Imprimez, découpez ou utilisez le meilleur des deux ?

Jul 26, 2023

L'ingénierie de fabrication a couvert pour la dernière fois en détail les avantages et les inconvénients de la combinaison de l'usinage additif et soustractif en juillet 2017. La motivation de base reste la même : quelle que soit l'approche additive que vous utilisez, la production d'une pièce satisfaisante nécessite presque toujours un usinage de suivi. Et bien qu'il reste des situations dans lesquelles il est plus logique d'utiliser une fraiseuse ou un tour séparé pour ce post-traitement, une machine hybride coûte moins cher que plusieurs machines, prend moins de place, nécessite moins de programmation et réduit la manipulation et le travail en cours. De plus, un hybride vous donne la possibilité d'inspecter et d'usiner les éléments intérieurs au fur et à mesure que vous les construisez. Mais nous savions tout cela il y a trois ans. Qu'est-ce qui a changé ?

Une avancée passionnante dans les hybrides est la capacité de combiner des matériaux, créant ainsi des alliages spécialisés ou des zones de transition. Par exemple, les machines de la série LASERTEC de DMG Mori USA, Hoffman Estates, Illinois, ont des doseurs de poudre jumeaux qui peuvent déposer deux matériaux différents tout au long de la construction, en mesurant précisément le débit. Comme l'a expliqué Nils Niemeyer, responsable des ventes et du service pour la division de fabrication additive de l'entreprise, "les matériaux à gradation fonctionnelle font l'objet de discussions dans le milieu universitaire depuis un certain temps, mais nous les avons commercialisés. Par exemple, vous pouvez utiliser 100 % d'acier à outils dans une zone de la pièce, puis s'il y a un besoin pour une zone de dureté plus élevée, mélangez de l'acier rapide. Couche par couche, le processus passe d'un matériau à l'autre jusqu'à ce qu'il y ait peut-être 100 % d'acier rapide et 0 % d'outil acier." Dans le passé, a-t-il ajouté, les opérateurs devaient écrire manuellement le code NC pour que les doseurs de poudre modifient leur alimentation dans chaque couche. Mais DMG Mori et Siemens se sont associés pour ajouter une fonctionnalité au logiciel Siemens NX qui permet à l'utilisateur de programmer une courbe de transition transparente.

Niemeyer offrait un autre avantage à la capacité de contrôler la transition entre les matériaux : les méthodes conventionnelles de rechargement dur d'une pièce créent une augmentation des contraintes dans la zone située entre le matériau dur et le matériau mou. "Mais maintenant, parce que nous avons la capacité de le classer facilement, nous pouvons créer une ou deux couches de transition, avec une transition en douceur du matériau souple au matériau dur. Tout à coup, vous diminuez cette augmentation de stress."

Il a admis que, comme il s'agit toujours d'une technologie perturbatrice, les cas d'utilisation des matériaux gradués (y compris la gradation du comportement magnétique) sont toujours à l'étude. Une réussite concrète est celle d'un fabricant de roulements à rouleaux qui a travaillé avec DMG Mori pour construire des cages de roulement avec différents degrés de dureté. Plus précisément, une cage a une rigidité et une dureté très élevées le long de la ligne parcourue par le roulement, mais se fond dans un matériau moins rigide et plus ductile sur le côté pour mieux absorber les chocs.

Tout comme en 2017, les machines hybrides se justifient plus facilement pour la réparation et la modification de pièces existantes. Mais alors que l'activité de réparation des aubes de turbine semblait être le marché le plus important à l'époque, Niemeyer a déclaré que la fabrication de moules et d'outils avait désormais un potentiel beaucoup plus important. D'une part, a-t-il observé, les géométries des aubes de turbine sont plus simples "et il existe des applications de niche très spécialisées pour les réparer". Il existe une énorme variation géométrique entre les outils et les moules et "aucun processus spécialisé. L'industrie les répare manuellement et la qualité de la soudure n'est pas constante".

