Alain Bernard - Le 3D dans le monde

Le 3D dans le Monde
Alain BERNARD
Professeur des Universités à l’Ecole Centrale de Nantes
Chercheur à l’IRCCyN UMR CNRS 6597
Vice-Président, Association Française de Prototypage Rapide
et de fabrication additive
Association Française de Prototypage Rapide
& Fabrication Additive
129/05/2015 Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D
1ère conférence annuelle du Réseau Québec 3D
Trois-Rivières – Québec – 28 mai 2015

AFPR : Association Française
du Prototypage Rapide et de
la fabrication additive
Créée en 1992
Objectifs de l’AFPR :
• Rassembler les partenaires de la Fabrication Additive
• Répondre à des besoins multisectoriels
• Favoriser la formation et le transfert de technologie
• Rassembler, capitaliser puis diffuser l’information la plus
objective et la plus complète
• Soutenir les projets innovants
• Construire un lien d’échange didactique et technique
• Se positionner dans un cadre européen et mondial

2014: signature MoU CRIQ-AFPR

La normalisation : une nécessité
Décembre 2005 : création au sein de l’AFPR de la commission Fabrication
Directe.
Objectifs : réunir les principaux acteurs de la fabrication directe en France et sensibiliser les pouvoirs publics, en
France et en Europe, à la normalisation de la Fabrication Additive.
Septembre 2009 : les deux Pôles de Compétitivité ViaMeca et EMC2 appuient
l’initiative de l’AFPR et demandent officiellement à l’UNM la normalisation de la
Fabrication Additive
Juin 2010 : création de la Commission de normalisation UNM 920
Premiers travaux engagés en septembre 2010 : Terminologie et classification des procédés.
En parallèle, le COS Santé de l’AFNOR va travailler à l’application de la norme dans le domaine de la
fabrication de prothèses, en particulier le comité Médecine Buccale (ex comité Art Dentaire).
Juillet 2011 : première réunion du comité technique ISO/TC261

 Créée suite à une demande des pôles de
compétitivité VIAMECA et EMC2 et de la Fédération
des Industries Mécaniques (FIM)
 Périmètre : procédés par ajout de matière –
fabrication de pièces directement à partir d’un
modèle 3D sans utiliser d’outillages
 Domaines : tous, en particulier les industries
mécaniques, l’aéronautique et le médical
 En France
 Fournisseurs de poudre (métallique et plastique)
 Fabricants (machines et pièces)
 Utilisateurs (industrie mécanique, aéronautique)
 Centres techniques, Pôles de compétitivité
 Universités
 Liaison avec l’art dentaire
 Commission UNM 920 « Fabrication additive »
 Participants (chairman : Eric BAUSTERT Volum-e)

 En France
 Vocabulaire
 Poudres — Spécifications techniques : caractéristiques
techniques des poudres couramment utilisées en
fabrication additive, à fournir par le fournisseur de
poudre, lors de la livraison
 Pièces – Cahier des charges et conditions de réception :
éléments à échanger entre le client et fournisseur lors
de la commande, du contrôle et de la réception des
pièces
 Normes publiées :
NF E 67-001 : octobre 2011
NF E 67-010 : décembre 2014
NF E 67-030 : mai 2013.

 Créé en 2011 sous responsabilité allemande
 Domaine : Normalisation dans le domaine de la
fabrication additive concernant les procédés, termes
et définitions, chaînes de processus (matériels et
logiciels), procédures d'essai, paramètres de qualité,
accords clients fournisseurs et éléments
fondamentaux.
 19 Membres participants :
Allemagne, Belgique, Canada, Chine, Danemark,
Espagne, Etats-Unis, Finlande, France, Irlande,
Italie, Japon, Norvège, Pays-Bas, Pologne,
République de Corée, Royaume-Uni, Suède, Suisse
 ISO/TC 261 « Fabrication additive

 4 parties de la série des normes ISO 17296 « Fabrication additive » :
- Partie 1 : Terminologie (en cours) (Suède)
- Partie 2 : Vue d’ensemble des catégories de procédés, des types
de pièces et des matériaux de base (publiée en 2015) (Allemagne)
- Partie 3 : Spécification des critères de performance et des
caractéristiques de qualité (publiée en 2014) (France : Philippe
BERTRAND, ViaMéca)
- Partie 4 : Traitement des données (publiée en 2014) (UK)
 ISO/TC 261

