Comment améliorer la vitesse, la précision et la qualité dans la fabrication additive
Par Rafael Hasbun,
Ingénieur principal d’application sur le terrain, FARO Technologies.
La fabrication additive, le processus d’ajout de matériaux, couche après couche, pour construire un produit complet, permet aux fabricants d’économiser du temps et de l’argent. Il n’est donc pas surprenant que, alors que les fabricants ont du mal à respecter les contraintes budgétaires et de temps lors de la conception et du développement de nouveaux produits, le marché de la fabrication additive est sur le point de connaître une croissance significative.
En fait, un rapport récent de Reportlinker.com fait « [l]’analyse de la taille, de la part et des tendances du marché mondial de la fabrication additive par type d’imprimante, par technologie, par composant, par application, par matériau, par vertical, par perspectives et prévisions régionales, 2022-2028 », et prédit que le marché mondial de la fabrication additive connaîtra un taux de croissance annuel composé de 18,9 % au cours de la période de prévision, atteignant finalement 44,6 milliards de dollars d’ici 2028, par rapport à sa taille actuelle d’environ 14 milliards de dollars. La croissance devrait être alimentée par la demande sur les marchés de l’automobile, de l’aérospatiale et de la santé, qui tirent parti des processus de fabrication additive pour accélérer le prototypage des pièces.
Qu’est-ce que la fabrication additive ?
En règle générale, la fabrication additive s’appuie sur des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) ou des scanners d’objets 3D et des logiciels sophistiqués pour diriger le matériel, tel que les imprimantes 3D, pour déposer du matériau, couche par couche, dans des formes géométriques précises pour créer un objet plutôt que d’utiliser des méthodes soustractives traditionnelles qui enlèvent de la matière par fraisage, usinage, sculpture ou mise en forme pour créer un objet. Le processus de fabrication additive permet aux fabricants d’imprimer des pièces en une seule pièce, réduisant ainsi le gaspillage de matériaux, le gain de temps et les coûts lors du prototypage et de la rétro-ingénierie des pièces.
Le rôle des scanners laser 3D dans la fabrication additive
De plus en plus, les scanners laser 3D sont utilisés comme première étape de la fabrication additive, car ils accélèrent encore le processus de développement de produits. Les scanners 3D peuvent numériser les mesures, les caractéristiques et les détails nécessaires pour créer la pièce en quelques minutes, alors qu’il peut prendre des heures pour ne rassembler que les dimensions physiques les plus simples d’une pièce à l’aide de méthodes de mesure traditionnelles, telles que les étriers et les machines de mesure tridimensionnelle (MMT). Les scans 3D détaillés sont ensuite envoyés à un logiciel informatique sophistiqué, qui utilise les données collectées pour créer un modèle 3D virtuel pour l’impression.
Non seulement les scanners 3D fournissent des mesures plus rapides et plus détaillées, mais ils augmentent également la précision grâce à la haute résolution des données et réduisent les cas d’erreur humaine associés aux méthodes de mesure traditionnelles, assurant ainsi le contrôle de la qualité du premier article créé. La numérisation 3D peut également être utilisé pour inspecter et diagnostiquer les défaillances de pièces créées via un processus de fabrication additive. Une pièce imprimée en 3D peut être testée sous contrainte dans l’environnement dans lequel elle est destinée à être utilisée et, à la suite de ces tests, des scanners laser 3D peuvent être utilisés pour trouver et diagnostiquer toute déformation ou point critique de défaillance dans la pièce afin de garantir davantage la qualité du produit et d’accélérer les itérations ultérieures du produit.
La numérisation 3D est également supérieur aux méthodes de mesure traditionnelles lorsqu’il s’agit de capturer des objets qui ont des surfaces préformées, des courbures complexes ou des finitions de surface texturées, car ces types de caractéristiques ne sont pas facilement mesurés avec des outils traditionnels. Le scan 3D relève également le défi de la rétro-ingénierie, qui est souvent utilisée par l’industrie automobile pour créer des pièces personnalisées ou abandonnées. La rétro-ingénierie d’un objet physique pour la fabrication additive nécessite une mesure précise de la hauteur, de la largeur, de la profondeur, du diamètre et de la circonférence de la pièce, ainsi que des détails complexes tels que le rayon et les textures de certaines caractéristiques. Le scan 3D acquiert efficacement et précisément toutes les données associées aux surfaces, aux détails et aux caractéristiques complexes de la pièce, ce qui permet d’envoyer des données précises et détaillées à l’imprimante pour la fabrication additive.
Les améliorations apportées aux technologies de numérisation permettent de surmonter les défis de la fabrication additive
Malgré les nombreux avantages de l’utilisation du scan 3D dans le processus de fabrication additive, il existe certains défis associés, tels que la numérisation de pièces volumineuses et lourdes. Cependant, reconnaissant le problème, certaines technologies plus récentes, telles que la machine à mesurer tridimensionnelle portable Quantum Max FaroArm® , offrent une plus grande portée pour fournir une articulation plus confortable pour une meilleure extension sur et autour de grands objets. Lorsqu’il est combiné avec le FARO® 8-Axis Max Rotary Worktable, un composant modulaire qui peut être utilisé avec n’importe quel FaroArm, le besoin de déplacer ou de repositionner le dispositif de numérisation est presque éliminé. Traditionnellement, les techniciens devaient numériser une grande pièce, une section à la fois, puis déplacer le scanner vers la section suivante. Le déplacement pouvait entraîner des données inexactes, mais avec la table de travail rotative, la pièce peut être montée sur la table, qui tourne comme un plateau rotatif, ce qui permet de capturer la pièce sans déplacer le scanner, éliminant ainsi les erreurs et augmentant la précision des données.