Par exemple, Bodine Aluminium, Troy, Mo., utilise l'hybride LASERTEC 65 3D pour réparer des moules en aluminium moulé sous pression et a triplé la durée de vie d'une matrice réparée par rapport au processus manuel, équivalant à la durée de vie d'un nouvel outil. De plus, ces réparations sont plus rapides que la méthode conventionnelle et généralement correctes du premier coup. Le processus de réparation d'un moule en aluminium moulé sous pression chez Friedrich Deutsch Metallwerk GmbH, Innsbruck, Autriche, impliquait deux heures de préchauffage, huit heures de soudage manuel, deux heures de refroidissement et 30 minutes de fraisage. Les quatre étapes du processus se sont étalées sur deux jours. La réparation d'un LASERTEC 65 3D nécessite une configuration, avec une heure de programmation et deux heures de dépôt et d'usinage au laser, soit un gain de temps de 80 %.

Jason Jones, PhD, co-fondateur et PDG de Hybrid Manufacturing Technologies, McKinney, Texas, a fait écho à l'évaluation de Niemeyer selon laquelle la réparation de moules et de matrices est désormais une grande entreprise. En 2017, ME a signalé que la technique de fusion sur lit de poudre (PBF) était meilleure que le dépôt d'énergie dirigée (DED) pour les applications de moules, en raison de la densité de pièces plus élevée du PBF. Mais Niemeyer et

Jones a déclaré que leurs systèmes DED atteignent les densités de pièces nécessaires supérieures à 99 % (selon le matériau et les paramètres). Jones a ajouté que la capacité de mélanger des matériaux discrets est inhérente au processus DED alimenté en poudre et ne doit pas être limitée à deux, en disant "parce que nous pouvons faire varier la poudre qui s'écoule à travers les buses à la volée, cela pourrait être n'importe quel nombre de matériaux "et que toute configuration de machine donnée pourrait inclure deux, trois, quatre ou même plus d'approvisionnements en poudre.

Hybrid ne construit pas de machines CNC. Il propose une sélection de têtes DED interchangeables (de marque AMBIT) qui s'adaptent à n'importe quelle broche de machine-outil standard. La société s'est associée à des utilisateurs finaux qui souhaitent ajouter la capacité AM à leurs machines et à des équipementiers de machines-outils qui souhaitent offrir cette capacité. Cette dernière catégorie est passée à 10 entreprises au cours des dernières années, dont Haas Automation, Mazak, Hurco, Sugino, Georg Fischer, ELB et ROMI.

Un autre changement depuis 2017 est une augmentation de la gamme de tailles de perles possibles. Les têtes AMBIT passent désormais de 0,5 à 6 mm (~0,02 à 0,24"), et Jones a souligné que le volume de construction augmente du carré du changement de largeur.

Dans certains cas, la possibilité de mélanger et de personnaliser les matériaux fait des machines hybrides la solution idéale pour la création de nouvelles pièces également. Par exemple, a déclaré Jones, certains clients "ne veulent pas seulement réparer des moules. Ils veulent fabriquer des moules meilleurs que neufs. Ils ont l'habitude de fabriquer des moules à partir d'un seul matériau et vous pouvez désormais utiliser plusieurs matériaux".

Jones a déclaré avoir vu de nombreux cas de constructeurs de moules utilisant la technologie pour ajouter un revêtement dur le long de bords complexes, "comme la ligne de séparation ou d'autres zones d'usure. Et lorsqu'un matériau haute performance est appliqué localement sur ces zones, il peut souvent doubler ou tripler la durée de vie du moule. "

Niemeyer a évoqué une étude de cas dans laquelle un client construit des moules moulés sous pression avec de l'acier à outils sur un noyau en bronze. La meilleure conductivité thermique du noyau améliore les performances de refroidissement du moule d'environ 20 % sans dégrader la durée de vie du moule, ce qui augmente le débit.