 L’ASTM (USA) développe les normes au sein du comité F42
 Deux possibilités de coopération entre l’ISO et l’ASTM
- Procédure “Fast Track” : adoption des normes déjà
publiées par chaque organisation dans le but d’une
reconnaissance mutuelle des normes ASTM et ISO,
- Développement conjoint de normes communes ASTM/ISO.
 Accord ISO/ASTM
 Deux normes ASTM sont devenues des normes ISO (et des
standards français) en 2013 par la procédure fast track :
 NF ISO/ASTM 52915 (format de fichier AMF)
 NF ISO/ASTM 52921 (systèmes de coordonnées et
méthodes d’essai)
 Norme en cours de vote :
Resolution 03: Acceptance of NF ISO/ASTM 17296-1
Terminology for Publication

 Accord ISO/ASTM
 Terminologie,
 Contrôle non destructif des pièces,
 Qualification, assurance qualité et traitement secondaire des
pièces métalliques par fusion sur lit de poudre,
 Lignes directrices de conception (générales et spécifiques à la
fusion sur lit de poudre),
 Exigences pour l’achat de pièces fabriquées en fabrication
additive,
 Définition de pièces types (New Standard Performance
evaluation of additive manufacturing systems through
measurement of a manufactured test piece),
 Lignes directrices de conception,
 Spécification normalisée pour la fabrication additive de
matériaux plastiques à base d'extrusion,
 Pratique normalisée pour la fusion sur lit de poudre pour
atteindre les exigences de qualité.
 9 groupes de travail joints (au 16/01/2015) ont été
créés depuis 2013:

29/05/2015 11
De l’objet à
l’objet
• Nécessité de construire
un modèle numérique
• Nécessité de disposer
de technologies et de
pouvoir les intégrer
dans une filière métier
• Nécessité de contrôler
• Nécessité de capitaliser
Sculpture
numérique
Nuages de points
Modèle référence
CAO
Stratégie de
scanning
Modélisation CAO
Fichier STL
Pièce
fabriquée
par couches
Interface
Fabrication par couches
Outillage
fabriqué
par couches
Outillage
Outillagerapide
Prototype final
Contrôleetcomparaison
Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

Courtesy:
CREATE/Centrale
Paris
Courtesy: Z Corp
Courtesy: EOS
Courtesy: Phenix Systems
Courtesy: TrumpfCourtesy: MCP
Courtesy: Objet
Courtesy: Stratasys
Courtesy: RealMeca/
Cirtes
Technologies de fabrication additive
29/05/2015 12Prof. Alain BERNARD – 1ère conférence annuelle Réseau Québec 3D

7 familles de procédés
29/05/2015 13
Source : ISO 17296-2:2014E

7
familles
de
procédés
29/05/2015 14
Source : ISO 17296-2:2014E

Fabrication Directe
Les principales données économiques

29/05/2015 16
Données économiques
 30 à 35% de pièces fonctionnelles
 Ventes machines métal : x3 en 2 ans
 Machines métal : quasiment toutes européennes
(EOS, Concept Laser, Arcam, Phenix)
 Ventes imprimantes 3D : 4x en 2 ans
(de l’ordre de 140 000 en 2014)
 Revenus production + services : x2 en 2 ans
(croissance annuelle de l’ordre de 40%)
 Ventes de matériaux : +30% en 1 an
 Ventes machines : 12850 machines (+30%)
dont 6665 pour Stratasys (hors Makerbot)

29/05/2015 17
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Asie/Pacifique Amérique du Nord Europe Autres
% de machines installées dans le Monde

29/05/2015 18
0
5
10
15
20
25
30
35
40
% de machines installées dans le Monde

29/05/2015 19
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Fraction de l’activité dans différents domaines d’utilisation

29/05/2015 20
0
5
10
15
20
25
30
35
Fraction de l’activité dans différents secteurs

29/05/2015 21
Source: Biomedical production of implants by additive electro-chemical processes, P.J. Bàrtolo et al.,
CIRP STC E keynote 2012, CIRP Annals – Manufacturing technology 61/2/635-655

Implants
Concep on numérique de l’implant
Stérilisa on Contrôle Fabrica onChirurgie
Scanner
Source : www.osseomatrix.com

Implants
Source : www.osseomatrix.com

Pièces aéronautique
Source : Arcam/3A (Philippe VANNEROT, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)

Source : IREPA Laser (Didier BOISSELIER, présentation AG Association Titane, Nantes, mai 2015)

