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Prototypage
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Technologies de prototypage : fabrication additive métal

Historiquement issus du concept de prototypage rapide, les procédés de fabrication additive, en particulier métalliques, ont trouvé aujourd’hui une place à part entière dans le monde de l’industrie. L’idée derrière ces procédés porte sur la production de pièces et de produits par ajout de matière, à l’inverse des procédés de soustraction (usinage, rectification, …) ou de déformation (forgeage, emboutissage, découpe, cintrage …).

De par leur origine, ces procédés offrent l’avantage d’une grande rapidité de mise en œuvre, et donc d’une grande souplesse. Au-delà de ce principe fondateur, leur fonctionnement permet également de produire une grande variété de formes qui jusqu’ici ne pouvaient être fabriquées soit par absence de faisabilité, soit par absence de viabilité économique.

Un ensemble de pièces obtenu en une opération Les conséquences directes en sont : la possibilité de supprimer certains assemblages en les réduisant à une pièce unique et l’apparition de nouvelles formes. Cette nouvelle liberté de conception s'est appuyée sur différents concepts scientifiques comme l’optimisation topologique, les structures lattices et bien d’autres.

L’optimisation topologique, par exemple, est une nouvelle approche de conception. Elle consiste à ne mettre de la matière que dans les endroits où elle est utile permettant d’optimiser la masse d’une pièce tout en respectant des contraintes de résistance mécanique, de rigidité ou autres.

Les structures lattices quant à elles consistent en un empilement de cellules dont la géométrie élémentaire est définie pour donner des propriétés particulières comme des rapports résistance/densité très élevés, des coefficients de poisson négatifs et bien d’autres.

Le Pôle S.mart Grenoble-Alpes met à disposition à des fins de formation, de développement et de recherche plusieurs de ces technologies d’avenir sur sa plateforme GINOVA . "L’utilisation de cette plateforme fait l’objet de contrats de valorisation et d’accompagnement de partenaires industriels, ainsi que de partenariats académiques dans le cadre notamment de projets ANR." (rapport HCERES G-SCOP mars 2020)
 

EBM : Electron Beam Melting


Equipé d’une machine Arcam A1 (première machine académique en France, le pole S.mart est capable de produire des pièces en fabrication additive avec la technologie EBM. Son principe de fonctionnement consiste à venir fondre localement une couche de poudre métallique grâce à un faisceau d’électron. L’empilement ​​​​​​​des couches permet alors d’obtenir une pièce complète. De par son fonctionnement, les pièces produites en EBM n’ont besoin que de peu de support en comparaison des autres technologies lit de poudre, permettant ainsi de réduire les temps de construction et les opérations post-production. De plus, fonctionnant sous vide et à haute température, la technologie EBM permet de produire des pièces avec très peu de pollution et exemptes de toutes contraintes résiduelles. Majoritairement utilisée avec l’alliage TA6V, il est également possible de l’employer pour la mise en forme d’alliages à base Ni.​​​​​​​

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WAAM : Wire and Arc Additive Manufacturing

 

La plateforme GINOVA du pole S.mart Grenoble Alpes a acquis en octobre 2017 une autre technologie de fabrication additive : le Wire Arc Additive Manufacturing ou WAAM. D’apparition plus récente, et bien que reposant sur des concepts plus anciens, cette technologie est très complémentaire à celle de l’EBM. Là où l’une travaille avec de la poudre et un faisceau d’électron, l’autre emploie un fil métallique qui est fondu au moyen d’un arc électrique. Utilisant une torche montée sur un bras robotique Yaskawa et un poste de soudure TPS 4000 Advanced de Fronius, il est alors possible de produire des pièces en empilant les cordons de soudure.

Contrairement à l’EBM, cette technologie offre la possibilité de fabriquer des pièces de grandes dimensions, supérieures à 30 cm. D’un rendement et d’une productivité plus élevée, le WAAM est idéal pour la production de pièces near net shape de formes complexes. Reprises ensuite en usinage, cette méthode permet un gain de temps et de matière considérable par rapport au tournage ou au fraisage à partir de lopin (≈2-5% de copeaux contre plus de 90% dans certains cas).

Etant moins contraignante en terme de normes HSCT et reposant sur des moyens déjà fortement présents dans l’industrie, cette technologie connaitra probablement un fort développement dans les prochaines années.
 
WAAM1 ​​​​​​​
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FDM MIM 

 
​​​​​​​Après l’EBM* en 2011 et le WAAM** il y a trois ans, le pôle S.mart Grenoble Alpes (ex AIP-PRIMéca DS) vient d’accueillir une nouvelle machine de fabrication additive dédiée à la fabrication d’objets métalliques. Cette fois-ci, c’est au tour d’une machine de FDM-MIM like de venir rejoindre les équipements de la plate-forme.

Tandis que l’EBM permet de construire une pièce par fusion sélective couche par couche sur un lit de poudres métalliques grâce à un faisceau d'électrons, le WAAM consiste à fondre un filament métallique un peu comme en soudure, et à déposer la matière par couches successives. La FDM-MIM like est quant à elle une combinaison de deux techniques : elle fonctionne sur le même principe que le dépôt de matière fondue (FDM), la technique d’impression 3D classique de plastique largement utilisé sur la plate-forme, qui consiste à fondre un fil puis à déposer la matière par impression 3D. A la différence que dans ce cas, le fil est constitué à 40 % d’une cire et à 60 % de métal. Après impression 3D par extrusion, la pièce obtenue est placée dans un bain chimique consistant à dissoudre la cire à haute température, la pièce métallique qui reste est consolidée par frittage dans un four.

