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Essais & Simulations 152

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Spécial Contrôle Qualité Le contrôle qualité investit les laboratoires d’essais

ESSAIS ET MODÉLISATION

ESSAIS ET MODÉLISATION EN PRATIQUE Ajuster le fonctionnement d’une usine : une application de simulation pour optimiser une unité de fabrication additive Le Manufacturing Technology Center britannique (MTC), en collaboration avec des partenaires du secteur aérospatial, a construit une installation de fusion sur lit de poudre sur site, et a également développé un modèle de simulation et une application pour aider le personnel de l’usine à prendre des décisions pertinentes sur son fonctionnement. L’un des moyens les plus efficaces de relever les défis industriels modernes consiste à utiliser des procédés de fabrication additive (Fab-Add), tels que la fusion sur lit de poudre et d’autres techniques émergentes. Pour tenir ses promesses de production rapide, précise et modulable, la Fab-Add requiert toutefois de nouvelles approches en matière de fonctionnement et de gestion de site. C’est pourquoi, le MTC a amélioré son installation interne de Fab-Add par fusion sur lit de poudre grâce à un modèle de simulation et une application pour aider le personnel de l’usine à prendre des décisions avisées sur son fonctionnement. L’application, créée à l’aide de l’Application Builder du logiciel Comsol Multiphysics, montre le potentiel de couplage d’une usine de Fab-Add à taille réelle avec son jumeau numérique. « Le modèle permet de prédire comment la chaleur et l’humidité à l’intérieur d’une usine de fusion sur lit de poudre peuvent affecter la qualité du produit et la sécurité des travailleurs, explique Adam Holloway, Technology Manager au sein de l’équipe de modélisation du Exemple de pièce produite par le procédé de fusion sur lit de poudre métallique MTC. Associée aux flux de données de notre installation, l’application permet d’intégrer la modélisation prédictive dans nos prises de décision quotidienne ». Le projet MTC démontre les avantages qu’il y a à mettre la simulation directement entre les mains des opérateurs et illustre comment la simulation pourrait contribuer à façonner l’avenir de l’industrie de fabrication. LA FABRICATION ADDITIVE AU SERVICE DU PROJET AÉROSPATIAL DRAMA Pour aider les usines britanniques à tenir leur rang dans la concurrence mondiale, le MTC encourage la fabrication à haute valeur ajoutée dans tout le Royaume-Uni. Le MTC est basé dans la zone industrielle historique de Coventry (figure 1), mais son regard est résolument tourné vers l’avenir. Raison pour laquelle l’équipe a mobilisé d’importantes ressources humaines et techniques dans son Centre National de Fabrication Additive (NCAM). « Adopter la Fad-Add ne consiste pas seulement à installer de nouveaux équipements. Nos clients demandent également de l’aide pour mettre en œuvre l’infrastructure numérique qui soutient les opérations des usines de Fab-Add. Outre les logiciels d’entreprise et la connectivité des données, nous étudions les moyens 12 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°152 N°148 • Février - Mars - Avril 2023 2022

d’intégrer la simulation dans leurs systèmes. » Le projet DRAMA (Digital Reconfigurable Additive Manufacturing for Aerospace) du NCAM constitue un terrain idéal pour cette expérimentation. Développée en collaboration avec de nombreux fabricants, l’initiative DRAMA comprend la nouvelle installation de Fab-Add par fusion sur lit de poudre mentionnée précédemment. Avec cette mini usine comme site du projet DRAMA, Adam Holloway et ses collègues spécialistes de la simulation contribuent fortement à la réussite de la production de composants par Fab-Add pour l’aérospatiale. PERMETTRE L’AJOUT DE MATÉRIAUX SOUPLES AUX OBJETS SOLIDES En quoi un procédé de fabrication est-il « additif » et pourquoi tant d’industries s’intéressent-elles à la Fab-Add ? Au sens le plus large, un procédé additif est un procédé dans lequel les objets sont créés en ajoutant de la matière couche par couche, et non en la retirant ou en la moulant. Un procédé réductif ou soustractif de fabrication d’une pièce peut, par exemple, commencer par un bloc de métal massif qui est ensuite découpé, percé et meulé pour lui donner sa forme. Une méthode additive pour fabriquer la même pièce, quant à elle, commence par un espace vide ! Un matériau granulaire ou mou est ensuite ajouté à cet espace (dans des conditions soigneusement contrôlées) jusqu’à ce qu’il prenne la forme souhaitée. Ce matériau malléable doit ensuite être solidifié en une pièce finie durable. Des matériaux différents exigent des méthodes différentes pour créer et solidifier des formes additives. Par exemple, les imprimantes 3D courantes commercialisées auprès du grand public produisent des objets en déroulant un filament de plastique chaud, qui se lie à luimême et devient plus dur en refroidissant. En revanche, le procédé de fusion sur lit de poudre métallique commence, comme son nom l’indique, par une poudre métallique Vue au microscope de grains de métal réduit en poudre, comme utilisés dans le procédé de fusion sur lit de poudre qui est fondue par application de chaleur et resolidifiée lorsqu’elle refroidit. La photo montre une pièce produite par le procédé de fusion sur lit de poudre métallique. EFFETS DE LA CHALEUR ET DE L’HUMIDITÉ SUR LA FUSION DU LIT DE POUDRE MÉTALLIQUE « Les possibilités offertes par les méthodes de Fad-Add sont connues depuis longtemps, mais l’adoption à grande échelle s’est heurtée à de nombreux obstacles », souligne Adam Holloway. Certains de ces freins peuvent être surmontés pendant la phase de conception des produits et des installations de fabrication additive. D’autres points, comme l’impact des conditions environnementales sur la production par Fab-Add, doivent être abordés pendant que l’installation est en fonctionnement. Et d’ajouter : « Par exemple, le maintien d’un contrôle minutieux de la chaleur et de l’humidité est une tâche essentielle pour l’équipe DRAMA. La poudre métallique utilisée pour le procédé de fusion sur lit de poudre (figure 3) est très sensible aux conditions extérieures. Cela signifie que le matériau peut commencer à s’oxyder et à absorber l’humidité ambiante même lorsqu’il est stocké, et que ces processus continueront tout au long de son parcours dans l’installation. L’exposition à la chaleur et à l’humidité modifiera la façon dont il s’écoule, fond, se charge électriquement et se solidifie. Tous ces facteurs peuvent donc affecter la qualité des pièces que vous produisez. » La manipulation sans précaution de la poudre métallique n’est pas seulement une menace pour la qualité du produit. Elle Figure 3. Une application de simulation de l’installation de fusion sur lit de poudre DRAMA, montrant les machines qu’elle contient et l’emplacement des bouches d’aération. ESSAIS & SIMULATIONS • N°152 • Février - Mars - Avril 2023 I13

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