29/05/2015 28
Les technologies qui comptent
 A base de résines et de résines chargées (céramiques,
alumines, verre)
 A base de fils (ABS, Polycarbonate, Nylon, PLA, PVA, ULTEM
9085/feu et ASA/UV (Stratasys), chargés)
 A base de projection de matière multi-matériaux (liquides
plastiques, cire/résine, poudres métalliques)
 Sur lit de poudre (Polyamide (PA) (avec polystytène, verre,
carbone, aluminium), métalliques/Tungstène (EOS) et
précieux)
 Hybrides (dépôt/projection/soudage et usinage)

29/05/2015 29
 49 sociétés ont vendu en 2014 des machines dans le
Monde pour un chiffre d’affaire supérieur à 5 K€. (34 en
2013, 33 en 2012, 31 en 2011)
 10 sociétés ont vendu chacune plus de 100 machines et 14
plus de 10 (comme les trois dernières années)
 22 sociétés en Europe, 9 en Chine, 8 aux USA, 7 au Japon,
3 en Corée du Sud et une en Israël fabriquent et vendent
des machines en 2015 (soit 50 sociétés)
 L’investissement R&D de 33 de ces constructeurs est de
l’ordre de 37,5% de leurs revenus 2014 (19% en 2013).

29/05/2015 30
0
10
20
30
40
50
60
Total Stratasys : 41869 Total 3D Systems : 17792

Extrusion fil
Fortus
Source : Stratasys
Mojo
3016 machines vendues en 2014

Source: Stratasys, présentation lors des Assises Européennes de la Fabrication Additive, Juin 2014
Objet500 Connex 3: multi-matériaux/couleurs
29/05/2015 32
Projection de résine
par jets multiples
4752 machines installées (1130 machines vendues en 2012)

Gradient de matière
29/05/2015 33
par jets multiples

Source: Stratasys, présentation lors des Assises Européennes de la Fabrication Additive, Juin 2014
Objet1000: machine de production
29/05/2015 34
par jets multiples

Dépôts gouttelettes cire et usinage
Exemples de réalisationsSolidscape (Stratasys)
Avantage :
Modèles en cire identiques à ceux utilisés
traditionnellement pour la fonderie
Source: Stratasys
3784 machines vendues au total (312 vendues en 2012)

Dépôts gouttelettes de plastique
ARBURG (freeformer)
29/05/2015 36
Source: ARBURG

2D/3D printer with multimaterials capability (up to four ceramic or metallic materials
in the same component) with CAD/CAM and vision softwares
Multi nozzles
printheads
X
Y
Matérial 2
Matérial 1
Feel
fabrication
PC
Printheads positioning
control
Ejection
control
Z
Multi nozzles
printheads
X
Y
Matérial 2
Matérial 1
Feel
fabrication
PCPC
Printheads positioning
control
Ejection
control
Z
3D micro-positioning device3D micro-positioning device
Specific inks
Ejection deviceEjection device
Inkjet printing devoted to rapid manufacturing of ceramic printed electronics components
Dépôts gouttelettes
Source : Ceradrop

Extrusion fil
Machines Inspire
Beijing TierTime Technology Co. Ltd.
Source : http://www.tiertime.com/EN/Products/Industrial/2014/0917/130.html

Extrusion fil
Exemple de réalisation
3DP Unlimited
Source : http://i1.wp.com/3dpunlimited.com/wp-content/uploads/2014/09/3DP1000-vs-Desktop.jpg?w=1080

4029/05/2015
Une entreprise par jour : Drawn
Extrusion fil

Stéréolithographie par
photopolymérisation de résine
29/05/2015 41
Source : http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/prox-950
ProX™ 950
3D Systems
X machines vendues en 2014

42
ZPrinter® 650
ZPrinter® 850
ZPrinter® 450
Gamme de machines de Z-Corporation (USA)
Projection liant sur poudre

Stéréolithographie par DLP
29/05/2015 43
Source : http://carima77.en.ec21.com/
Carima (Corée)
Caractéristiques principales
Épaisseur couche (mm) : 0.025 ~ 0.1 (4 step adjustable)
Taille chambre X,Y (mm) : 80 x 45 130 x 75 200 x 112
Hauteur de construction en Z(mm) : 200
Vitesse : de l’ordre de 20~40 mm par heure
Tolérance(mm) : ± 0.2
DLP : Digital Light Processing

29/05/2015 44
Source : http://www.dwssystems.com/
DWS (Italie)
Digital Wax systems

