Des pièces sur demande et en flux tendu
Souvent, les techniques de production classiques, comme le moulage, sont associées à la construction de moules et d’outils coûteux. À cela s’ajoutent les délais de mise en œuvre et les coûts d’installation élevés. En misant sur l’impression 3D métallique, une entreprise peut raccourcir ses cycles de production de manière décisive. Les procédés de fabrication additive favorisent non seulement la production rapide d’échantillons de pièces (prototypage rapide), mais aussi la production en flux tendu. En d’autres termes, ils permettent d’éviter les situations risquées de dépendance vis-à-vis de fournisseurs individuels et les stockages coûteux. Si des pièces sont nécessaires, il suffit de sélectionner la « recette » voulue dans le logiciel et de les « imprimer » à volonté. En matière de géométrie des pièces, il n’y a aucune limite. En revanche, les designs optimisés en matière de topologie et de flux marquent le quotidien de la production en fabrication additive, même en ce qui concerne les grandes pièces.
Le process de soudage CMT : idéal pour l’impression 3D métallique
L’impression 3D fonctionne selon différents procédés. Les processus avec un fil d’apport tels que « Fronius Additive », font fondre le fil et construisent ainsi la pièce couche par couche. Pour que le matériau ne chauffe pas trop, ils doivent utiliser le moins d’énergie possible. Le process de soudage Cold Metal Transfer (CMT) de Fronius, basé sur le procédé MIG, est particulièrement bien adapté à l’impression 3D métallique de pièces en aluminium. CMT est un process de soudage à court-circuit « froid », qui malgré son taux de dépôt élevé, maintient un faible apport d’énergie. Il convient donc parfaitement au soudage additif, où le dépôt cyclique de passes entraîne un apport d’énergie important.
Le process CMT prend en charge des fonctions parfaitement adaptées à l’impression 3D métallique. La « correction de puissance » en est un exemple typique. Elle permet d’adapter avec précision la puissance électrique utilisée à chaque phase du processus. Le taux de dépôt, lui, reste constant.
« Grâce à nos fonctions CMT Additive Pro spécialement développées pour la fabrication additive telles que la correction de puissance ou la stabilisation du dépôt, qui maintient un taux de dépôt constant, nous pouvons contrôler de manière ciblée la puissance et donc la hauteur ainsi que la largeur de la soudure », explique Leonhard Reiter, du service de R&D de Fronius.
Fronius participe à la création de normes relatives aux composants et équipements sous pression obtenus par fabrication additive
En tant que membre du « groupe de travail sur les pièces obtenues par fabrication additive selon la directive sur les équipements sous pression de l’Institut allemand de normalisation (DIN) », Fronius a participé à la qualification d’un échantillon d’une pièce fabriquée par soudage additif en collaboration avec MIGAL.CO, Linde Engineering et TÜV SÜD. L’applicabilité du projet de norme prEN 13445-14 aux composants de réservoirs sous pression non soumis à la flamme a été examinée dans ce cadre.
La qualification des matériaux, l’examen du projet de norme, la qualification du procédé, la fabrication additive, les essais de composants et de pression ainsi qu’une documentation complète de la chaîne de processus ont été réalisés sur les sites respectifs en fonction des compétences des partenaires impliqués et une « Additive Manufacturing Procedure Specification » (AMPS) contraignante a ensuite été établie.
