Le meilleur de deux mondes

Pour produire en masse des pièces identiques, il n'y a pas de meilleure technique que les procédés d'injection. En revanche, pour produire un prototype ou des pièces personnalisées, l'impression 3D est la solution la plus rapide. Pour tous les besoins à mi-chemin entre ces deux types de fabrication, des compromis paraissent nécessaires. Qu'en est-il réellement ?

Les besoins de fabrication à mi-chemin entre la production de masse et le prototypage renferment un potentiel encore inexploré. Ni l'injection plastique, ni les technologies d'impression 3D existantes n'y répondent sans générer des coûts prohibitifs. "Les petites séries ne peuvent pas compenser le coût des moules d'injection," explique Steve Chillscyzn, CEO d'Evolve Additive Solutions, "et les imprimantes 3D conventionnelles sont trop lentes pour permettre une fabrication en série rentable."

En 2017, Evolve s'est lancé l'objectif de combler cette lacune. Après des années de développement, la start-up du Minnesota est parvenue à mettre au point une solution de fabrication additive suffisament rapide pour des fabrications en série. Pour réaliser ses premiers systèmes commercialisables, Evolve s'est mis en quête d'un partenaire fiable dans le domaine de l'automatisation de machines. Son choix s'est porté sur Hartfiel Automation, un société d'ingénierie et de distribution partenaire de B&R et basée à Minneapolis.

La plateforme ainsi créée par Evolve est appelée "SVP" (scalable volume production). Elle met en œuvre un procédé additif révolutionnaire d'Evolve appelé "STEP" (selective thermoplastic electrophotographic process). Le principe de ce procédé est simple : la matière est déposée couche par couche puis fondue, formant ainsi une pièce tridimensionnelle et fonctionnelle.

Le procédé STEP commence par un procédé d'impression 2D bien connu : l'électrophotographie. Celui-ci utilise des matières thermoplastiques (ABS et Nylon, par exemple) qui sont micronisées en particules fines via un procédé maison. Evolve emploie des techniques éprouvées avec des matières bien connues, mais les combine de manière inédite. Cette combinaison confère à la plateforme SVP la rapidité nécessaire pour introduire la flexibilité de la fabrication additive en production et réduire les temps de fabrication.

La plateforme doit non seulement fournir de la quantité, mais aussi de la qualité, sans quoi les pièces fabriquées ne sont plus fonctionnelles. "Nos clients sont exigeants quant à la qualité des pièces ainsi fabriquées. Nous devions disposer d'une solution de contrôle assurant un positionnement et un timing très précis pour l'alignement et la fusion des couches," explique John Lees, Vice President Engineering chez Evolve. "Nous avons obtenu cette fiabilité et cette répétabilité grâce à notre collaboration avec Hartfiel et B&R."

Les étapes d'alignement et de fusion mobilisent en tout six servo-axes : deux pour le contrôle de la vitesse et de la tension de la courroie de transfert, et deux pour les mouvements horizontaux et verticaux des plaques de construction. "La précision du positionnement et du timing sont critiques pour le processus d'empilement," rapporte Scott Albrecht, Vice President Control Technologies chez Hartfiel. "Les servovariateurs ACOPOS P3 de B&R permettent des déclenchements à la microseconde près et compensent les ondulations de couple. Ceci nous a permis d'obtenir d'excellents résultats."

De même que l'injection, l'impression 3D nécessite également un contrôle précis des cycles de température et de pression pour produire en permanence des pièces de grande qualité. "Un Automation PC 3100 de B&R se charge de coordonner les tâches complexes de contrôle de mouvement et de température. Il offre toute la puissance de calcul nécessaire tout en occupant très peu d'espace dans l'armoire électrique," souligne S. Albrecht.

Un scanner scrute la surface de chaque couche imprimée. Les irrégularités ainsi détectées sont ensuite compensées par des dépôts supplémentaires de matière lors de l'impression de la couche suivante. La pièce présente ainsi des propriétés homogènes dans toutes les directions. "Nous atteignons une rugosité moyenne de seulement cinq microns," indique J. Lees. "Pour obtenir une surface aussi lisse, il faut normalement un traitement additionnel qui consiste à projeter du sable sous pression. La solution de contrôle que nous avons mise en œuvre avec Hartfiel et B&R rend tout post-traitement inutile."

Après avoir développé deux versions précédentes de sa plateforme avec d'autres systèmes de contrôle, Evolve s'est tourné vers Hartfiel en 2020 pour la fabrication de son premier système commercial. "Cette décision tient sont non seulement à des raisons techniques, mais aussi à la confiance qu'ils nous ont inspirée," explique S. Chillscyzn. "Leur implication en matière d'ingénierie ainsi que la vision qu'ont B&R et Hartfiel de la fabrication additive et de son développement ont été déterminantes."

Les ingénieurs de Hartfiel et Evolve ont travaillé ensemble pendant des mois pour mettre au point les moteurs linéaires, mettre en œuvre le contrôle de vitesse et de tension de la courroie, et synchroniser les mouvements de la plaque de construction. Hartfiel a même fourni un schéma électrique complet ainsi qu'un plan d'armoire électrique et s'est chargé de la certification UL. "Ils ont été à nos côtés du début à la fin du projet et aujourd'hui, nous pouvons encore compter sur leur support pour des mises à niveau et des adapatations."

"Des expériences comme celle-ci nous montrent que la voie à suivre est celle du partenariat," souligne Patrick McDermott, président de B&R North America. "Nous sommes toujours à la recherche de partenaires qui partagent notre passion des défis techniques. Pouvoir proposer des produits de grande qualité est bien sûr un atout. Mais comme le montre la coopération avec Hartfiel et Evolve, c'est aussi un atout de taille de disposer d'équipes dont le potentiel permet d'accomplir des choses que personne n'a réalisées auparavant."

Le potentiel technologique a également joué un rôle dans le choix du fournisseur. "Nous avons vu que nous pourrions aller encore plus loin avec B&R dans le futur," note J. Lees, faisant ainsi allusion à la solution de vision B&R utilisée pour optimiser l'alignement des couches empilées. "Avec des partenaires comme Hartfiel et B&R, nous faisons entrer la fabrication additive dans une nouvelle ère. Une ère où la technologie continuera de faire de grands bonds en avant."