alain bernard - le 3d dans le monde

Le 3D dans le Monde

Alain BERNARDProfesseur des Universités à l’Ecole Centrale de Nantes

Chercheur à l’IRCCyN UMR CNRS 6597Vice-Président, Association Française de Prototypage Rapide

et de fabrication additive

Association Française de Prototypage Rapide & Fabrication Additive

129/05/2015 Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

1ère conférence annuelle du Réseau Québec 3DTrois-Rivières – Québec – 28 mai 2015

AFPR : Association Française du Prototypage Rapide et de

la fabrication additiveCréée en 1992Objectifs 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


2014: signature MoU CRIQ-AFPR


La normalisation : une nécessité

Décembre 2005 : création au sein de l’AFPR de la commission Fabrication Directe.Objectifs : réunir les principaux acteurs de la fabrication directe en France et sensibiliser les pouvoirs publics, en France et en Europe, à la normalisation de la Fabrication Additive.

Septembre 2009 : les deux Pôles de Compétitivité ViaMeca et EMC2 appuient l’initiative de l’AFPR et demandent officiellement à l’UNM la normalisation de la Fabrication Additive

Juin 2010 : création de la Commission de normalisation UNM 920 Premiers travaux engagés en septembre 2010 : Terminologie et classification des procédés.

En parallèle, le COS Santé de l’AFNOR va travailler à l’application de la norme dans le domaine de la fabrication de prothèses, en particulier le comité Médecine Buccale (ex comité Art Dentaire).

Juillet 2011 : première réunion du comité technique ISO/TC261


Créée suite à une demande des pôles de compétitivité VIAMECA et EMC2 et de la Fédération des Industries Mécaniques (FIM)

Périmètre : procédés par ajout de matière –fabrication de pièces directement à partir d’un modèle 3D sans utiliser d’outillages

Domaines : tous, en particulier les industries mécaniques, l’aéronautique et le médical

En France

Fournisseurs de poudre (métallique et plastique) Fabricants (machines et pièces) Utilisateurs (industrie mécanique, aéronautique) Centres techniques, Pôles de compétitivité Universités Liaison avec l’art dentaire

Commission UNM 920 « Fabrication additive »

Participants (chairman : Eric BAUSTERT Volum-e)



En France

Vocabulaire

Poudres — Spécifications techniques : caractéristiques techniques des poudres couramment utilisées en fabrication additive, à fournir par le fournisseur de poudre, lors de la livraison

Pièces – Cahier des charges et conditions de réception : éléments à échanger entre le client et fournisseur lors de la commande, du contrôle et de la réception des pièces

Normes publiées :

NF E 67-001 : octobre 2011

NF E 67-010 : décembre 2014

NF E 67-030 : mai 2013.



Créé en 2011 sous responsabilité allemande

Domaine : Normalisation dans le domaine de la fabrication additive concernant les procédés, termes et définitions, chaînes de processus (matériels et logiciels), procédures d'essai, paramètres de qualité, accords clients fournisseurs et éléments fondamentaux.

19 Membres participants : Allemagne, Belgique, Canada, Chine, Danemark, Espagne, Etats-Unis, Finlande, France, Irlande, Italie, Japon, Norvège, Pays-Bas, Pologne, République de Corée, Royaume-Uni, Suède, Suisse

ISO/TC 261 « Fabrication additive



4 parties de la série des normes ISO 17296 « Fabrication additive » :- Partie 1 : Terminologie (en cours) (Suède)- Partie 2 : Vue d’ensemble des catégories de procédés, des types de pièces et des matériaux de base (publiée en 2015) (Allemagne)- Partie 3 : Spécification des critères de performance et des caractéristiques de qualité (publiée en 2014) (France : Philippe BERTRAND, ViaMéca)- Partie 4 : Traitement des données (publiée en 2014) (UK)

ISO/TC 261



L’ASTM (USA) développe les normes au sein du comité F42 Deux possibilités de coopération entre l’ISO et l’ASTM

- Procédure “Fast Track” : adoption des normes déjà publiées par chaque organisation dans le but d’une reconnaissance mutuelle des normes ASTM et ISO,- Développement conjoint de normes communes ASTM/ISO.

