Ensemble, la fonderie moderne et la fabrication additive se la coulent douce

Par Andreas Bastian
- 1 Mai 2018 - 7 min De Lecture
additive manufacturing and metal casting
Structure d’un siège d’avion, fabriquée en combinant la conception générative, la fabrication additive et la métallurgie.

De nombreux industriels se disent fascinés par la fabrication additive métallique, un processus permettant d’obtenir des formes jusque-là irréalisables, mais combien s’y impliquent vraiment ?

À l’exception de quelques pionniers, la majorité des industriels se contente d’attendre et de voir comment les technologies de fabrication additive évoluent et quand elles seront prêtes à être adoptées. Et il se peut que vous soyez l’un d’entre eux. À dire vrai, il existe plusieurs raisons poussant les fabricants à s’accrocher aux techniques de fabrication traditionnelles telles que la métallurgie, plutôt que de se lancer dans la fabrication additive métallique.

Tout d’abord, il n’y a en réalité qu’une dizaine de matériaux largement disponibles pouvant être utilisés pour la fabrication additive métallique tandis que la métallurgie permet l’utilisation de centaines d’alliages différents et qu’il est très simple de composer des matériaux sur mesure, même pour une pièce unique dans le cadre d’un projet à grande échelle. Ensuite, la métallurgie permet de fondre des pièces gigantesques, alors que les imprimantes à métaux se limitent à des objets de la taille d’une boîte à pain, voire plus petits. Les coûts et les délais constituent le troisième facteur : les machines à frittage laser direct de métal (DMLS) sont très onéreuses et nécessitent de nombreuses étapes de post-traitement, comprenant généralement une sorte de compression isostatique à chaud et l’élimination des structures de support du plateau de construction.

metal casting

Enfin, les processus de fonte des métaux sont maîtrisés et largement utilisés depuis des millénaires. Nul besoin de refaire valider le procédé, ce qui est généralement long et coûteux.

Fort heureusement, il est tout à fait possible pour un fabricant d’utiliser les procédés métallurgiques tout en bénéficiant des géométries avancées offertes par la conception générative ou en se lançant parallèlement dans la fabrication additive. En réalité, les techniques modernes de fonte des métaux ouvrent de nombreuses portes pour l’application de ces technologies.

À l’inverse des procédés classiques d’impression de métaux en 3D, impliquant que la forme et le matériau soient définis au même moment, les procédés de fonte des métaux séparent la définition de la forme et celle du matériau en deux étapes distinctes.

Avancer dans cette perspective vous permet de bénéficier d’un tiercé gagnant de technologies : la conception générative et l’optimisation numérique permettent d’obtenir des géométries de haute-performance à l’étape de conception sur un ordinateur ; la fabrication additive non métallique les transfère sur le plan physique sous forme de moules ; les méthodes métallurgiques modernes concrétisent enfin ces formes en utilisant le métal le plus adapté.

Cette approche offre aux industriels une passerelle aussi bien vers la conception générative que vers la fabrication additive, toutes deux vouées à occuper une place de plus en plus importante à l’avenir. Et dès à présent, cela permet aux fabricants de produire, à partir de moules imprimés en 3D, des pièces de métal aux formes jusque-là impossible à obtenir.

Un tel procédé peut présenter (ou présente déjà dans certains cas) un avantage dans les secteurs pour lesquels la légèreté est un enjeu, tels que l’automobile ou l’aéronautique. Il peut également représenter une opportunité exceptionnelle pour la création d’objets sur mesure, comme des prothèses de genou ou de hanche des fabricants d’implants médicaux.

Pour illustrer ce genre de production « tritechnologique », mon collègue de chez Autodesk Andy Harris et moi-même avons fabriqué en début d’année une structure de siège d’avion ultra-léger en utilisant l’optimisation topologique, l’impression 3D et le moulage à la cire perdue. Nous avons choisi de fabriquer notre structure de siège à partir de magnésium, car ce matériau pèse 35 % moins lourd que l’aluminium conventionnel utilisé dans ce genre de cas et offre un rapport résistance/poids plus élevé. Les imprimantes actuelles ne permettent pas d’imprimer du magnésium, c’est pourquoi nous nous sommes tournés vers l’une des rares fonderies d’Amérique du Nord qui coulent du magnésium, la fonderie Aristo Cast dans le Michigan. Leur équipe a imprimé la structure du siège avec du plastique, a élaboré le modèle, puis recouvert le modèle de céramique, a ensuite fait fondre le modèle en plastique pour l’extraire du moule en céramique et a versé dans celui-ci le magnésium afin d’obtenir la structure de siège finale.

