La fonction métrologie dans l’impression 3DC’est quoi une ‘fabrication avancée’? D’un point de vue ‘procédé’: les technologies de procédés de fabrication décrits

La fonction métrologie dans l’impression 3DAntoine TAHAN, ing., Ph.D.École technologie supérieure

• Introduction• Partie 1: Les processus…• Partie 2: Les défis• Conclusion

© Tahan, S.‐A., 2015, La fonction métrologie dans l’impression 3D 2

Je suis…

Souheil - Antoine TAHANIng. mécanique (1990)ÉTS, Département de génie mécanique1993-2004: E2ACTDepuis 2004 – …: l’ÉTS MontréalMembre du LIPPS, OIQ, ASME, ASQ.


Les enjeux dans le contexte de l’innovation et du développement des technologies

B. Cheldelin, K. Ishii, ‘MIXED MODEL ASSEMBLY QUALITY: AN APPROACH TO PREVENT HUMAN ERRORS, 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition

?


Quelques définitions

• Métrologie: du grec λογος, logos (la science, le savoir) et μετρον, metron (la mesure). La métrologie est la science des poids et mesures.

• Métrologie légale / Métrologie scientifique

• Métrologie industrielle: elle intéresse à la quasi-totalité des entreprises. Elle constitue un facteur essentiel à

– l’élaboration de produits de qualité,– la maîtrise effective des processus de mesure et,– elle est devenus un élément clé (commercial, compétitivité).

• Impression 3D:

Petit Robert


C’est quoi une ‘fabrication avancée’?

D’un point de vue ‘procédé’: les technologies de procédés de fabrication décrits dans les définitions de la fabrication avancée (de pointe) comprennent :

• Utilisation massive des technologies informatiques avec traçabilité• Meilleure prédiction du comportement:: modélisation et la simulation

• Technologies de haute précision• La robotique de pointe et d'autres systèmes de production intelligente

• Les systèmes de contrôle in situ pour surveiller les processus

• Technologies durables et vertes (ex. fibre naturelle)

• Possibilité de fabrication sur mesure (taille du lot = 1)

• Évolutivité

Bref, une meilleure compétitivité


2000 2014 Taille / Object Sizes 10 mm – 400 mm 10 mm – 600 mmPrécision / Accuracy ~ 0.5% of object size ~0.1% of object sizeSingle Scan Time ~ 40 s 2 - 4 sHandling + +++Portabilité / Mobility + +++Prix 50 K$ et > 5 K$ - 50K$

Exemple 2


Fabrication additive / Impression 3D

On parle d’une nouvelle révolution industrielle…3 Axes: AM ou ALM (Additive -Layer- Manufacturing) / CLIP (Continuous Liquid Interface Production) / EBM (Electron Beam Melting) / FDM (Fused Deposition Modeling) / FTI (Film Transfer Imaging) / MJM (Modelage à jets multiples) / SLA (Stéréo Lithographie Apparatus) / SLM (Selective Laser Melting) / SLS (Selective Laser Sintering)

5 Axes: DMD (Direct Metal Deposition)

Une idée des prix :Titan: 600-800$/kgAcier inox: 8.00 $/cm³ (WEB), 80-300$/kgCobalt Chrome : 350$/kg

http://www.priximprimante3d.com/materiaux/

REF. Arup, http://www.4erevolution.com/impression-3d-engineering/ mars 2015


Exemples :• Fin 2013, Royal Air Force a envoyé pour la première fois un avion

Tornado dans l’air avec des composants métalliques issus de l’impression 3D.

• 2014: Airbus a franchi le pas avec des prototypes sur les modèles A350 XWB et A300/A310 qui contiennent des éléments produits par impression 3D (métalliques & plastiques).


Le processus

Impression 3D Pièce fabriquéeCAO

Contrôle de la qualité

Tolérancement

SCAN

Pièce à remplacerPièce physiqueVieux Master, etc.

RE

Capabilité Retourde l’informationCAO

Impression 3D

Des nouvelles pièces

Tâche 1: contrôle de la qualité

Tâche 3: apprendre et prédire

Tâche 2: rétro ingénierie


Le processus

Donc, la métrologie (comme science de la mesure) sera appliquée pour ‘caractériser’ le comportement de: densité, microstructure, endurance, résistance, HCF, LCF, qualité de la surface (rugosité), intégrité dimensionnelle et géométrique, contamination, résistance à la corrosion, etc.