Accord ISO/ASTM

Deux normes ASTM sont devenues des normes ISO (et des standards français) en 2013 par la procédure fast track : NF ISO/ASTM 52915 (format de fichier AMF) NF ISO/ASTM 52921 (systèmes de coordonnées et

méthodes d’essai)

Norme en cours de vote :Resolution 03: Acceptance of NF ISO/ASTM 17296-1 Terminology for Publication



Accord ISO/ASTM

Terminologie, Contrôle non destructif des pièces, Qualification, assurance qualité et traitement secondaire des

pièces métalliques par fusion sur lit de poudre, Lignes directrices de conception (générales et spécifiques à la

fusion sur lit de poudre), Exigences pour l’achat de pièces fabriquées en fabrication

additive, Définition de pièces types (New Standard Performance

evaluation of additive manufacturing systems through measurement of a manufactured test piece),

Lignes directrices de conception, Spécification normalisée pour la fabrication additive de

matériaux plastiques à base d'extrusion, Pratique normalisée pour la fusion sur lit de poudre pour

atteindre les exigences de qualité.

9 groupes de travail joints (au 16/01/2015) ont été créés depuis 2013:



29/05/2015 11

De l’objet à l’objet

• Nécessité de construire un modèle numérique

• Nécessité de disposer de technologies et de pouvoir les intégrer dans une filière métier

• Nécessité de contrôler• Nécessité de capitaliser

Sculpture numérique

Nuages de points

Modèle référenceCAO

Stratégie de scanning

Modélisation CAO

Fichier STL

Piècefabriquée

par couches

Interface

Fabrication par couches

Outillagefabriqué

par couches

Outillage

Outillage rapide

Prototype final

Contrôle et comparaison

Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

Courtesy: CREATE/Centrale

ParisCourtesy: Z Corp

Courtesy: EOSCourtesy: Phenix Systems

Courtesy: TrumpfCourtesy: MCPCourtesy: Objet

Courtesy: Stratasys

Courtesy: RealMeca/ Cirtes

Technologies de fabrication additive

29/05/2015 12Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

7 familles de procédés

29/05/2015 13

Source : ISO 17296-2:2014E


7 familles

de procédés

29/05/2015 14

Source : ISO 17296-2:2014E


Fabrication DirecteLes principales données économiques


29/05/2015 16

Données économiques 30 à 35% de pièces fonctionnelles Ventes machines métal : x3 en 2 ans Machines métal : quasiment toutes européennes(EOS, Concept Laser, Arcam, Phenix) Ventes imprimantes 3D : 4x en 2 ans

(de l’ordre de 140 000 en 2014) Revenus production + services : x2 en 2 ans(croissance annuelle de l’ordre de 40%) Ventes de matériaux : +30% en 1 an Ventes machines : 12850 machines (+30%)

dont 6665 pour Stratasys (hors Makerbot)Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

Données économiques

29/05/2015 17

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Asie/Pacifique Amérique du Nord Europe Autres


% de machines installées dans le Monde


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0

5

10

15

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25

30

35

40


% de machines installées dans le Monde


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02468

101214161820


Fraction de l’activité dans différents domaines d’utilisation


29/05/2015 20

0

5

10

15

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30

35


Fraction de l’activité dans différents secteurs

29/05/2015 21

Source: Biomedical production of implants by additive electro-chemical processes, P.J. Bàrtolo et al., CIRP STC E keynote 2012, CIRP Annals – Manufacturing technology 61/2/635-655


Implants

Concep on numérique de l’implant

Stérilisa on Contrôle Fabrica on Chirurgie

Scanner


Source : www.osseomatrix.com

Implants


Source : www.osseomatrix.com

Pièces aéronautique


Source : Arcam/3A (Philippe VANNEROT, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)



Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)

29/05/2015 28

Les technologies qui comptent A base de résines et de résines chargées (céramiques,

alumines, verre)

A base de fils (ABS, Polycarbonate, Nylon, PLA, PVA, ULTEM 9085/feu et ASA/UV (Stratasys), chargés)

A base de projection de matière multi-matériaux (liquides plastiques, cire/résine, poudres métalliques)

Sur lit de poudre (Polyamide (PA) (avec polystytène, verre, carbone, aluminium), métalliques/Tungstène (EOS) et précieux)

Hybrides (dépôt/projection/soudage et usinage)


