. +33 (0)3 84 58 37 22

Laurent Robert

Tél. +33 (0)3 81 66 66 47

 

Département Mécanique appliquée

Sébastien Thibaud

Tél. +33 (0)3 81 66 66 11

 

ENSMM

Romain Jamault

Tél. +33 (0)3 81 40 27 30

 

Université de Neuchâtel - LTF – Institut de physique

Christoph Affolderbach

Tél. +41 (0)32 718 34 56

 

Haute Ecole Arc Ingénierie

Oksana Banakh / Joël Mattey

Tél. +41 (0)32 930 25 20 / 13 66

 

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