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La fabrication additive (AM), également connue sous le nom d’impression 3D, est un procédé permettant de construire des structures complexes couche par couche. Elle permet de construire rapidement et en économisant les ressources des géométries qui ne pouvaient auparavant être visualisées que sous forme de modèles 3D, et représente donc une alternative aux processus soustractifs traditionnels. Même si l’AM jouera un rôle central dans l’industrie 5.0, elle doit faire face à des écarts de fabrication considérables tels qu’une rugosité de surface élevée, la porosité, les effets de rétrécissement et les erreurs d’adhésion des couches. Le contrôle des processus, où l’analyse thermique joue un rôle clé, est l’un des moyens de s’attaquer à ces problèmes. En raison de la complexité et de la dynamique du processus de fabrication, une connaissance précise des propriétés thermiques telles que la conductivité thermique, la capacité calorifique et la stabilité thermique du matériau est cruciale pour un traitement réussi et sans défaut.
Principaux procédés de fabrication additive
Le flux de travail de l’AM commence par un modèle 3D numérique basé sur la CAO, qui est généralement traité dans le format de données de stéréolithographie stl. Ce modèle est découpé en couches, que l’imprimante 3D construit une à une à l’aide de diverses techniques, notamment :
- Fusion sur lit de poudre (PBF): Des techniques telles que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d’électrons (EBM) permettent de faire fondre des matériaux en poudre pour former des couches solides.
- Extrusion de matériaux (ME) : Par exemple, la modélisation par dépôt de matière fondue (FDM) où des filaments thermoplastiques sont fondus et déposés couche par couche.
- Jet de liant (BJ) : Un liant liquide relie des couches de matériau en poudre.
- Jet de matériau: Des gouttes de matériau liquide sont durcies couche par couche.
- Photopolymérisation (PP) : Stéréolithographie (SLA) Une résine photopolymère est durcie à l’aide d’une source lumineuse.
- Lamination de feuilles (SL) : De fines couches de matériau (métal ou papier, par exemple) sont découpées et collées ou soudées ensemble.
Ces méthodes varient en termes de vitesse, de compatibilité avec les matériaux et d’application, ce qui les rend adaptées à différents secteurs et cas d’utilisation.
Propriétés thermiques et leur importance dans l'AM
Les propriétés thermiques des matériaux sont cruciales pour la réussite des processus d’AM. Par exemple, la conductivité et la capacité thermiques de la poudre ont une influence directe sur l’apport d’énergie dans les processus basés sur le laser tels que le SLM. La connaissance des dépendances des propriétés thermiques par rapport à la température permet une gestion thermique appropriée et un meilleur contrôle du bain de fusion, et donc une meilleure gestion des défauts. Les techniques avancées d’analyse thermique permettent une caractérisation précise des matériaux dans les conditions du procédé et aident les fabricants à sélectionner les bons matériaux et à optimiser les paramètres du procédé.
Matériaux dans la fabrication additive
AM s'adapte à une large gamme de matériaux, y compris :
- Polymères: Les représentants typiques sont le PLA (ME), le PA12 (PBF), la résine époxy (PP), le PMMA (BJ), les photopolymères liquides (MJ), le PVC (SL).
- Les métaux: Les alliages métalliques composés d’aluminium, d’alliages de titane médicalement compatibles tels que le Ti64 et d’acier inoxydable sont utilisés dans l’industrie et dans l’aérospatiale.
- Les céramiques: Les matériaux tels que la zircone et l’alumine sont idéaux pour les composants bioactifs et à haute température.
- Biomatériaux: Les hydrogels et le collagène ouvrent la voie à des percées dans les applications médicales.
- Composites: Les polymères avancés renforcés de fibres gagnent en popularité pour les applications structurelles.
Jusqu’à présent, le degré élevé de liberté du processus additif a été limité par la disponibilité restreinte des matériaux. En incorporant des charges et des additifs, on tente d’élargir constamment la gamme de produits et de développer de nouvelles applications qui nécessitent des analyses thermiques plus poussées des mélanges de matériaux partiellement nouveaux.
Applications dans tous les secteurs d'activité
La polyvalence de l'AM s'étend à tous les secteurs, de l'aérospatiale à l'automobile en passant par les soins de santé et la construction. Par exemple :
- Aérospatiale: Les géométries légères et complexes améliorent le rendement énergétique et les performances.
- Soins de santé: Les implants et les prothèses sur mesure améliorent les résultats pour les patients.
- Construction: L’impression 3D à grande échelle du béton révolutionne les pratiques de construction durable.
L’analyse thermique permet de s’assurer que ces applications répondent à des exigences rigoureuses, telles que le fonctionnement à des températures extrêmes ou sous contrainte mécanique.
Avantages et potentiel futur
L'AM offre plusieurs avantages par rapport à la fabrication traditionnelle :
- Géométries complexes: Permet des conceptions complexes impossibles à réaliser avec les méthodes conventionnelles.
- Prototypage rapide: Création rapide de prototypes à partir de modèles 3D
- Efficacité matérielle: Réduit les déchets en n’utilisant que les matériaux nécessaires.
- Personnalisation: Facilite les solutions sur mesure, en particulier dans le domaine des soins de santé.
- Rentabilité pour les petites séries: Économique pour la production de faibles volumes.
Les progrès futurs dans la science des matériaux et l’automatisation des processus, tels que l’optimisation assistée par l’IA, exploiteront le potentiel de l’AM et rendront le processus de fabrication prêt pour l’industrie 5.0. L’analyse thermique en tant que pré- et post-processus restera une pierre angulaire constante et apportera une contribution importante au développement de nouveaux matériaux et processus.
Perspectives scientifiques
Des recherches récentes mettent en évidence l’intégration de la modélisation informatique et de l’analyse thermique [7] pour simuler et prévoir la distribution de la chaleur en temps réel par le biais de jumeaux numériques afin d’optimiser le contrôle des processus et la consommation d’énergie. L’intégration permanente de l’analyse thermique dans le processus de fabrication en tant que technique de mesure in situ ou en cours de processus représente une étape essentielle dans le développement de la compréhension du processus.
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/