29/05/2015 45
M350 Producer (Haute précision)
K20 Producer (Céramiques)
D35 Producer (Dentaire)
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=KRpNAw5caN8
Technologie propriétaire MOVINGLight®
basée sur l’association de DLP en
mouvement et de LEDS UVA de haute
puissance, résines chargées

29/05/2015 46
Source : http://www.lithoz.com/en/
Lithoz Gmbh (Autriche)
CeraFab 7500
Exemples de
pièces en
céramique

Frittage de poudres par laser
Source: EOS
47
Frittage de poudre métallique sous l’action d’un laser
29/05/2015
EOSINT M280
M290
M400 (jusqu’à 4 lasers)

Source: EOS
48

Source: FUSIA
49

Source: EOS/Cooksongold
50
29/05/2015
EOS PRECIOUS M080

Source: http://www.farsoon.com/english/service.asp?id=19&forwhat=%E4%BA%A7%E5%93%81%E6%9C%8D%E5%8A%A1
51
Frittage de poudre polymère sous l’action d’un laser
Hunan Farsoon (Chine)
Farsoon 251

PXSPXS PXMPXM PXLPXL
52
113 machines installées (données 2013)

Exemples de réalisationsRenishaw (laser melting)
Frittage/fusion de poudre métallique
sous l’action d’un laser
AM 250
Source : Renishaw

Fusion de poudre par laser
Exemple de réalisation
Source : Concept Laser
LaserCUSING®

Fusion de poudre par laser
Source : SLM Solution GmbH

ARCAM Q10 (Q20)
Fusion de poudres métal
par faisceau d’électrons
57
Source : ARCAM AB
29/05/2015
ARCAM A2X
Source : 3A
In courtesy of
ARCAM A1

Arcam a racheté DiSanto Technologies Inc.
(Implants orthopédiques)

Source : Arcam et Multistation
Arcam a racheté la division AP&C de Raymor
Industries (fabrication de poudres québécois).

Collage/découpage feuilles
Pressage, collage et découpe de feuilles de papier
http://www.lefabshop.fr/le-fabshop-represente-les-imprimantes-3d-de-mcor-technologies-en-france/
Exemples de pièces

Collage/découpage plaques
Découpe et assemblages de strates découpées
http://www.stratoconception.com/
29/05/2015 61
Stratoconception®
Procédé de Prototypage et d’Outillage Rapide

Collage/découpage plaques
Découpe et assemblages de strates découpées
http://www.stratoconception.com
29/05/2015 62
Pack&Strat
Outillage soufflage
Vase
Stratoconception®
Procédé de Prototypage et d’Outillage Rapide

Les autres procédés
qui comptent…

Imprimantes MFlex et MPrint
Volume : 250 x 250 x 400 mm (MFlex)
500 x 400 x 800 mm (MPrint)
Matériau : Alliages d’acier inox 420&316, Bronze, Tungsten
Technique : Projection de liant sur substrat poudre
Application : Fabrication de pièces métalliques
29/05/2015 64
agglomération de la poudre
(sable ou métal) par un liant
puis cuisson de la pièce

Imprimantes S-Max
Volume : 1000 x 7000 x 1800 mm
Matériau : Sable de fonderie
Technique : Projection de liant sur substrat poudre
Application : Fabrication de moules et noyaux sable pour la fonderie
29/05/2015 65
(sable ou métal) par un liant

29/05/2015 66
(sable) par un liant
VX4000VX200
Source : http://www.voxeljet.de/en/

Fusion de poudres
par chauffage
Source : http://blueprinter.dk/
Selective Heat Sintering™ Technology
(Blueprinter M2)
Blueprinter

Aerosol Jet 200 Series System
(application électronique)
Fabrication par
dépôt de poudre métal
Source : http://www.optomec.com/
Optomec

Direct Metal Deposition
TrumaForm DMD 505
Fabrication par
dépôt de poudre métal
Machine DMD de Trumpf (utilisée à
l'ENISE)
Trumpf
9 machines + 17 kits d’adaptation vendus en 2014

Dépôt de poudre métallique
Exemple de réalisationLens (Optomec)
Projection de poudre dans un faisceau d’énergie
Courtoisie: © EFESTO LLC, Ashok H. Varma, Chairman & CEO

Adding shapes and functions
Ø tube : 80mm
Material : Inox 316 L
Deposite :‐Width for two deposits(≈ 5 mm)
‐ Height 20 mm
Manufacturing time for 1 blade :
4min26s
Technological possibilities