29/05/2015 29

Les technologies qui comptent 49 sociétés ont vendu en 2014 des machines dans le

Monde pour un chiffre d’affaire supérieur à 5 K€. (34 en 2013, 33 en 2012, 31 en 2011)

10 sociétés ont vendu chacune plus de 100 machines et 14 plus de 10 (comme les trois dernières années)

22 sociétés en Europe, 9 en Chine, 8 aux USA, 7 au Japon, 3 en Corée du Sud et une en Israël fabriquent et vendent des machines en 2015 (soit 50 sociétés)

L’investissement R&D de 33 de ces constructeurs est de l’ordre de 37,5% de leurs revenus 2014 (19% en 2013).


29/05/2015 30

Les technologies qui comptent


0

10

20

30

40

50

60

Total Stratasys : 41869 Total 3D Systems : 17792

Extrusion fil

Fortus

Source : Stratasys


Mojo

3016 machines vendues en 2014

Source: Stratasys, présentation lors des Assises Européennes de la Fabrication Additive, Juin 2014

Objet500 Connex 3: multi-matériaux/couleurs

29/05/2015 32

Projection de résine par jets multiples


4752 machines installées (1130 machines vendues en 2012)

Gradient de matière

29/05/2015 33



Source: Stratasys, présentation lors des Assises Européennes de la Fabrication Additive, Juin 2014

Objet1000: machine de production

29/05/2015 34




Dépôts gouttelettes cire et usinageExemples de réalisationsSolidscape (Stratasys)

Avantage :Modèles en cire identiques à ceux utiliséstraditionnellement pour la fonderie

Source: Stratasys

3784 machines vendues au total (312 vendues en 2012)

Dépôts gouttelettes de plastique

ARBURG (freeformer)

29/05/2015 36

Source: ARBURG


2D/3D printer with multimaterials capability (up to four ceramic or metallic materials in the same component) with CAD/CAM and vision softwares

Multi nozzles printheads

X

Y

Matérial 2Matérial 1

Feel fabrication

PC

Printheads positioning control

Ejection control

Z

Multi nozzles printheads

X

Y

Matérial 2Matérial 1

Feel fabrication

PCPC

Printheads positioning control

Ejection control

Z

3D micro-positioning device3D micro-positioning device

Specific inks

Ejection device Ejection device

Inkjet printing devoted to rapid manufacturing of ceramic printed electronics components

Dépôts gouttelettes

Source : Ceradrop


Extrusion fil

Machines Inspire

Beijing TierTime Technology Co. Ltd.


Source : http://www.tiertime.com/EN/Products/Industrial/2014/0917/130.html


Extrusion filExemple de réalisation

3DP Unlimited

Source : http://i1.wp.com/3dpunlimited.com/wp-content/uploads/2014/09/3DP1000-vs-Desktop.jpg?w=1080


4029/05/2015

Une entreprise par jour : Drawn

Extrusion fil


Stéréolithographie par photopolymérisation de résine

29/05/2015 41

Source : http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/prox-950


ProX™ 950

3D Systems

X machines vendues en 2014

42

ZPrinter® 650ZPrinter® 850

ZPrinter® 450

Gamme de machines de Z-Corporation (USA)

Projection liant sur poudre


Stéréolithographie par DLP

29/05/2015 43

Source : http://carima77.en.ec21.com/


Carima (Corée)

Caractéristiques principalesÉpaisseur couche (mm) : 0.025 ~ 0.1 (4 step adjustable)Taille chambre X,Y (mm) : 80 x 45 130 x 75 200 x 112Hauteur de construction en Z(mm) : 200Vitesse : de l’ordre de 20~40 mm par heureTolérance(mm) : ± 0.2


DLP : Digital Light Processing


29/05/2015 44

Source : http://www.dwssystems.com/


DWS (Italie)


Digital Wax systems


29/05/2015 45

M350 Producer (Haute précision)

K20 Producer (Céramiques)

D35 Producer (Dentaire)

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=KRpNAw5caN8

Technologie propriétaire MOVINGLight® basée sur l’association de DLP en mouvement et de LEDS UVA de haute puissance, résines chargées




29/05/2015 46

Source : http://www.lithoz.com/en/


Lithoz Gmbh (Autriche)