Niemeyer a déclaré que l'industrie spatiale manifestait également un intérêt accru pour les machines hybrides, en partie en raison des coûts des matériaux. "Prenez l'Inconel. C'est difficile à usiner. Ainsi, au lieu d'usiner beaucoup de matériau à partir de billettes, vous pouvez produire une forme presque nette et ne finir que la surface là où c'est nécessaire." Les alliages de cuivre utilisés dans les engins spatiaux sont un autre bon exemple, a-t-il ajouté, et ils sont parfois combinés avec de l'Inconel, comme les tuyères de fusée avec un revêtement en Inconel sur du cuivre.

"Le délai de livraison de ces tuyères de fusée peut être de neuf mois", a expliqué Niemeyer. "Si vous êtes soudainement capable de construire une tuyère en quatre semaines, cela permet [aux ingénieurs] d'améliorer la conception de cette tuyère de fusée. Cela se traduit par une productivité et une efficacité accrues de la tuyère. Vous ne verrez pas d'économies de coûts dans l'usinage, mais vous verrez une efficacité accrue des pièces, ce qui conduit finalement à une réduction des coûts dans le cycle de vie. " Niemeyer soutient que l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement doit être pris en compte pour décider si une machine hybride est un investissement judicieux. "Isoler les coûts des machines ne suffit pas. Vous devez regarder de bout en bout et prendre en compte des éléments tels que les longs délais d'importation des pièces."

Un ajout aux dernières offres d'Hybrid Manufacturing est l'impression de polymères et de composites polymères. Comme l'a dit Jones, chaque processus additif doit faire un choix fondamental entre le taux de dépôt volumétrique et la fidélité de la surface au modèle réel, et les machines hybrides sont conçues pour résoudre ce problème. Mais bien que le côté plastique de la FA ait tout, des "machines de bureau aux machines à l'échelle de la pièce pour l'extrusion de polymères qui peuvent littéralement imprimer une voiture", il n'y avait pas de solutions hybrides efficaces. L'équipe de Jones a créé une solution de tête et de contrôle qui dépose "entre 200 et 2 000 fois plus rapidement que les machines d'extrusion de polymères typiques. Elle prend ce qui se trouve actuellement sur une machine de bureau et l'adapte pour l'adapter à une broche de machine CNC ou à un robot". Cela signifie l'impression rapide de pièces à l'échelle du mètre et la finition de surface avec un usinage conventionnel.

Une application clé est la création de gabarits et de fixations autour ou dans une pièce métallique. "Supposons que vous usiniez une pièce haute et fine et qui a tendance à claquer ou à vibrer", a déclaré Jones. "Normalement, il serait fixé avec quelque chose de dur, de solide et de rigide et il y aurait des inquiétudes quant au fait que les fraises se heurtent à cela. Au lieu de cela, nous pouvons imprimer du polymère autour de la pièce pour réduire les vibrations et ne pas nous soucier que la fraise s'y heurte. Nous fabriquons un composant sacrificiel que nous avons l'intention de faire fraiser." Jones a ajouté que les aubes de turbine et les disques aubagés sont idéaux pour cette approche.

Les options de fabrication de pièces plus grandes sont un autre changement récent dans l'univers des machines hybrides. La nouvelle LASERTEC 125 3D Hybrid de DMG Mori a un volume de fabrication de 49 × 29" (1 244 × 737 mm) et une charge de table maximale de 4 409 lb (2 000 kg), tandis que la LASERTEC 6600 3D Hybrid gère des pièces jusqu'à 41" (1 050 mm) de diamètre et jusqu'à 19,7' (6 m) entre centres.

Hybrid Manufacturing a participé au projet Open Hybrid de l'Union européenne (UE) et s'est associé au fabricant allemand de portiques Güdel pour créer ce que Jones a décrit comme une "machine à l'échelle de la pièce. Nous avons travaillé sur des pièces moulées de composants de pompe Weir de plusieurs mètres de diamètre".

