L'IMPRESSION 3D DEJA COMBINEE
AVEC DES ROBOTS DE SOUDAGE

Wire+arc additive manufacturing

La production additive ou Additive Manufacturing (AM), mieux connue comme impression 3D, jouera un rôle sans cesse plus éminent dans l'industrie manufacturière. On estime que ce marché connaîtra une croissance de 390% dans les sept prochaines années. Bien que certaines technologies AM exigent de nombreux investissements, il existe une variante particulière qui utilise simplement la technique de soudage (à l'arc) de tous les jours et des appareils standard correspondants.

ADDITIVE MANUFACTURING (AM)

La révolution industrielle suivante

La technologie d'impression 3D pour métaux et non-ferreux n'en est plus à ses balbutiements et est bel bien qualifiée de prochaine révolution industrielle. Dans de nombreux secteurs, l'AM gagne en popularité grâce à la possibilité de fabriquer des pièces complexes avec une précision raisonnable et une grande liberté. De plus, la perte de matériau est nettement moindre durant les différentes étapes de fabrication. Ainsi, l'AM contribue à réaliser d'énormes économies de coûts et à accroître l'efficacité de la production. Après l'industrie aéronautique et le secteur médical, l'AM se fraie aussi un chemin vers d'autres secteurs tels que l'énergie, les applications maritimes et même le génie civil.

Du rapid prototyping au rapid manufacturing

AM comprend une multitude de techniques qui, toutes, ont la même base: un système de mouvement, une source de chaleur et un matériau (d'apport). La pièce est ensuite élaborée par la superposition de couches minces, pilotée à partir d'un modèle CAO. C'est ainsi que nous connaissons aujourd'hui des techniques en vertu desquelles des poudres métalliques sont surtout fondues via laser (Selective Laser Melting) ou flux d'électrons (Electron Beam Melting). Bien que l'AM semble tout nouveau et révolutionnaire, un premier brevet a été déjà rédigé en 1920. Aujourd'hui, l'AM évolue de la technique Rapid Prototyping au Rapid Manufacturing à part entière.

WAAM

Avantages d'une forme de production alternative

La combinaison d'un arc électrique comme source de chaleur avec un matériau d'apport a conduit après des années de recherche depuis les années 90 à la technologie WAAM: Wire+Arc Additive Manufacturing. C'est une technologie attractive comme alternative à l'usinage CNC, au coulage ou à l'électroérosion. Alors que les techniques d'usinage métallique plus conventionnelles ont leur limite, WAAM confère des possibilités de design quasi illimitées. Les dimensions à imprimer sont plus grandes que ce que permettent les processus de fusion à lit de poudre. Le volume à imprimer est aussi le plus grand de toutes les techniques d'impression 3D pour métaux. Le processus WAAM est nettement plus rapide que tous les processus à lit de poudre 3D et le matériau d'apport (fil de soudure) est moins cher. Le processus peut aussi réduire l'assemblage de produits complexes qui doivent être élaborés, plutôt à partir de plusieurs composants de façon conventionnelle. WAAM peut aussi remplacer le coulage de pièces uniques, la production en petite série ou la construction de prototypes et générer une valeur ajoutée comme les canaux de refroidissement dans les matrices. Cela peut aussi être une solution pour produire des pièces difficiles ou indisponibles.

Technologie

Wire+Arc Additive Manufacturing peut être scindé en trois groupes, en fonction de la source d'énergie utilisée. Ces sources d'énergie peuvent être:

• une source de soudage pour soudage à l'arc avec fil d'apport. Songez au soudage MIG/MAG ou TIG;

• une source laser pour la recharge avec un fil acheminé en externe ou une poudre amenée;

• le soudage par un faisceau d'électrons avec fil d'apport.

Chaque type de source d'énergie a ses avantages et désavantages en termes d'efficacité, de consommation d'énergie, de rugosité surfacique et d'utilisation des propriétés mécaniques du produit. Le processus WAAM est exécuté par un robot industriel. De tels robots ont une grande portée et une grande répétabilité avec toujours les mêmes tolérances. Le temps de production est considérablement plus court.

TITANE ET ALUMINIUM

Comme alternative pour l'aluminium

L'utilisation de plastiques renforcés de fibre de carbone augmente aussi dans l'industrie aéronautique, alors qu'il était vite apparu que ces plastiques n'étaient pas compatibles d'un point de vue électrochimique avec les composants en aluminium. On a dès lors décidé de s'orienter vers le titane en guise d'alternative, alors que la demande accrue pour les éléments en titane a fort logiquement fait sensiblement grimper le prix du matériau.

Besoin de nouvelles technologies de fabrication

Etant donné le prix élevé du titane et le fait que le matériau est si difficile à usiner mécaniquement, on a besoin de technologies de fabrication alternatives comme WAAM pour fabriquer de grands éléments tels que des raidisseurs et des nervures d'aile, réalisées jusqu'à aujourd'hui sur la base de pièces coulées et forgées. Comme le soudage MIG du titane délivre un arc instable, ceci n'est aujourd'hui possible que via le soudage TIG et plasma. Il ne faut pas non plus oublier que l'oxygène réagit assez violemment avec le titane, ce qui crée de l'oxydation et affecte les propriétés mécaniques. La prudence est donc de mise et le soudage dans une atmosphère inerte en est la conséquence. L'installation de soudage complète doit être protégée de l'air ambiant par des coiffes. L'aluminium est aussi un matériau très reconnaissant pour la technologie WAAM. Le soudage MIG convient ici parfaitement. Comme le fil évolue de façon coaxiale avec la torche de soudage, ceci résulte en un trajet facile à programmer qui nécessite moins de degrés de liberté sur l'installation robotique par rapport au soudage TIG, où le fil est acheminé perpendiculaire à la torche de soudage, et entraîne donc un obstacle. Des chercheurs de l'université de Cranfield ont revendiqué avoir réalisé la plus grande pièce imprimée en 3D à ce jour via WAAM: une structure en forme de poutre de 6 m de long et 300 kg en aluminium.

LES DEFIS

Le succès réside dans la combinaison de paramètres

Les entreprises désireuses de se lancer dans la 3D-WAAM font face à divers défis. Il faut encore mener des recherches sur la qualité et les propriétés de matériau pouvant être obtenues. Le processus ne peut pas encore être certifié et garanti, et une reproductibilité sans erreur doit encore être montrée. Le concepteur doit tenir compte des directives spécifiques propres à WAAM. Le succès réside dans la bonne combinaison des paramètres. Et ceci n'est que peu connu. Un élément n'est généralement pas encore prêt à l'emploi après le processus WAAM. Un traitement thermique peut être nécessaire pour réduire les tensions résiduelles, les structures portantes de soutien (temporaires) doivent être enlevées et la rugosité surfacique est parfois trop élevée. Dans cette optique, WAAM doit parfois être combiné avec l'usinage par enlèvement de matière. Le comportement thermique pendant la production qui détermine les propriétés mécaniques finales, est aussi un point, tout comme les capteurs et logiciels nécessaires pour maîtriser et corriger le processus. Le développement de techniques NDO et procédures spécifiques ainsi que la programmation du robot et du processus sont aussi des défis.

CONCLUSION

Le succès de WAAM résulte d'une part de la simplicité et de l'accessibilité de la technologie et d'autre part des possibilités énormes et quasi illimitées. Les développements ne se cantonnent pas aux laboratoires de recherche des universités, l'industrie et ses nombreuses start-ups s'affairent aussi intensivement sur le WAAM. Une étape suivante sera sans aucun doute l'intégration de la technologie WAAM dans des centres d'usinage CNC. ?