« L’ensemble de la chaîne de création de valeur et tous les détails de surveillance sont pris en compte dans le projet de norme prEN 13445-14 ainsi que dans la norme DIN/TS 17026 déjà publiée. Cela permet de garantir que les exigences de sécurité de base définies dans la directive sur les équipements sous pression 2014/68/UE peuvent être respectées », explique Dr. Ing. Kati Schatz, Linde Engineering, pour décrire le contenu de la norme en cours d’élaboration. « Tous les détails y figurent. Notamment tout ce qui concerne les exigences relatives aux matériaux, à la conception, à la qualification du procédé de fabrication additive, à la fabrication et aux essais ainsi qu’à la réception et à la documentation. La procédure diffère peu de celle des réservoirs sous pression fabriqués de manière conventionnelle. Même sans « présumer de la conformité » à une norme harmonisée souhaitée et sous réserve d’une procédure de modification, la spécification peut néanmoins servir de guide pour tous les utilisateurs de processus de fabrication additive d’équipements sous pression. »
Design, matériau et matériau d’apport
La chaîne de processus complète est vérifiée à l’aide d’un réservoir sous pression ayant la forme d’un embranchement de tubes. Selon le modèle de conception, l’embranchement (zone obtenue par fabrication additive jusqu’à la tubulure) a été construit sur un tube de base fabriqué de manière traditionnelle avec une découpe prévue à cet effet. Il s’agit ici d’une pièce hybride, car le matériau constituant le substrat à souder devient partie intégrante du réservoir sous pression.
« En ce qui concerne le matériau, nous avons opté pour l’aluminium. Dans la construction d’installations, nous utilisons l’alliage de corroyage à dureté naturelle en raison de son excellente résistance aux basses températures allant jusqu’à moins 273 °C. Cependant, le soudage de ce matériau est un défi. Ainsi, la sélection et les paramètres du process ne sont pas les seuls facteurs déterminant le résultat, c’est également le cas du matériau d’apport », explique Martin Lohr, Linde Engineering.
En effet, le matériau d’apport joue un rôle clé lors de l’impression 3D métallique : des tolérances strictes s’appliquent tant au diamètre qu’à la composition chimique, qui doit contenir le moins d’hydrogène possible. En outre, pour une production sans problème, le fil doit être exempt d’inclusions et bobiné correctement.
« L’empreinte carbone du fil d’apport est un sujet environnemental important, car elle a un impact sur le climat », déclare Ing. Robert Lahnsteiner, CEO de MIGAL.CO avant d’ajouter : « La nôtre est de 3,8 kg de CO2 par kg d’aluminium, ce qui représente moins d’un quart de la moyenne internationale. »
Conception des pièces et sélection du process
La transition entre le tube de base du réservoir sous pression et la tubulure doit être optimisée à la fois en matière de flux et de topologie. La conception a permis d’obtenir les épaisseurs de paroi suivantes : 8 mm pour le tube de base, 14 mm pour la transition du tube de base à l’embranchement et 5 mm pour l’embranchement.
Tube de base | Transition | Embranchement | |
Matériau | EN AW-5083 / AlMg4.5Mn | Al 5183 / AlMg4.5Mn | Al 5183 / AlMg4.5Mn |
Épaisseur de paroi / épaisseur de DED [mm] | 8 | 14 | 5 |
Diamètre extérieur [mm] | 273 | 273/168 | 168 |
Sélection du processus de dépôt sous énergie concentrée DED (Directed Energy Deposition)
Les exigences de base du processus DED (également connu sous le nom de Wire Arc Additive Manufacturing) étaient les suivantes pour la qualification de l’échantillon de réservoir sous pression :
Selon ces exigences, le process CMT basé sur le procédé MIG a été choisi pour la fabrication additive des couches, en particulier le CMT mix pour les premières couches et le CMT Additive Pro pour la fabrication de la paroi au-dessus, l’utilisation de la correction de puissance ayant une influence décisive sur l’apport d’énergie.
Qualification de mode opératoire de soudage
En raison des différences d’épaisseur de paroi de la transition du tube de base à l’embranchement, trois qualifications de mode opératoire de soudage (QMOS) différentes étaient nécessaire au regard du champ d’application du projet de norme prEN 13445-14. Le descriptif de mode opératoire de soudage (Deposition Procedure Specifications, en abrégé DPS) qui en résulte doit être respecté pour le process de soudage additif. La « recette » finale pour l’impression 3D métallique, la fameuse Additive Manufacturing Procedure Specification (AMPS), inclut ainsi trois descriptifs de mode opératoire de soudage (Deposition Procedure Specifications), des instructions sur la séquence de soudage ainsi que des remarques concernant les certificats de matériau et les qualifications des opérateurs.
