Essais & Simulations 144

ESSAIS ET MODÉLISATION

ESSAIS ET MODÉLISATION COLLABORATION Ansys et Siemens Energy veulent rendre la fabrication additive plus accessible Cette nouvelle collaboration entre Ansys et Siemens Energy doit permettre d’améliorer la formation, d’accélérer le développement de produits, de réduire les coûts de production et d’optimiser la productivité dans de nombreux secteurs industriels. Ansys et Siemens Energy ont décidé de collaborer afin de proposer un processus de conception amélioré pour la fabrication de pièces imprimées en 3D. Cette solution associe le PBF (procédé d’impression 3D par fusion sur lit de poudre) de Siemens Energy aux logiciels de simulation numérique d’Ansys. Cette interopérabilité permettra aux équipes de conception de fabriquer des pièces d’une grande précision, de réduire considérablement les temps et les coûts de production, et d’accélérer la mise sur le marché des produits. Si de nombreuses entreprises multi-secteurs ont intégré la fabrication additive à leurs processus d’ingénierie, leurs équipes manquent parfois d’expertise notamment dans la préparation des impressions et la maîtrise des outils de simulation. Par conséquent, les ingénieurs doivent souvent fabriquer de nombreux prototypes physiques ce qui est très coûteux et chronophage. Ensemble, Siemens Energy et Ansys formeront les équipes afin de les aider à baisser les coûts liés aux reprises de production et leur fournir des solutions de fabrication additive abordables et à la pointe de la technologie. Les deux entreprises souhaitent ainsi permettre aux ingénieurs du monde entier de développer des produits dans un temps réduit et avec une qualité améliorée. CRÉER DES PIÈCES COMPLEXES IMPOSSIBLE À FABRIQUER VIA DES PROCESS TRADITIONNELS Ainsi, les entreprises pourront former les concepteurs à fabriquer des pièces très complexes ne pouvant pas être créées grâce aux processus de fabrication traditionnels et ce, à moindre coût. Les ingénieurs pourront s’appuyer sur les logiciels d’Ansys pour réduire les approximations dans la conception des produits Ansys Additive prévoit avec précision la déformation résiduelle après l’impression de la pièce et valider des géométries de composants très sophistiquées. Fort de plus de dix ans d’expérience dans l’impression 3D de pièces de turbines à gaz et autres équipements rotatifs, Siemens Energy fournit désormais des solutions pour soutenir le développement de produits de la conception jusqu’à la production et aider les entreprises dans leur adoption de la fabrication additive. « Cette collaboration offre de nouvelles capacités de fabrication additive aux ingénieurs, tous secteurs confondus. Elle permet de fournir aux équipes des informations dynamiques qui font progresser l’industrie de l’impression 3D et accélèrent l’innovation », déclare Shane Emswiler, Senior Vice-President at Ansys. « En éliminant les contraintes de la fabrication traditionnelle, nous aidons les concepteurs à transformer leurs visions en réalité et à améliorer considérablement la productivité. » ● 10 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021

ESSAIS ET MODÉLISATION CAS D’USAGE Prédire en fabrication additive grâce aux applications de simulation Des ingénieurs de l’Industrial Technology Research Institute ont conçu une application de simulation pour prédire les performances de la fusion laser sur lit de poudre, un procédé de fabrication additive. L’application permet de réduire le temps et les coûts nécessaires à la fabrication d’un injecteur imprimé en 3D pour les moteurs de fusée hybrides de Taiwan Innovative Space. L’Industrial Technology Research Institute (ITRI) de Taïwan fournit des services de conception de modèles originaux d’impression 3D (ODM) et de simulation à Taiwan Innovative Space (TiSPACE). Le procédé d’impression 3D d’un composant d’injecteur de carburant utilisé dans les moteurs de fusée hybrides TiSPACE avait bien démarré. Le laser faisait fondre et fusionner la première couche de poudre sur la plaque de fabrication, la couche de poudre suivante s’étalait bien sur la première couche, et le laser faisait fondre et fusionner cette nouvelle couche. La fabrication se poursuivit ainsi, couche après couche, sans problème. Soudain, l’étalement se bloqua. La chaleur du laser avait conduit à un gradient de température dans le matériau, et la thermo-dilatation à une déformation des couches telle que tout s’arrêta. Les ingénieurs essayèrent à nouveau. Cette fois, la fabrication fut menée à bout, mais le résultat final conduisit à un injecteur tellement déformé qu’il était inutilisable. L’équipe essaya une troisième fois. Puis une quatrième fois. Les ingénieurs se rendirent compte qu’ils devaient optimiser l’ensemble des paramètres du procédé pour réussir la fabrication, mais que l’approche essais & erreurs était une perte de temps, d’efforts et de coûts... UN PROCÉDÉ DE FABRICATION ADDITIVE INTUITIF ET RENTABLE La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est un type de fabrication additive (AM) dans lequel un laser fait fondre et fusionner la poudre. La LPBF est une appellation générique qui inclut d’autres procédés tels que la fusion sélective au laser (SLM), le frittage sélectif au laser (SLS) et le frittage direct de métal au laser (DMLS), entre autres. Pendant la LPBF, une fine couche de matériau en poudre, généralement de 30 à 50 μm, est étalée sur une plate-forme de fabrication. Un laser fusionne la première couche, puis un dispositif étale la couche de poudre suivante sur la première couche. Et ainsi de suite jusqu’à ce que la pièce ou le composant soit complètement construit. (Dans une variante du procédé, un faisceau d’électrons est utilisé à la place d’un laser et la fabrication se fait sous vide). La LPBF permet aux fabricants de réaliser des formes complexes, en partie grâce à la haute résolution du laser. Un autre avantage de ce type d’AM est que la poudre inutilisée d’une production peut être réintégrée dans la machine et utilisée pour fabriquer autre chose. Ce qui rend l’AM plus rentable que certains autres types de procédés de fabrication qui gaspillent de la matière. En raison de ces avantages, la LPBF est utilisée dans divers types de fabrication, notamment dans l’industrie aérospatiale, automobile et médicale. Elle est également courante dans les traitements dentaires et la fabrication de bijoux. Cependant, la LPBF comporte son lot de défis. Tout d’abord, le procédé implique un chauffage laser très localisé, qui entraîne un gradient thermique important dans le matériau. Ce gradient peut induire une contrainte thermique résiduelle et une déformation au sein des couches lors de l’impression de la pièce. Si cette déformation résiduelle devient excessive, elle peut bloquer le processus d’étalement de la poudre couche par couche, ce qui met fin à l’ensemble du procédé de fabrication. Le processus doit alors être relancé, ce qui entraîne une perte de temps et un coût financier. Un autre risque est que la pièce finale puisse également être déformée par rapport à la géométrie souhaitée, parfois au-delà des limites acceptables pour l’utilisateur final. ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021 I11