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L’IMT Lille Douai présente Lascala

mardi 12 mars 2019

L’IMT Lille Douai met à l’honneur, à l’occasion du salon JEC World, sa plateforme Lascala qui permet des productions souples d’objets de grande taille. Présentation par Jérémie Soulestin, Marie-France Lacrampe et Sébastien Charlon, enseignants-chercheurs à l’Institut Mines-Télécom.

Parmi les technologies susceptibles de bouleverser les modes de production dans l’industrie du futur, la fabrication additive (FA) est très clairement identifiée comme une des technologies clés et suscite un fort intérêt depuis quelques années. Aujourd’hui, à quelques exceptions près, la fabrication additive n’est pas entrée dans les ateliers de production des industriels de la plasturgie mais commence à se faire une place dans les services R&D ou les bureaux d’études. Indéniablement, les possibilités offertes par la fabrication additive dans la phase de développement sont de nature à faciliter et accélérer cette phase essentielle dans la vie d’un produit. Le développement de machines permettant de travailler avec tout type de matières plastiques (Freeformer Arburg, Pollen AM…), permet de fabriquer rapidement des prototypes fonctionnels qui peuvent subir des tests métiers, de fonctionnement et ainsi valider plus rapidement un nouveau design ou produit.

IMT Lille Douai, dont l’activité de recherche dans le domaine de la plasturgie est focalisée sur l’optimisation de la mise en œuvre et en forme des polymères et composites, développe depuis quelques années une activité dans le domaine de la fabrication additive par dépose de polymère fondu. Cette activité est orientée vers l’optimisation des procédés pour la fabrication de pièces fonctionnelles bonne matière et le développement de matières spécifiques pour la fabrication additive pour la production de pièces d’intérêt industriel en petite série. Afin de développer son activité dans le domaine de la fabrication additive, le choix a été fait de s’orienter vers les technologies permettant de fabriquer des pièces thermoplastiques de grandes tailles (plusieurs mètres) par dépose de polymère fondu.

Dépose de polymère fondu

Les solutions techniques pour la fabrication de pièces de grandes tailles étaient peu nombreuses il y a quelques années sur le marché. Thermwood (Large Scale Additive Manufacturing, LSAM), Cincinnati inc. (Big Area Additive Manufacturing, BAAM CI) ou encore Arevo proposent des machines susceptibles de répondre à ces besoins. Chaque machine présente ses avantages et inconvénients, les machines BAAM et LSAM utilisent un système de portique équipé d’une tête de dépose basée sur une technologie à base d’extrusion de granulés. La machine d’Arevo utilise en revanche un robot 6 axes  ; la tête de dépose est alimentée par filaments. Les portiques offrent une grande précision mais un nombre plus restreint de degrés de liberté  ; les robots à l’opposé sont moins précis mais permettent une plus grande liberté dans le déplacement et l’orientation de la tête. L’extrusion de granulés permet de choisir parmi un vaste panel de matières, alors que le recours à des filaments restreint forcément le choix du fait d’une faible disponibilité. Par ailleurs, toutes les matières ne se prêtent pas à la fabrication de filaments de qualité. L’utilisation de filaments facilite cependant l’incorporation de fibres continues.

Afin de disposer d’un outil adapté aux besoins de recherche d’IMT Lille Douai, le choix a été fait de développer en interne une plateforme dédiée à la fabrication de pièces polymères et composites de grandes tailles. Concernant le mode de déplacement de la tête de dépose, le choix s’est porté sur un robot 6 axes. Cette solution présente une précision suffisante compte tenu de la taille du cordon de matière qui sera déposé. En effet, en raison de la taille des pièces, l’épaisseur de la couche déposée est de plusieurs millimètres. Dès lors, la précision d’un robot est suffisante. Cette perte de précision acceptable permet de bénéficier du grand nombre de degrés de liberté offert par le robot. Si l’objectif à court terme est de fabriquer les pièces par addition de couches planes successives, à terme l’objectif est bien de fabriquer les pièces à partir de couches courbes quand cela est nécessaire. Dans cette optique, le robot est indispensable pour une plus grande flexibilité. Afin d’augmenter la surface de travail, le robot est positionné sur un rail qui permet d’améliorer la portée dans la longueur. Pour la technologie de la tête de dépose, l’extrusion de granulé a été choisie afin de permettre d’utiliser un large panel de matière, mais également pour assurer une qualité optimale en ce qui concerne la plastification.

Pour les composites thermoplastiques chargés en fibres, le choix des granulés est adapté aux cas des fibres coupées mais ne permet pas facilement l’incorporation de fibres continues. Cette incorporation devant alors être réalisée après l’unité d’extrusion au niveau des buses de dépose. La plateforme Lascala a été développée de mai 2017 à octobre 2018, projet soutenu par la région Hauts-de-France et cofinancé par l’Union européenne (Feder), sur la base de ces choix technologiques. Elle est aujourd’hui complètement fonctionnelle.