CeraFab 7500

Exemples de pièces en céramique

Frittage de poudres par laser

Source: EOS

47

Frittage de poudre métallique sous l’action d’un laser

29/05/2015

EOSINT M280

M290

M400 (jusqu’à 4 lasers)




Source: EOS

48




Source: FUSIA

49




Source: EOS/Cooksongold

50


29/05/2015

EOS PRECIOUS M080



Source: http://www.farsoon.com/english/service.asp?id=19&forwhat=%E4%BA%A7%E5%93%81%E6%9C%8D%E5%8A%A1

51

Frittage de poudre polymère sous l’action d’un laser



Hunan Farsoon (Chine)

Farsoon 251

PXSPXS PXMPXM PXLPXL52

113 machines installées (données 2013)


Exemples de réalisationsRenishaw (laser melting)

Frittage/fusion de poudre métallique sous l’action d’un laser

AM 250Source : Renishaw



Fusion de poudre par laser

Exemple de réalisation

Frittage/fusion de poudre métallique sous l’action d’un laser

Source : Concept Laser

LaserCUSING®



Fusion de poudre par laserFrittage/fusion de poudre métallique

sous l’action d’un laser

Source : SLM Solution GmbH



ARCAM Q10 (Q20)

Fusion de poudres métal par faisceau d’électrons

57

Source : ARCAM AB

29/05/2015

ARCAM A2X

Source : 3A

In courtesy of

ARCAM A1





Arcam a racheté DiSanto Technologies Inc. (Implants orthopédiques)



Source : Arcam et Multistation

Arcam a racheté la division AP&C de Raymor Industries (fabrication de poudres québécois).

Collage/découpage feuillesPressage, collage et découpe de feuilles de papier

http://www.lefabshop.fr/le-fabshop-represente-les-imprimantes-3d-de-mcor-technologies-en-france/

Exemples de pièces



Collage/découpage plaquesDécoupe et assemblages de strates découpées

http://www.stratoconception.com/

29/05/2015 61

Stratoconception®Procédé de Prototypage et d’Outillage Rapide


Collage/découpage plaquesDécoupe et assemblages de strates découpées

http://www.stratoconception.com

29/05/2015 62

Pack&StratOutillage soufflage

Vase

Stratoconception®Procédé de Prototypage et d’Outillage Rapide


Les autres procédés qui comptent…



Imprimantes MFlex et MPrintVolume : 250 x 250 x 400 mm (MFlex)

500 x 400 x 800 mm (MPrint)

Matériau : Alliages d’acier inox 420&316, Bronze, Tungsten

Technique : Projection de liant sur substrat poudre

Application : Fabrication de pièces métalliques

29/05/2015 64

agglomération de la poudre (sable ou métal) par un liant

puis cuisson de la pièce




Imprimantes S-MaxVolume : 1000 x 7000 x 1800 mm

Matériau : Sable de fonderie

Technique : Projection de liant sur substrat poudre

Application : Fabrication de moules et noyaux sable pour la fonderie

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agglomération de la poudre (sable ou métal) par un liant





29/05/2015 66

agglomération de la poudre (sable) par un liant




VX4000VX200

Source : http://www.voxeljet.de/en/

Fusion de poudrespar chauffage


Source : http://blueprinter.dk/

Selective Heat Sintering™ Technology (Blueprinter M2)


Blueprinter

Aerosol Jet 200 Series System (application électronique)

Fabrication pardépôt de poudre métal

Source : http://www.optomec.com/


Optomec


Direct Metal DepositionTrumaForm DMD 505

Fabrication pardépôt de poudre métal

Machine DMD de Trumpf (utilisée à l'ENISE)

Trumpf


9 machines + 17 kits d’adaptation vendus en 2014

Dépôt de poudre métallique

Exemple de réalisationLens (Optomec)

Projection de poudre dans un faisceau d’énergie

Courtoisie: © EFESTO LLC, Ashok H. Varma, Chairman & CEO



Adding shapes and functions

Ø tube : 80mmMaterial : Inox 316 LDeposite :‐Width for two deposits(≈ 5 mm)

‐ Height 20 mm

Manufacturing time for 1 blade :4min26s

Technological possibilities


MaterialCoupe métallographique

d’une pièce réparée avant usinage

Nuance of substrate: titanium alloyPost‐repair thermal treatmentNuance of powder :Ti‐6Al‐2Sn‐4Zr‐2Mo