Hybrid a également développé un système de dépôt alimenté par fil pour cette entreprise, par opposition à son système habituel alimenté par poudre. Jones a déclaré que le fil est souhaitable, en particulier dans les grands formats de machine, car il peut coûter moins cher que la matière première en poudre et est plus sûr. "Avec le fil, il n'y a pas de poudres que vous devez vous soucier de respirer, aucune possibilité d'explosion à partir de matériaux réactifs comme le titane ou l'aluminium", a-t-il déclaré.

Pas assez grand? Parlez aux gens de la Fédération européenne du soudage, de l'assemblage et du découpage (EWF), Porto Salvo, Portugal. Ils ont dirigé le projet LASIMM (Large Additive and Subtractive Modular Machine) de l'UE sur trois ans et d'une valeur de 4 millions d'euros (4,5 millions de dollars). Conclu en 2019 et en cours de commercialisation, LASIMM a combiné les efforts de constructeurs de machines-outils, d'institutions universitaires et d'utilisateurs finaux pour créer un concept de machine d'une taille presque illimitée.

Comme le Dr Eng. Eurico Assunção, directeur adjoint d'EWF, a expliqué que la partie AM s'appuie sur une méthode DED exclusive de fil et d'arc (WAAM) développée par l'Université de Cranfield et capable de taux de dépôt allant jusqu'à 8,8 lb (4 kg) de métal par heure. "C'est un transfert de métal à froid, qui est un procédé MIG/MAG", a ajouté Assunção. "Mais selon l'application, nous pouvons également fournir un procédé plasma." L'effort a également validé la capacité de fournir un blindage local tout au long de la construction pour permettre le dépôt de matériaux réactifs comme le titane. La liste des métaux viables s'étend de divers aciers à l'inconel, à l'aluminium, au titane, au tungstène, au molybdène, au bronze, au cuivre et autres.

La fonction soustractive est gérée par un module LOXIN Tricept. Faisant désormais partie du groupe Aritex, LOXIN l'appelle une machine à cinématique parallèle (PKM) car elle est basée sur un trépied de trois actionneurs mobiles parallèles qui se rejoignent à l'extrémité d'un tube coulissant central. Une tête et un poignet rotatifs à l'extrémité amènent l'unité jusqu'à une interpolation sur cinq axes. « Le module Tricept combine une dynamique extrême, une rigidité élevée et une très longue portée. En fait, il est suffisamment rigide pour permettre le laminage à froid et le grenaillage à haute pression afin d'affiner la microstructure du métal », a déclaré Assunção. De plus, l'unité Tricept peut utiliser une tête interchangeable pour basculer entre l'usinage et le WAAM ou le soudage au plasma AM.

David Barbosa, chef de projet pour EWF, a ajouté que "la longue portée du PKM permet l'espace nécessaire pour des robots séparés pour l'usinage additif et soustractif. Et les nombreux degrés de liberté du PKM permettent d'atteindre différents points avec la bonne rigidité et précision pour l'usinage soustractif".

La machine de démonstration LASIMM construite à LOXIN comprend deux robots FANUC articulés géants sur un ensemble de rails (tous conçus par Global Robots), une unité PKM Tricept sur une colonne mobile (parallèle aux rails du robot) et un rotateur partiel avec deux colonnes et des entraînements synchronisés situés entre les robots et le PKM. Les robots sont chacun équipés de têtes WAAM et le PKM est configuré comme décrit précédemment.

Cependant, ce n'est qu'une configuration possible. L'équipe LASIMM envisage des chaînes de montage encore plus longues avec plusieurs ensembles de rotateurs de pièces et des systèmes géants avec huit robots ou plus sur deux ensembles de rails, ainsi que l'unité PKM sur un portique aérien se déplaçant le long de la ligne. "Le projet nous a appris qu'une architecture de machine ne répond pas à tous les besoins", a déclaré Assunção. "La machine est modulaire, nous pouvons donc ajouter et supprimer des robots ou des fonctionnalités. LOXIN est spécialisé dans ces systèmes intégrés, nous sommes donc prêts à créer des solutions sur mesure."