Un autre défi associé aux scanners 3D traditionnels est qu’ils ont souvent du mal à numériser des pièces sombres, brillantes ou réfléchissantes. Dans ces cas, les techniciens vaporisent généralement la pièce avec de la poudre pour obtenir une finition mate afin d’obtenir un scan précis, mais cela peut appartenir au passé en raison de l’introduction d’une technologie laser bleu optiquement supérieure. Le Quantum Max ScanArm de FARO, l’outil de mesure portable le plus avancé doté de trois sondes de ligne laser (LLP) spécialement conçues et remplaçables à chaud, offre des capacités telles que le prototypage rapide, la rétro-ingénierie et la modélisation 3D de surfaces de forme libre. La technologie laser bleu permet de scanner des surfaces difficiles, y compris celles qui sont sombres ou réfléchissantes, ce qui simplifie le processus et augmente la précision de la numérisation de ces objets avant les applications de fabrication additive.
Les logiciels compliqués utilisés pour convertir les numérisations pour l’impression étaient un autre défi pour les fabricants d’additifs, mais aujourd’hui, même les logiciels les plus sophistiqués deviennent plus conviviaux. Par exemple, le logiciel FARO RevEng™ permet aux utilisateurs de capturer plus précisément et de modifier plus facilement les maillages pour la création de modèles pour l’impression 3D. L’utilisation du logiciel en combinaison avec des produits de numérisation 3D permet de transformer des données allant des nuages de points en couleur haute résolution aux maillages simples en maillages détaillés, ce qui permet de mieux comprendre la conception et la composition, ainsi que la différenciation visuelle entre les matériaux et les textures. L’interface utilisateur intuitive affiche visuellement tous les outils sur un seul écran, facilitant la manipulation et la personnalisation de l’objet 3D pour répondre à des exigences de conception spécifiques, augmentant encore la productivité du flux de travail de rétro-ingénierie dans les applications de fabrication additive.
Comment tout mettre en place
Récemment, Adam LZ, YouTuber automobile et coureur de sports automobiles, s’est associé à FARO et au fournisseur de logiciels Oqton pour créer une pièce personnalisée pour une voiture de course en utilisant la technologie de scan 3D de FARO, le logiciel Geomagic Design X d’Oqton et la fabrication additive. Initialement, le tableau de bord de la voiture contenait une console de navigation qui devait être retirée, car elle ajoutait un poids inutile au véhicule. L’objectif du projet était de créer rapidement une pièce personnalisée et légère qui remplirait correctement la poche laissée dans le tableau de bord après le retrait du système de navigation.
Tout d’abord, le tableau de bord, y compris la console de navigation, a été retiré du véhicule et placé sur le 8-Axis Max où, malgré sa grande taille, il a été facilement scanné avec le FARO ScanArm. « La fixation du tableau de bord sur le 8-Axis Max et sa rotation ont permis de réduire le travail et d’accroître la précision de la numérisation, car nous n’avons pas eu à manipuler ou à déplacer la pièce ou le scanner », explique Will Pitarello, ingénieur d’applications senior chez FARO. « Moins de mouvement équivaut à plus de précision et réduit les variables qui pourraient introduire des erreurs dans la collecte de données. »
Le balayage de l’ensemble du tableau de bord a permis aux concepteurs de comprendre où se trouvait le système de navigation dans la pièce. Une fois cette étape terminée, la console de navigation a été retirée et numérisée pour donner un aperçu de la forme de la console elle-même, ainsi que des clips métalliques qui la maintenaient solidement dans le tableau de bord. Un troisième balayage a été effectué, du vide laissé dans le tableau de bord, pour comprendre la géométrie sous le vide, y compris les points de montage, afin que la pièce nouvellement créée s’adapte au vide et se fixe correctement aux supports existants. « Il était important de scanner l’ensemble du tableau de bord et la console de navigation elle-même, ainsi que la poche ouverte créée lors du retrait du système de navigation et la géométrie en dessous, afin que la nouvelle pièce personnalisée couvre non seulement la zone, mais se clipse correctement sur les points de montage existants », explique Greg George, responsable des ingénieurs d’applications, avec Oqton.
Les trois scans ont ensuite été réunis à l’aide du logiciel Geomagic Design X pour créer un modèle 3D qui a été utilisé pour fabriquer très rapidement une pièce via la fabrication additive. Grâce à la précision du scan, qui comprenait les géométries du vide, les textures de surface du tableau de bord, les points de montage et toutes les autres caractéristiques nécessaires, ainsi qu’au rythme rapide de la fabrication additive, le succès était au rendez-vous et une pièce bien ajustée qui correspondait à la texture de surface en cuir du tableau de bord original et montée sur les clips existants a été conçue et produite le lendemain.
« Ce qui est bien, c’est qu’avec la fabrication additive, vous avez la possibilité de fabriquer rapidement une pièce et une fois que la pièce est disponible, vous pouvez déterminer si elle est le bon ajustement et le bon poids », explique George. « Et, si par hasard, c’est trop lourd ou n’est pas correct, vous pouvez itérer dessus très rapidement en utilisant ces mêmes technologies et fabriquer une autre pièce qui s’adapte mieux ou pèse moins rapidement. »
Il est facile de constater que les technologies actuelles de balayage laser 3D et les progiciels conviviaux aident les fabricants additifs innovants à accélérer leurs flux de travail tout en garantissant la précision et la qualité des pièces produites, ce qui les rend plus rentables et plus efficaces que jamais.