On comprend vite que c’est un travail d’équipe multidisciplinaire…





Le processus

Aussi, dans un monde idéal, nous devons être capable de:




Réponse

(Y)

Facteurs (Xi)

BruitFacteurs non contrôlés





La fonction métrologie…


Exemple : contrôle de la qualité

• NASA X-38 (1996)

CAOPrototype

Scan (STL)



La technologie a évoluée…Tâche 1: contrôle de la qualité

Avec contact Sans contact

Mécanique

Palpeur à déclanchement

Palpeur mesurant

Triangulation Télémétrie Imagerie médicale

IRM

Tomographie X

Ultrason -Échographie

Temps de vol / Radar

Déphasage

Interférométrie laser

Mise au point optique

Capteur laser Ligne/Plan

Lumière structurée

Photogrammétrie

Théodolite

Système à cible


Au départ, il y a l’interprétationMais contrairement à ce qu’on peut penser, il y a encore des défis!


Ref: Sprauel J.-M. & Linares J.-M., 2008


Au départ, il y a l’interprétationUn projet en cours… Protocole expérimental suggéré :La participation est sur une base volontaire. L’ÉTS fournit la pièce (plusieurs sont fabriquées, donc forcément avec des écarts.Le dessin avec les requis dimensionnels et géométriques est fourni pour tous.Chaque pièce reçoit un code unique pour chaque entreprise (uniquement l’ÉTS maintient la traçabilité pièce-opérateur-équipement).On demande :

� l’état de la conformité;� l’amplitude du défaut.

Les données sont confidentielles. Les conclusions seront communiquées au prochain JMA 20XX.








Reverse Engineering (RE)

• Définition #1: “process of retrieving new geometry from a manufactured part by digitizing and modifying an existing CAD model.” (processus de récupération d’une nouvelle géométrie d'une pièce fabriquée par la numérisation et la modification d'un modèle CAO existant.) 1993, Yau et al.

• Définition #2: “the basic concept of producing a part based on an original or physical model without the use of an engineering drawing.” (le concept de base de la production d'une pièce à partir d'un modèle original ou physique sans l'utilisation d'un dessin technique) 1994, Abella et al.

REPHYSICAL DIGITAL



Reverse Engineering (RE)

Pourquoi? Créer et/ou réparer les pièces de rechange ou d'outillage qui ne ont

pas de modèles CAO existants (les vieux MASTER); Créer des formes libres (free form) qui sont difficiles à modéliser dans

les logiciels de CAO; Surmonter les obstacles à l'échange de données et l'intégrité des

données;



Exemple : création d’un CAO • BLACK HAWK helicopter (2003) Prototype

Scan (STL)

CAO



Exemple : pièce de rechange Pièce à changer

Scan

CAO

REF.: NextEngine 3D Scanner Reverse Engineers Classic Bugatti Part, Reverse engineering software technique recreates 1922 Bugatti water pump by DE Editors | Published July 2, 2008.

STL

Impression 3D








Un nouveau procédé

Comme tout nouveau procédé, il faut connaitre les avantages (points forts) et les faiblesses… Design for process…

• Quelle sont les contraintes sur la conception• Quelle est la paroi minimale?• Répétitivité du procédé?• Retrait volumique? Est-ce qu’il est isotrope?• Résistance?



Une approche probabilisteVoici quelques exemple où la fonction ‘métrologie’ interviennent: Le terme «capabilité d’un procédé» est encadré par la norme ISO 22514. Pour une spécification ce terme exprime un intervalle probabiliste dans lequel s’y trouvent 99,73 % des pièces fabriquées.


Comment peut-on extrapoler l’information connue d’une capabilité sur un composant, dans le but d'estimer la capabilité pour un nouveau composant à géométrie différente, mais issu du même procédé?


Extrapoler et interpolerEn impression 3D, la complexité est libre (Free Complexity)…


Deux défis : une géométrie différente (dissimilarity) ou une échelle distincte (scalability)


Extrapoler et interpoler

121086420

200

150

100

50

0

Classement

Fact

eur

de f

orm

e

Facteur de forme en fonction du Classement



Pour conclure…• Une opportunité pour l’industrie, la science,

la recherche,…• Plusieurs axes de R&D sont en cours…• La limite actuelle est le coûts de la

poudre!!!• L’avenir nous dira…


Questions?

« Si vous voulez vous faire des ennemis, essayez de changer quelque chose » Horace, Odes, 22 av. J.-C.

Documents

La fonction métrologie dans l’impression 3DC’est quoi une ‘fabrication avancée’? D’un point de vue ‘procédé’: les technologies de procédés de fabrication décrits