Avec l’arrivée de la nouvelle machine (de la marque Markforged) fin 2019 suite à un financement mixte (Région AURA, Grenoble INP – Génie industriel, pôle S.mart AIP-PRIMéca), la plate-forme dispose de trois techniques de fabrication additive métal. Et la petite dernière présente bien des atouts. « D’abord, elle permet de produire des pièces métalliques de formes complexes, pour un coût nettement inférieur à l’EBM, explique Frédéric Vignat, chercheur au laboratoire GSCOP (CNRS / Grenoble INP / UGA). Elle est, de plus, beaucoup plus facile à mettre en œuvre et compatible avec plusieurs types de métaux : aciers inox, aciers à outillage, cuivre, Inconel 625… ». Malgré une densité finale d’environ 95% et des propriétés mécaniques légèrement inférieures à ce que l’on peut obtenir par ailleurs, les pièces obtenues sont d’une grande précision et les états de surface bien meilleurs qu’avec toutes les autres techniques, ne nécessitant que très rarement de la reprise par usinage.

Tandis que l’EBM et le WAAM sont plutôt dédiées à la recherche, la nouvelle machine sera essentiellement déployée pour la pédagogie. Elle sera utilisée par les étudiants pour la réalisation de prototypes ou finales de pièces métalliques dans le cadre de projets pédagogiques ou industriels. « Certains travaillent déjà sur la fabrication de ressorts particuliers, de supports de bras pour personnes handicapées ou de vélos électriques sans chaîne... ». Un projet est mené en collaboration avec un industriel pour l’aider à remplacer la technique de la cire perdue pour la fabrication de certaines de ses pièces.
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Thèses utilisant/ayant utilisé les moyens du pôle S.mart


En cours (2020)


Conception et fabrication par fabrication additive de produits intelligents.

ROBERT Pascal, Directeurs de thèse : PARIS Henri, MUSEAU Matthieu


Fabrication additive WAAM.

MANOKRUANG Supasit, Directeurs de thèse : VIGNAT Frederic , MUSEAU Matthieu, BERAUD Nicolas


Optimisation des trajectoires en fabrication additive basée sur la simulation.

CHERGUI Mohammed Akram, Directeurs de thèse : VIGNAT Frederic, Nicolas BERAUD


Caractérisation et simulation des défauts géométriques des pièces en fabrication additive.

GHAOUI Soukaina ,  Directeurs de thèse : BALLU Alex , VILLENEUVE François, LEDOUX Yann , MUSEAU Matthieu


​​​​​​​Caractérisation et implémentation d'indicateurs de fabricabilité pour des pièces obtenues en fabrication additive

MBOW Mouhamadou Mansour,  Directeurs de thèse : VIGNAT Frederic, POURROY Franck, MARIN Philippe
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2019​​​​​​​


Maîtrise de la qualité en fabrication additive.
Alexandre PIAGET, Soutenue le 30/01/2019, Directeurs de thèse : Henri PARIS, Matthieu MUSEAU


​​​​​​​2018


Elicitation et Structuration des Connaissances dans le cadre de la Fabrication Additive.
Christelle GRANVALLET, Soutenue le 8/10/2018, Directeurs de thèse : Frédéric VIGNAT, Franck POURROY, Guy PRUDHOMME

Comment intégrer et faire émerger des structures architecturées dans l'optimisation de pièces pour la fabrication additive par faisceaux d'électrons.
Pierre Thomas DOUTRE, Soutenue le 23/03/2018, Directeurs de thèse : Rémy DENDIEVEL, Frédéric VIGNAT

Une démarche de conception de pièces légères pour la fabrication additive basée sur l'optimisation topologique
Elodie MORRETTON, Soutenue le 16/02/2018, Directeur de thèse : Frédéric VIGNAT, Philippe MARIN, Franck POURROY


2017


La démarche de conception pour la fabrication additive: choix des modes de representation dans la phase d'analyse
Thanh Hoang VO, Soutenue le 29/09/2017, Directeur de thèse : Frédéric VIGNAT

Mise en oeuvre de superalliages base Nickel par Electron Beam Melting
Edouard CHAUVET, Sous la direction de J.J. Blandin et G. Martin
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Proposition d'une stratégie soutenable pour donner une nouvelle vie à une pièce en s’appuyant sur les techniques de fabrication additive
Van-Thao LE, Soutenue le 29/09/2017 , Directeurs de thèse : Henri PARIS, Guillaume MANDIL

Méthode pour l'intégration des structures treillis dans la conception pour la fabrication additive
Abdul Hadi AZMAN, Soutenue le 24/02/2017   Directeur de thèse : François VILLENEUVE ,Co-directeur : Frédéric VIGNAT


2016


Fabrication assistée par ordinateur pour le procédé EBM

Nicolas BÉRAUD, Soutenue le 5 octobre 2016 , Directeurs de thèse : Frédéric VIGNAT, François VILLENEUVE, Rémy DENDIEVEL

mise à jour le 2 mai 2020

Université Grenoble Alpes