Technologie de dépose

Sur la base d’un cahier des charges défini par IMT Lille Douai, la tête de dépose a été dessinée et fabriquée par la société Zero-D. La tête de dépose a été pensée dès le départ pour permettre l’utilisation de deux matières différentes, et dispose donc de deux unités d’extrusion raccordées par un bloc de distribution supportant les deux buses. Le choix d’une tête bimatière est guidé par la volonté de pouvoir fabriquer des pièces assemblant plusieurs matières, mais aussi par la possibilité d’utiliser une matière support pour la fabrication de pièces de géométrie complexe. Ce choix est toutefois une contrainte dans la mesure où la tête doit rester compacte et légère pour pouvoir être embarquée sur le robot. La difficulté dans la conception est donc surtout liée à la nécessité de limiter le poids et l’encombrement de la tête de dépose. Dans ce but, les deux extrudeuses monovis utilisées ont un rapport L/D de 11. Le design des vis a ainsi dû être optimisé afin de permettre une plastification satisfaisante de la matière sur l’ensemble de la gamme de vitesse de rotation des vis (0-180 tour/min). De plus, afin de pouvoir couvrir une large gamme de débit, deux types d’unité d’extrusion ont été développés. La première équipée d’une vis de 14 mm de diamètre permet des débits de 0,1 à 1 kg/h. La deuxième, d’une vis de 22 mm, des débits de 0,5 à 5 kg/h. Le bloc de distribution sur lequel sont raccordées les deux extrudeuses sert également de point de fixation de la tête de dépose sur le robot. Deux canaux amènent la matière fondue depuis les extrudeuses jusqu’aux buses. Celles-ci sont fixées sur la surface inférieure du bloc de distribution. Fixées sur le bloc par des vis, les buses peuvent être changées facilement et rapidement afin de moduler la géométrie de cordon de matière déposé.

Pour faciliter la mise en place de la plateforme, des buses cylindriques ont été fabriquées afin de pouvoir déposer la matière sous forme de filament de matière fondu. Dans cette géométrie, la matière est déposée de manière et avec une géométrie identique à ce qui est utilisé dans les imprimantes 3D. Le filament fondu s’écoule d’abord à la verticale pour finalement ,sous l’effet du déplacement de la buse, «  s’allonger  » pour former la couche horizontale. Cette approche a le mérite de la simplicité, elle n’a pas de sens de dépose. La tête peut donc se déplacer à 360°, le filament se déposera dans des conditions identiques dans toutes les directions. Cependant, la dépose de filaments de section cylindrique n’est pas optimale. En effet, le contact entre deux couches successives est un point ce qui ne favorise pas l’adhésion entre les couches. Par ailleurs, l’empilement de cylindres conduit inévitablement à la formation de porosité. Ces points peuvent être en partie corrigés en appliquant une légère pression avec la tête au moment de la dépose du filament fondu. La pression appliquée écrase la matière améliorant ainsi le contact et limitant la porosité. Afin de limiter ces problèmes, des buses spécifiques ont été développées. Celles-ci ont une section rectangulaire et sont conçues pour déposer un ruban. De cette manière, le contact entre deux couches successives est une surface, ce qui favorise l’adhésion. Par ailleurs, la surface externe du cordon de matière fondue étant un plan, la rugosité de la pièce est réduite. Les buses rectangulaires, d’un facteur de forme (rapport longueur sur largeur) de 10 à 20, ont été dessinées pour déposer la matière soit à la verticale soit à l’horizontale. La dépose à l’horizontale est avantageuse sur plusieurs points. L’écoulement de la matière se fait dans le prolongement direct de la buse sans perturbation, ce qui permet de préserver au maximum la géométrie du cordon. D’autre part, l’incorporation d’une fibre continue est facilitée dans ces conditions. En effet, la fibre est introduite parallèlement à la couche, évitant ainsi qu’elle soit pliée à 90° au moment de la dépose comme cela est le cas lorsque la matière est déposée à la verticale. Ceci permet d’éviter d’endommager la fibre au moment de la dépose.

Pour la dépose de fibres continues, cette approche constitue un avantage non négligeable, en particulier dans le cas de l’introduction de fibres rigides. Cependant, elle est plus complexe à mettre en œuvre. En effet, la matière s’écoulant sur le côté de la buse, celle-ci a donc un sens de dépose. Pour pouvoir déposer la matière dans toutes les directions du plan de dépose, il devient nécessaire d’appliquer une rotation à la buse afin de la positionner dans la direction de dépose. Un outillage spécifique a été développé afin de pouvoir assurer la rotation de la buse au cours de la fabrication. L’inconvénient est que cet outillage nécessite le pilotage d’un axe de rotation supplémentaire. Afin d’éviter cette contrainte, des buses rectangulaires à dépose verticale ont également été dessinées. Finalement, une buse spécifique a été développée afin de déposer un cordon de matière coextrudée. L’objectif est de déposer un filament bimatière. Le cœur de ce filament est constitué d’une matière et la peau de l’autre. Cette approche offre des perspectives intéressantes telle que par exemple l’utilisation en peau d’une matière favorisant l’adhésion entre les couches ou encore l’utilisation d’un cœur à structure cellulaire.