Material
Coupe métallographique
d’une pièce réparée
avant usinage
Nuance of substrate: titanium alloy
Post‐repair thermal treatment
Nuance of powder :
Ti‐6Al‐2Sn‐4Zr‐2Mo
Granuloma :
45 – 75 µm
Width of deposit : 1,2mm
Hardness : 400Hv
Metal parts repair
Industrial proof of concept

Machines industrielles
La gamme machines
Machines sur-mesure
Taille des pièces (mm x mm x mm)
Axes (Nb)
MesoCLAD
MacroCLAD
Atmosphère contrôlée
Bol pour distribution de poudres
Puissance Laser
Disponible en
MobileCLAD CLADUnit MagicCaractéristiques
400x250x200
3-5 continus
oui
en option
en option
1 ou 2
300W
Janv-13
1000x700x700
5 Continus
oui
en option
en option
1 ou 2
750W
Juin-13
1500x800x800
5 continus
oui
oui
oui
1 ou 2
1 à 4kW
Sept-12
Options standards/spécifiques
29/05/2015 74
MobileCLAD
CLADUnit
Magic

Machine Cladding
• Machine IRCCyN/ECN
• Laser 4kw
• Deux têtes de projection
(buses Irepa Laser)
• Trois mélangeurs de poudre
• Espace de travail 900 mm3
Source: IRCCyN équipe MO2P (Prof. MOGNOL – Prof. HASCOET)

Fabrication hybride
DMG MORI (Japon)
LaserTech 65
Alternance de dépose de matière et d’usinage
https://www.youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA

Soudage de feuilles métalliques
Fabrisonic (USA)
Soudage de feuilles métalliques par ultrasons et usinage

78
Source: Contourcrafting
Production personnalisée

De nombreux points de progrès !
Des compétences attendues !
De très nombreux domaines
demandeurs !
De nouveau moyens pour produire
« autrement »

Bathsheba GROSSMAN
Oser la complexité sans surcoût
• Fabrication d’objets 3D
à géométrie complexe
• fabrication d’objets multi
fonctionnels et multi
matériaux
• Intégration de fonctions
(un objet à la place de
plusieurs assemblés)16 pièces
+ collage
1 pièce

Gains:
De poids sur l’ensemble 20%,
Facilité de montage,
Diminution du nombre de composants,
Economie de 15%.
Ré-industrialiser
29/05/2015 81
Source : MBProto

82
La juste matière
29/05/2015
Optimisation topologique
Source : Multistation, Assises Européennes de la Fabrication Additive, juin 2014

83
La juste matière
29/05/2015
Structures lattices
Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne

29/05/2015 84
Système/process
MatériauxAmont/aval
Applications
Orienté application
Automatisation
Manip pièce et matériau
Production en continue
Contrôle adaptatif
Boucle fermée
Productivité
Répétabilité
Polymères
Métaux
Céramiques
Composites
Biomatériaux
Equipements
Aéronautique
Spatial
Energie
Transports
Luxe/bijoux
Matériels médicaux
Implants
Prothèses
Organes
Conception fonctionnelle
Topologie/géométrie
Conception du matériau
Finition/parachèvement
TTH
Revêtements
Réparations
Durabilité
Environnement
Qualité/contrôle
Recherche

29/05/2015 85
Fonds publics pour la recherche et le développement

29/05/2015 86

29/05/2015 87

Conclusions
- La fabrication additive n’est pas une solution viable pour toute fabrication
- La fabrication additive est un moyen supplémentaire qui doit prendre sa place
dans les filières productives
- La fabrication additive permet la complexité et la diversité à surcoût nul
- La fabrication additive a besoin d’aide à la création du modèle numérique
- La fabrication additive permet de repenser la conception des pièces et les
caractéristiques des matériaux après fabrication
- La fabrication additive a besoin de compétences humaines clefs
- La fabrication additive est un moyen de revaloriser les aspects technologiques
- La fabrication additive permet « la juste matière à la juste place, moins d’énergie
consommée, moins de temps de fabrication, moins d’impact environnemental »
- La fabrication additive est un marché en très forte croissance car elle a acquis
une vraie maturité et dispose déjà de standards

9029/05/2015 Prof. Alain BERNARD - Journée UTC – ARI Picardie
Trophées
AEPR 2014

Questions / Réponses
Alain BERNARD
alain.bernard@ec-nantes.fr
www.afpr.asso.fr
Merci pour votre attention
92
Association Française de Prototypage Rapide
& Fabrication Additive

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