« La constance de la qualité des pièces obtenues par fabrication additive est ainsi assurée en plus des prescriptions techniques de soudage, par des certificats de matériaux et des qualifications d’opérateurs », explique DI Manfred Schörghuber, du service de R&D de Fronius.
Comme prévu dans le projet de norme prEN 13445-14, les différentes pièces d’essai ont été soumises à des essais non destructifs et destructifs. Pour prouver l’absence de défauts externes et internes, des contrôles visuels et dimensionnels (VT), des contrôles volumiques (RT-D) et des contrôles surfaciques (PT) ont été employés comme essais non destructifs.
« Nous avons démontré que le matériau obtenu par fabrication additive et l’assemblage hybride répondaient aux exigences mécaniques et technologiques en effectuant des essais de composition chimique ainsi que des essais de traction et de flexion, réalisés perpendiculairement au sens des soudures. Pour finir, nous avons effectué des analyses métallographiques aux points de départ et de fin, ainsi qu’au niveau de l’assemblage hybride », décrit Dipl.-Ing. (FH) Martin Boche, de TÜV SÜD.
Planification et simulation de la trajectoire du robot
La planification de la trajectoire de la tâche de soudage robotisé a été réalisée selon la modélisation en trois dimensions d’un embranchement de tubes dans le logiciel FAO (logiciel de fabrication assistée par ordinateur) propre à Fronius.
« Nous avons calculé la proposition de fabrication additive, le programme de soudage proprement dit, en saisissant la hauteur de la couche, la position, la vitesse et la stratégie de superposition. La trajectoire de soudage a été visualisée dans une cellule de soudage robotisé modélisée par notre logiciel », ajoute DI Leonhard Reiter, du service de R&D de Fronius.
Détermination de la position et trajectoire du capteur
Afin que la pièce soit parfaitement positionnée et que les tolérances de production puissent être corrigées, la pièce a été scannée avec WireSense Fronius. Le système de détection innovant utilise le fil-électrode comme capteur tactile et palpe le contour de soudage point par point. Un court-circuit se produit au contact de l’extrémité de l’électrode avec la surface, ce qui déclenche un signal de distance qui est transmis au robot de soudage. Le logiciel de ce dernier ajuste la valeur de consigne programmée hors ligne à la valeur réelle de la trajectoire WireSense et corrige au besoin le trajet de soudage. Le fil se déplace ensuite immédiatement vers l’arrière et pendant que le robot continue le déplacement de la torche de soudage, il se dirige à nouveau vers l’avant jusqu’au prochain point. Un nouveau court-circuit est déclenché, un signal de distance généré et si nécessaire, la trajectoire de soudage est une nouvelle fois modifiée. Les variations de géométrie sont ainsi réduites.
Fabrication de la pièce
Les différentes épaisseurs de paroi vers l’embranchement ont pu être réalisées grâce à différentes amplitudes de balayage. Pour un pied de cordon optimal d’un cordon à l’autre et une largeur de soudure homogène, un équilibre thermique constant était nécessaire. Pour ce faire, des jobs de soudage en couches spécifiques avec des paramètres spéciaux ont été utilisés.
Pendant l’opération de soudage, la pièce a été équipée d’une arrivée et d’une sortie d’eau. Le niveau de l’eau accumulée devait être suffisamment éloigné du point de soudure pour que la température entre les passes puisse être maintenue dans la plage qualifiée. Cela a permis un soudage continu sans pauses de refroidissement. Le refroidissement de la pièce a réduit sa déformation et augmenté le taux de dépôt.
« Nous avons observé la formation des couches à l’aide d’une caméra déclenchée en synchronisation avec le processus. Ainsi, nous avons pu analyser plus précisément les anomalies du processus par la suite », ajoute L. Reiter, du service de R&D de Fronius.