Environnement de fabrication

Au-delà de la tête de dépose et du robot associé, la fabrication additive de pièces de grandes tailles pose plusieurs problèmes en terme d’environnement de fabrication. La fabrication des pièces nécessite de disposer d’une table de fabrication aux dimensions adaptées. Comme évoqué précédemment, du fait des dimensions du filament de matière fondue déposé (plusieurs millimètres), une précision de l’ordre du dixième de millimètre est suffisante. Cependant, sa taille (6 m x 2 m) rend la fabrication d’un tel support délicate. Le choix s’est porté sur un marbre de 25 cm d’épaisseur fourni par la société Microplan qui permet d’assurer la précision et la stabilité souhaitées. L’adhésion de la première couche de matière sur le marbre étant souvent délicate, un film spécifique y est appliqué afin de favoriser l’accroche. L’utilisation de plaques texturées est également en cours d’étude pour optimiser l’accroche des pièces au cours de la fabrication. Une des difficultés posées par la fabrication des pièces de grande taille, concerne la gestion de la température de l’environnement de fabrication. En effet, il est difficile, voire impossible, de précisément contrôler la température dans des volumes dépassant 10 m3. De plus, la plupart des robots et portiques ne sont pas conçus pour supporter des températures supérieures à 50-60 °C. Ce point est un verrou important car la température contrôle directement la vitesse de refroidissement du polymère fondu et la cinétique de solidification du matériau. Celle-ci a par exemple un impact important sur le gauchissement qui peut rendre impossible la fabrication de la pièce. Par ailleurs, la pièce finale peu présenter une géométrie différente de celle attendue en raison du gauchissement. Pour remédier en partie à cette difficulté, des développements sont en cours afin de contrôler localement la température de la zone de dépôt plutôt que de tout l’espace de fabrication. L’objectif est à la fois de fondre en surface la couche inférieure juste avant la dépose de la matière fondue de manière à favoriser l’adhésion, mais également de contrôler le refroidissement de la couche. En effet, l’épaisseur millimétrique de la couche fait que le cœur se refroidit lentement, ce qui peut devenir problématique. En effet si la chaleur n’est pas évacuée, la matière déposée reste à l’état fondu et peut fluer, d’où l’apparition de défauts géométriques voire une instabilité de la structure en cours de fabrication.

Pilotage de la plateforme

Le pilotage logiciel de la plateforme a été développé spécifiquement par la société Aquarese dont l’une des activités est le développement de solutions de découpe et décapage jet d’eau robotisées. Le logiciel développé permet à la fois de contrôler l’outillage (par exemple température, débit matière…) et le robot pour permettre la fabrication de la pièce. À partir de la pièce dessinée en 3D à l’aide d’un logiciel de CAO, celle-ci est tranchée grâce à différents slicers open source qui permettent de générer un parcours d’outil au format Gcode. Le logiciel développé pour la plateforme assure la traduction en langage robot grâce à un postprocesseur spécifique. Cette solution logicielle complète, s’appuie sur des briques logicielles existantes et permet simplement de fabriquer des pièces par addition de couches horizontales. Afin de pouvoir faire évoluer la plateforme, il sera nécessaire de faire évoluer la solution logicielle. Différents points sont en cours de développement afin d’améliorer le fonctionnement de la plateforme. Tout d’abord, un système de contrôle in-situ est en train d’être mis en place. L’objectif est de faciliter l’optimisation du procédé en enregistrant en temps réel l’évolution géométrique de la couche. À terme, cela permettra de détecter la formation de défauts. Il sera toutefois pour cela nécessaire de faire évoluer matériellement le système de contrôle de la plateforme vers des solutions similaires à celles aujourd’hui utilisées sur les machines d’usinage à commandes numériques modernes. D’autre part, pour tirer parti du potentiel du robot utilisé, il sera intéressant d’envisager la dépose de couches non plus planes, mais courbes. Cette approche est toutefois plus délicate à mettre en œuvre. Une des options choisies pour avancer dans ce sens, consiste à s’appuyer sur la suite logicielle NX Additive Manufacturing de Siemens qui prévoit d’ores et déjà ce type de parcours de fabrication.

Et demain ?

Avec la plateforme Lascala, IMT Lille Douai dispose d’un outil original pour la fabrication de pièces polymères et composites de grandes tailles. Après cette phase de mise en place vient une phase au cours de laquelle, en partenariat avec des acteurs industriels, des projets de R&D sont lancés afin d’évaluer la capacité de cet équipement à répondre à des problématiques industrielles sur la fabrication de prototypes, d’outillages voire la production de pièce, ou encore la fonctionnalisation de pièces par surimpression 3D. En parallèle, le développement est poursuivi pour tendre vers une fabrication additive plus intelligente.

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