Barbosa a déclaré qu'EWF et Autodesk ont ​​développé un logiciel qui exploite les fonctions additives et soustractives à partir d'une seule interface utilisateur. "Le logiciel comprend un modèle numérique de la machine. Vous configurez la pièce sur un ordinateur et le post-processeur crée un fichier pour contrôler la machine. Fondamentalement, c'est PowerMill plus le LASIMM", a-t-il déclaré.

Quelle est l'analyse de rentabilisation d'un LASIMM ? Assunção a déclaré que cela dépendait de la géométrie de la pièce. Et comme pour les petites machines, une justification clé pourrait être de savoir s'il est nécessaire d'usiner des fonctionnalités lors de la construction d'une pièce. Un autre pourrait être le volume et le débit partiels. Dit Barbosa, "BAE Systems était l'un des utilisateurs finaux du consortium. Ils voulaient réduire le temps et le coût de fabrication de leurs produits, y compris des choses comme les grands longerons d'aile, et ils voulaient la capacité de produire des pièces à la demande, sur mesure pour une application spécifique. L'hybride est la meilleure approche pour les deux objectifs."

Les fournisseurs d'usinage hybride ont également amélioré la capacité de surveiller et de maintenir la qualité des pièces. Niemeyer a déclaré que les machines de DMG Mori incluent un capteur qui suit la distance entre la buse et la pièce et avertit l'opérateur si un réglage est nécessaire. Des algorithmes intégrés détectent également l'adhérence potentielle de la buse. L'alimentation en poudre est automatisée et surveillée pour assurer un débit constant. Les machines surveillent la température ambiante ainsi que la température de la pièce, de la table de travail, de la broche et de l'équipement à l'intérieur de la machine. "Nous avons pris ce que nous avons appris au cours des sept dernières années et l'avons intégré dans un logiciel et un kit de capteurs", a-t-il déclaré.

Jones de Hybrid Manufacturing va encore plus loin et soutient que l'usinage hybride offre l'opportunité sous-utilisée de valider à la fois la géométrie de la pièce et la microstructure in situ. Dans les CNC traditionnels, la microstructure des pièces est principalement déterminée par l'aciérie. "Du point de vue de la découpe CNC traditionnelle, vous n'influencez vraiment [puis mesurez] que les 10 ou 15 microns extérieurs de la surface de la pièce", a-t-il déclaré. En FA, la machine crée à la fois la forme de la pièce et la microstructure au fur et à mesure de sa fabrication. Ainsi, l'un des objectifs de la fabrication hybride est d'inspecter la densité des pièces dans la machine, à la fois en cours de fabrication et après l'achèvement. Pour ce faire, il utilise une sonde à courants de Foucault, qui crée un champ électrique et mesure la conductivité à travers le matériau.

"La tête ne fait qu'effleurer la surface", a déclaré Jones. "Là où des fissures ou des vides existent, il n'y a pas de chemin continu pour que les électrons circulent, ils doivent donc faire le tour, et le système le mesure." Pour un moule typique, le processus prend 20 à 30 secondes contre 20 à 30 minutes pour un test de ressuage conventionnel.

Les machines additives nécessitent de nouvelles considérations et procédures de sécurité. Les machines LASER EX d'Okuma - une combinaison d'un centre d'usinage Okuma standard à cinq axes (série MU) ou d'une machine multitâche à cinq axes (série MULTUS) intègrent un laser Trumpf pour le dépôt de métal au laser. En plus des considérations de sécurité laser standard fournies par Trumpf, Okuma a créé la liste de contrôle de sécurité suivante :

Administratif

EPI (Equipement de Protection Individuelle)

Équipement

—Michael Lail, responsable de la conformité AQ, Okuma America Corp.

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