Granuloma :45 – 75 µm

Width of deposit : 1,2mmHardness : 400Hv

Metal parts repair

Industrial proof of concept


Machines industrielles

La gamme machines

Machines sur-mesure

Taille des pièces (mm x mm x mm)

Axes (Nb)

MesoCLAD

MacroCLAD

Atmosphère contrôlée

Bol pour distribution de poudres

Puissance Laser

Disponible en

MobileCLAD CLADUnit MagicCaractéristiques

400x250x200

3-5 continus

oui

en option

en option

1 ou 2

300W

Janv-13

1000x700x700

5 Continus

oui

en option

en option

1 ou 2

750W

Juin-13

1500x800x800

5 continus

oui

oui

oui

1 ou 2

1 à 4kW

Sept-12

Options standards/spécifiques

29/05/2015 74

MobileCLADCLADUnit

Magic



Machine Cladding • Machine IRCCyN/ECN

• Laser 4kw • Deux têtes de projection

(buses Irepa Laser)• Trois mélangeurs de poudre• Espace de travail 900 mm3

Source: IRCCyN équipe MO2P (Prof. MOGNOL – Prof. HASCOET)


Fabrication hybride

DMG MORI (Japon)

LaserTech 65

Alternance de dépose de matière et d’usinage

https://www.youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA29/05/2015 76Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

Soudage de feuilles métalliques

Fabrisonic (USA)

Soudage de feuilles métalliques par ultrasons et usinage



78

Source: Contourcrafting

Production personnalisée


Fabrication Additive

De nombreux points de progrès !

Des compétences attendues !

De très nombreux domaines demandeurs !

De nouveau moyens pour produire « autrement »


Bathsheba GROSSMAN

Oser la complexité sans surcoût

• Fabrication d’objets 3D à géométrie complexe

• fabrication d’objets multi fonctionnels et multi matériaux

• Intégration de fonctions (un objet à la place de plusieurs assemblés)16 pièces

+ collage1 pièce


Gains:De poids sur l’ensemble 20%,Facilité de montage,Diminution du nombre de composants,Economie de 15%.

Ré-industrialiser

29/05/2015 81

Source : MBProto


82

La juste matière

29/05/2015

Optimisation topologique

Source : Multistation, Assises Européennes de la Fabrication Additive, juin 2014


83

La juste matière

29/05/2015

Structures lattices

Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne


Fabrication Additive

29/05/2015 84

Système/process

MatériauxAmont/aval

Applications

Orienté applicationAutomatisation

Manip pièce et matériauProduction en continue

Contrôle adaptatifBoucle fermée

ProductivitéRépétabilité

PolymèresMétaux

CéramiquesComposites

Biomatériaux

EquipementsAéronautique

SpatialEnergie

TransportsLuxe/bijoux

Matériels médicauxImplants

ProthèsesOrganes

Conception fonctionnelleTopologie/géométrie

Conception du matériauFinition/parachèvement

TTHRevêtementsRéparations

DurabilitéEnvironnementQualité/contrôle

RechercheProf. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

29/05/2015 85

Données économiquesFonds publics pour la recherche et le développement


29/05/2015 86



29/05/2015 87



Conclusions

- La fabrication additive n’est pas une solution viable pour toute fabrication

- La fabrication additive est un moyen supplémentaire qui doit prendre sa place dans les filières productives

- La fabrication additive permet la complexité et la diversité à surcoût nul

- La fabrication additive a besoin d’aide à la création du modèle numérique

- La fabrication additive permet de repenser la conception des pièces et les caractéristiques des matériaux après fabrication

- La fabrication additive a besoin de compétences humaines clefs

- La fabrication additive est un moyen de revaloriser les aspects technologiques

- La fabrication additive permet « la juste matière à la juste place, moins d’énergie consommée, moins de temps de fabrication, moins d’impact environnemental »

- La fabrication additive est un marché en très forte croissance car elle a acquis une vraie maturité et dispose déjà de standards


9029/05/2015 Prof. Alain BERNARD - Journée UTC – ARI Picardie

Trophées AEPR 2014

Questions / RéponsesAlain [email protected]

www.afpr.asso.fr

Merci pour votre attention

92

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