Grâce à son matériau et à sa conception topologique, la structure de siège réalisée pèse 56 % de moins que les modèles habituellement utilisés de nos jours. Cette réduction de poids pourrait permettre d’économiser 100 000 dollars de carburant en une seule année de vols pour un Airbus A380 de 615 places ou 200 millions de dollars sur l’ensemble des 20 années de service d’une flotte de 100 A380. Cela entraînerait également une réduction de l’empreinte carbone de plus de 140 000 tonnes.

Il est vrai que peu de fonderies souhaitent s’embarrasser de formes trop étranges ou trop complexes, car les projets de production (par opposition aux projets de prototypage aux marges plus réduites) constituent leur fonds de commerce. Mais la fonderie avant-gardiste Aristo Cast utilise quant à elle la technologie d’impression 3D depuis plus d’une vingtaine d’années et met à l’essai toute nouvelle technologie voyant le jour.

Brisant le stéréotype selon lequel il faut patienter 18 mois avant de recevoir les pièces, Aristo Cast peut livrer ses pièces en à peine deux jours, soit plus rapidement que pour la plupart des pièces issues de l’impression métallique. L’entreprise se spécialise dans le moulage à la cire perdue, un procédé par lequel un objet est tout d’abord fabriqué à l’aide d’un certain matériau, puis, en passant par un moule à usage unique, peut être obtenu dans le matériau choisi. Cette méthode permet d’obtenir un niveau de détails pouvant aller jusqu’à des caractéristiques submillimétriques. La moindre empreinte de doigt laissée sur le modèle apparaîtra sur la pièce finale.

Une autre technologie, appelée moulage en sable, peut être utilisée pour produire des pièces métalliques à partir de moules en sable pouvant être imprimés en 3D. Le moulage en sable ne permet pas de fabriquer des pièces très détaillées, mais celles-ci peuvent être bien plus volumineuses qu’avec l’impression métallique ou le moulage à la cire perdue. Elles peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres et peser jusqu’à des dizaines de milliers de kilos.

De nombreuses fonderies en sont arrivées à la conclusion que, pour la production à grande échelle, la technologie additive est plus rentable que l’usinage dès qu’il s’agit de pièces aux géométries complexes, et ce plus particulièrement pour le moulage en sable. Mais ce qui importe au final, c’est qu’une fois que l’industrie sera sortie de cette mode consistant à utiliser la technologie additive juste pour utiliser la technologie additive, celle-ci devra prouver qu’elle est plus rentable ou présente plus de valeur que les technologies de fabrication traditionnelles pour être adoptée plus généralement.

Avec pour objectif de faire de ce rêve une réalité, 3D Hubs vient de lancer un service facilitant l’obtention de pièces métalliques rapidement et à prix réduit, en combinant la fabrication additive et les méthodes de fonderie. L’entreprise prend en charge l’intégralité du processus d’impression du moule, de transfert à la fonderie et de moulage. Elle exploite des imprimantes à filament plastique (FDM) fonctionnant par extrusion, mais utilise un matériau développé spécifiquement pour les procédés de fonderie, qui peut être poli à la vapeur afin d’éliminer les traces laissées par l’accumulation des couches (un problème récurrent).

Les services comme ceux que 3D Hubs propose sont pour les ingénieurs, une excellente porte d’entrée vers la conception additive. Que vous fassiez appel à un tiers ou que vous souhaitiez mener vos propres expérimentations, l’essentiel est de laisser une chance à cette technologie. Avec la fonderie, les avantages de la fabrication additive, de la conception générative et de l’optimisation des formes sont à portée de main.

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