Quo vadis, production hybride ? Comment développer des solutions d’automatisation pour la production hybride ?

Production hybride

La production hybride est la combinaison intégrative de procédés de fabrication additifs et soustractifs, combinée avec une impression 3D métallique, tant dans les techniques de données que dans les techniques de système. La démarche consiste ici à cumuler les avantages des deux méthodes tout en compensant leurs désavantages respectifs.

Des exemples typiques de procédés additifs sont les procédés à base de poudre comme la fusion sélective au laser (Selective Laser Melting, SLM), ou les procédés de soudure par dépôt comme le dépôt direct d'énergie (Direct Energy Deposition, DED). Dans les procédés à base de poudre, de la poudre métallique est appliquée en couches par un curseur et est fondue à l’aide d'un laser guidé par miroir là où le matériau doit être appliqué. Dans les procédés DED, le matériau à appliquer est déposé sous forme de fil ou de poudre à l’emplacement de travail par une tête de traitement multi-axes, et est fondu au moyen d'énergie thermique. L'énergie thermique peut être fournie par un laser ou par un arc électrique.

La fabrication additive, un pilier majeur

Les avantages de ces procédés additifs sont une liberté de conception géométrique considérablement accrue et donc une conception qui peut être encore plus proche des exigences de fonctionnement de la pièce. On peut donc par exemple appliquer l'intégration fonctionnelle afin de réduire le nombre de composants d’un assemblage. Dans les secteurs de l’aéronautique et de l’aérospatiale, les procédés de fabrication additifs permettent d'appliquer les concepts de construction légère qui suivent par exemple les principes bioniques. Ces concepts ne peuvent pas être appliqués avec les méthodes de production soustractives classiques.

Bien que ces procédés soient capables de produire des composants à la géométrie proche du contour final, ils ne permettent pas de répondre aux exigences de qualité et de précision pour les surfaces fonctionnelles ou de s'adapter. Il est donc nécessaire de procéder après coup à un usinage selon un procédé soustractif comme le fraisage. De plus, les procédés additifs peuvent nécessiter des structures de soutien supplémentaires pour soutenir les éléments en porte-à-faux, pour dissiper la chaleur ou pour éviter les déformations. Ces structures de soutien doivent être supprimées après l’impression 3D, ce qui est aussi possible à l’aide d'un procédé de séparation.

Exigences renforcées en matière de planification des processus et de production CN

Il existe déjà du côté des techniques d'installation des systèmes de production hybrides capables de combiner des procédés additifs et soustractifs sans qu'il soit nécessaire de manipuler les pièces. De plus, les procédés additifs et soustractifs peuvent, en particulier dans le procédé DED, être combinés dans un seul montage, optimisant l’utilisation des matériaux.

La planification des tâches d’usinage dans le cadre d'une production hybride impose toutefois des exigences accrues pour la planification des processus et pour la programmation CN. Il faut donc, lors de la planification optimale des tâches d’usinage, tenir compte du fait que les contours parasites, qui n'apparaissent qu’au cours des procédés additifs, ne doivent pas être pris en compte pour le mouvement de la tête d'usinage avant que la géométrie correspondante n’ait été construite.

Malheureusement la programmation hors ligne de procédés additifs ne suffit pas pour exécuter de manière simple des stratégies de production soustractives dans l’autre sens. En règle générale, le fait pour un outil de fraisage de passer plusieurs fois sur une surface déjà fraisée n’a pas d’importance pour le processus de fraisage. Toutefois, lors des procédés de fabrication additifs, si la tête d’usinage est guidée plusieurs fois au même endroit lors de l'application d'une couche, cela conduirait directement à la casse de l’objet.

Une qualité des données cruciale

À ces exigences s'ajoutent encore d'autres exigences concernant l’intégration des données au long de la chaîne de processus du procédé de fabrication hybride. Le format STL, qui est très souvent utilisé dans le cadre de la planification des processus de fabrication additifs, conduit à une rupture de la chaîne d’information, car l’ensemble des informations technologiques et topologiques, que le constructeur présente dans un modèle CAO 3D, sont perdues lors de la transformation en un modèle à facettes approximatif tel qu'il est présenté dans un format STL. Cette représentation approximative de la géométrie de la pièce ne convient pas non plus en général pour la planification d’un usinage précis par fraisage. De plus, ces inconvénients du format STL pèsent de plus en plus lourd à mesure que les performances des procédés additifs s’améliorent. Ceci s’explique notamment par le fait que l’amélioration de la précision d’un modèle à facettes s'accompagne d’une augmentation disproportionnée de la quantité de données, sans que le contenu de l’information n’en soit significativement amélioré. Par conséquent, une démarche optimisée d'intégration des données doit se fonder directement sur l’utilisation du modèle exact de CAO 3D.

Dans les systèmes de CAO 3D actuels, on peut non seulement représenter avec précision la forme des pièces, mais aussi les informations topologiques et technologiques telles que les caractéristiques de conception pertinentes pour la production (comme les alésages, les poches et les nervures). Cela inclut également les informations de qualité concernant la production, comme les tolérances et les qualités de surface. Une gestion intégrée de ces informations permettrait d’automatiser le complexe processus de planification pour la production hybride et de le rendre plus économique.

Des projets de recherche innovants

Pour répondre à ces exigences, CENIT prend actuellement part à deux projets de recherche dans le domaine des procédés de production hybrides. Le projet Bionic Aircraft, financé par l’UE, consiste en une approche globale du cycle de vie des pièces légères fabriquées par un procédé additif pour l’industrie aéronautique. De la conception au recyclage Dans le projet Pr0F1T, financé par le ministère fédéral allemand de l’éducation et de la recherche (BMBF), CENIT travaille sur l’intégration technique des données de la chaîne de processus pour la production hybride et une préparation des données optimisée pour un processus de production hybride qui s'appuie directement sur le modèle exact de CAO 3D. Le grand nombre d’outils logiciels utilisés pour l'analyse structurelle, l’optimisation topologique, la conception, la préparation des données de production (pour les processus aussi bien additifs que soustractifs) ainsi que l'acquisition et l'évaluation des données qualité suscite un besoin plus fort d’intégration des données de la chaîne de processus pour la production hybride. Cette problématique n’a pas encore, à ce jour, été résolue de manière satisfaisante.

Les fruits de ces projets de recherche ont été intégrés dans la solution d’usine numérique CENIT FASTSUITE 2e Édition ainsi que dans le catalogue de services de conseil de CENIT pour le secteur très prometteur de la fabrication hybride.

Nous serions heureux de vous rencontrer pour échanger sur ce secteur d'activité d'avant-garde. Et pour chercher ensemble des solutions pour votre projet.