Fabrication hybride : supériorité grâce à la combinaison des procédés

Le secteur manufacturier a connu un regain significatif, porté par l’intérêt croissant pour les technologies de fabrication hybride, notamment en raison de leur capacité à produire des pièces de manière très efficace avec des performances accrues. La fabrication hybride est un terme générique qui regroupe plusieurs développements récents dans le domaine des procédés de fabrication, où ces procédés sont combinés et intégrés afin d’augmenter la liberté de conception, d’améliorer la qualité et de réduire les temps de production. Cela permet d’élargir la base industrielle et les domaines d’application.

Les fabricants mettent en œuvre un large éventail d’opérations pour produire les pièces requises conformément aux spécifications industrielles. Les procédés de fabrication courants incluent l’usinage à commande numérique par ordinateur (CNC), la fabrication additive ainsi que les procédés de transformation, notamment le formage, l’assemblage et les opérations de séparation, en particulier le soudage. Ces dernières années, ces technologies se sont rapprochées et ont ouvert de nouvelles perspectives pour les concepteurs et les ingénieurs.

Chaque procédé de fabrication présente des inconvénients et des contraintes spécifiques, difficiles à éliminer totalement. En raison de la complexité du procédé, l’usinage CNC implique un niveau de difficulté élevé pour la fabrication de géométries complexes, notamment en raison de l’accessibilité des outils de la machine. Le champ d’application des technologies de fabrication additive reste limité, en particulier en raison de temps de production plus longs et d’une précision inférieure par rapport aux méthodes d’usinage CNC. Le développement des procédés de formage est restreint par l’effet de retour élastique (springback) et par la formabilité limitée des matériaux. Il est également difficile de maîtriser la précision dimensionnelle des composants lors du procédé de soudage.

Les problématiques et complexités de procédés mentionnées ci-dessus, liées aux systèmes de fabrication existants, peuvent être résolues grâce à la fabrication hybride, qui permet l’intégration de plusieurs procédés de fabrication.

Voici quelques résultats récents de la recherche académique concernant les technologies de fabrication hybride

• La combinaison de l’usinage CNC et de la fabrication additive peut constituer une solution efficace aux limitations actuelles de la fabrication additive, notamment en termes de précision accrue et de capacité d’usinage (taux d’usinage) ¹.
• L’intégration de procédés de chauffage et de formage assistés par laser peut réduire de manière significative le phénomène de retour élastique ².
• La combinaison des vibrations ultrasonores et du perçage peut entraîner une réduction de l’usure des outils ³.
• L’utilisation du perçage laser en combinaison avec l’usinage électrochimique (ECM) entraîne une réduction significative de la formation de couche de refusion (couche de matériau resolidifié) ainsi que de la zone affectée thermiquement (ZAT). La ZAT est une zone du métal qui ne fond pas, mais subit des modifications de la composition du matériau sous l’effet de températures de fonctionnement élevées ⁴.

Approfondissons maintenant deux procédés hybrides déjà mis en œuvre dans l’industrie.

Fabrication additive hybride avec renfort en fibre de carbone

En 2018, l’entreprise allemande d’ingénierie des composites CIKONI a introduit une technologie de fabrication hybride basée sur la fabrication additive et le renfort en fibre de carbone. La plupart des procédés de fabrication additive renforcée par fibres reposent sur la technologie FDM, dans laquelle un renfort en fibres courtes ou continues est introduit dans le polymère fondu pendant l’impression ⁵.

L’inconvénient de ces approches réside dans le fait que le renfort en fibres ne peut être appliqué que dans le plan d’impression. Cela permet d’assurer un soutien efficace dans le plan pour les efforts de compression et de traction, mais la plupart des composants sont soumis à des charges tridimensionnelles. De plus, le coût des filaments renforcés de fibres est très élevé et la vitesse d’impression est faible, rendant la fabrication rentable quasiment impossible.

À l’inverse, l’approche hybride d’AdditiveCARBON combine une impression 3D non renforcée, économique et évolutive, avec un renfort en fibres continues basé sur un procédé de bobinage robotisé. Le guidage robotisé permet également un renfort en fibres dans l’espace, de sorte que des cas de charge plus complexes peuvent être supportés.

Le principe a déjà été testé avec succès avec le constructeur automobile allemand Audi sur un segment de cadre de toit. Le composant fabriqué de manière hybride supporte les charges appliquées grâce au renfort en fibre de carbone. La fabrication additive offre une liberté de conception géométrique quasi illimitée.

Impression 3D de composants électroniques par combinaison avec des machines 5 axes

Les fraiseuses 5 axes sont des machines courantes pour l’usinage CNC de géométries complexes à partir de différentes directions d’usinage. Optomec, basée à Albuquerque (États-Unis), combine les degrés de liberté d’une machine 5 axes avec l’application de pistes conductrices pour l’impression 3D de composants électroniques.

Des résistances, condensateurs, antennes, capteurs et transistors à couches minces peuvent ainsi être réalisés directement sur une surface 3D par fabrication additive. Les paramètres du procédé permettent de régler différentes caractéristiques électriques, telles que la résistance. L’impression 3D de composants électroniques a déjà été mise en œuvre sur des substrats en plastique, en métal et en céramique.

Dans le procédé, les métaux sont d’abord atomisés en particules très fines dans un atomiseur. Les particules chauffées sont ensuite déposées sur la surface via un jet de gaz. Des résolutions allant jusqu’à 10 µm sont possibles.

Les avantages de la fabrication hybride, en termes d’amélioration de la productivité grâce à la facilité de fabrication de géométries complexes tout en maintenant des niveaux élevés d’efficacité et de précision sur des temps de production relativement courts, permettent de développer davantage le potentiel du secteur manufacturier dans des domaines encore inexplorés. La gestion de plusieurs procédés ainsi que la disponibilité des technologies individuelles aux dimensions requises (taille, quantité, qualité) constituent toutefois un défi pour les procédés hybrides.

Bien que nous soyons spécialisés chez InstaWerk dans l’usinage CNC et que nous proposions des devis instantanés pour l’usinage CNC, nous continuerons à suivre de près les technologies hybrides afin d’offrir une valeur ajoutée accrue à nos clients. Actuellement, InstaWerk est déjà en mesure de combiner l’usinage CNC de composants avec des traitements thermiques approfondis et des modifications de surface.

Sources sur la fabrication hybride

1. Liang, H.; Hong, H.; Svoboda, J.; A combined 3d linear and circular interpolation technique for multi-axis CNC machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2002.
2. Duflou, J.R. : Laser assisted incremental forming formability and accuracy improvement. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2007.
3. Heisel, U. : Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ecu 57. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2008.
4. Zhang, H.; Xu, J.W.; Wang, J.M. : Investigation of a novel hybrid process of laser drilling assisted with jet electrochemical machining. Optics and Lasers in Engineering, 2009.
5. CIKONI GmbH : Cadre de toit fabriqué par fabrication additive avec renfort local en fibre de carbone, 2018.