Surveillance des paramètres et documentation
Le logiciel des gestion des données de soudage a surveillé les limites des paramètres définis dans l’AMPS (Additive Manufacturing Procedure Specification) et envoyé un avertissement dès que celles-ci étaient dépassées. La somme de tous les paramètres a donné « l’empreinte » de la construction additive et facilité l’analyse en cas de discontinuités éventuelles.
Contrôle final des pièces et perspective
Le contrôle final, y compris la confirmation de la conformité CE, a été effectué par l’organisme notifié 0036 de TÜV SÜD Industrie Service GmbH. Dans le cas présent, soit un matériau de base avec des données mécaniques selon une future norme européenne harmonisée (conception « harmonisée ») et une pièce de la classe de conception DC1, l’étendue des contrôles de la pièce a été déterminée conformément au tableau suivant :
Type de contrôle | Procédure de contrôle | Étendue du contrôle |
Essais non destructifs |
|
Pour chaque composant, 100 % des zones déterminantes (ou 20 % en cas d’utilisation d’une grille appropriée couvrant entièrement la zone) |
Essais destructifs |
|
1 x dans la zone obtenue par fabrication additive 2 x dans une direction défavorable et en plus dans la zone hybride 2 x dans une direction défavorable et en plus dans la zone hybride |
Contrôle final |
Essai de pression d’eau Essai d’éclatement effectué en option |
« En parallèle de ces essais, nous avons réalisé des examens métallographiques, couvrant en particulier les zones où des défauts avaient été constatés. Parmi les zones concernées figuraient les zones de transition entre le matériau classique et la partie obtenue par soudage additif, soit une zone hybride. L’examen métallographique sert avant tout à vérifier les données collectées lors de la surveillance des paramètres et des essais mécaniques, technologiques et non destructifs. Des échantillons sont prélevés pour déterminer si le matériau et le procédé de fabrication utilisés sont corrects. », explique M. Boche.
Avec la procédure d’évaluation de la conformité désormais réalisée selon le module G de la directive européenne relative aux équipements sous pression 2014/68/UE sous la forme d’une « qualification d’échantillon » d’un réservoir sous pression obtenu par fabrication additive avec marquage CE final confirmant le respect des exigences de cette directive européenne, le groupe de travail sur les réservoirs sous pression de l’Institut allemand de normalisation (DIN), représenté par Linde Engineering, TÜV-SÜD Industrie Service GmbH, MIGAL.CO et Fronius, souhaite renforcer l’acceptation de la fabrication additive en général, et dans la construction d’installations et de réservoirs en particulier.
« En conclusion, nous pouvons affirmer que des décennies d’expérience en matière de modes opératoires de soudage à l’arc électrique, combinées à des process stables et innovants tels que Fronius CMT Additive Pro, plaident en faveur d’une utilisation accrue de l’impression 3D dans la construction d’installations et de réservoirs. Cela procure des avantages concurrentiels, notamment en ce qui concerne l’optimisation de la topologie, la fabrication en flux tendu ou l’indépendance vis-à-vis des fournisseurs », résume M. Schörghuber.
Vous obtiendrez plus de détails sur la qualification d’échantillon dans le film documentaire suivant :
Fronius libère le potentiel de soudage de ses clients
L’occasion sera donnée aux curieux de se laisser séduire par l’offre complète relative à la 3D du 19 au 22 novembre 2024 sur le salon Formnext, à Francfort-sur-le-Main (stand C99, hall 12.0) ou du 4 au 7 novembre 2024 sur le salon ADIPEC à Abu Dhabi (stand 14316, hall 14). Les experts de Fronius se réjouissent à l’idée de pouvoir vous présenter de vive voix les dernières offres et possibilités. Toutes les personnes qui souhaitent profiter du savoir-faire de Fronius en matière d’impression 3D et de résolution de défis de soudage complexes peuvent volontiers s’adresser aux spécialistes du centre de prototypage Fronius.
Vous trouverez plus d’informations sur Fronius Additive Pro ici.
Vous trouverez des informations sur le centre de prototypage ici.