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Quelles avancées technologiques pour la fabrication additive avec liant organique et inorganique ?

Voxeljet, fabricant leader de systèmes d’impression industrielle 3D pour la production de moules, de noyaux et de modèles sans outillages (sables, céramiques, plastiques, polymères…) a organisé un séminaire destiné à ses clients et partenaires. De nombreuses entreprises internationales (Australie, Japon, Inde, Europe) dont CTIF, se sont déplacées du 23 au 25 septembre 2019 sur le site de Friedberg en Bavière pour partager et échanger leurs expériences « Voxeljet ».

Voxeljet dispose d’une gamme de produits allant des équipements de recherche aux machines industrielles d’impression 3D  grand format. Elle produit également des moules en sable et des modèles en plastique sur demande, basés sur des données CAO. Leurs principaux clients sont des constructeurs automobiles et leurs fournisseurs, des fonderies, des bureaux d’études et des artistes.

La technologie d’impression 3D, dont le principe est présenté sur le schéma ci-dessous, permet de nombreux gains : de temps, de flexibilité et de coût de production. Les dernières optimisations de moulage sable développées par Voxeljet, en plus des développements constants chez leurs partenaires et leurs clients (matière première, design, ingénierie,…), se concentrent sur la limitation des émissions de gaz en réduisant le poids des noyaux ou en fabriquant des noyaux creux, la limitation des turbulences au moment de la coulée par l’impression 3D d’attaques de coulée paraboliques ou ellipsoïdales pour limiter la présence de porosité au sein de la pièce finale.

Principe de l'Impression 3D

 

 

Après une visite des installations de l’usine de Friedberg, de la chaîne de montage des imprimantes à l’atelier de fabrication des moules et noyaux sur demande, l’après-midi était organisé autour de plusieurs thématiques présentées sous forme de workshops. Voxeljet a présenté ses techniques et ses avancées technologiques sur la fabrication additive avec liant organique et inorganique, la fabrication additive plastique (PMMA) et le « High speed sintering » HSS. Les sessions des workshops étaient organisées en parallèle, il a donc fallu choisir entre ces thématiques de grand intérêt.

A retenir du workshop 1 «  Fabrication additive de moules et noyaux sable à liants organiques (Organic Direct Binding ODB) » :

Technologie bien établie, les procédés de fabrication à base de résine furanique de Voxeljet (Furan Direct Binding FDB) se caractérisent par de faibles coûts, une grande diversité de composants réalisables et de sables utilisables (composition et granulométrie).

Le sable est dans un premier temps imprégné d’un catalyseur acide avant d’être déposé par couche sur la zone d’impression. Le liant est ensuite déposé par les têtes d’impression de façon sélective selon les zones déterminées par le fichier CAO. La mise en contact avec le catalyseur entraîne la condensation quasi immédiate de la résine et donc la solidification des moules ou noyaux. Les sables imprégnés de catalyseurs mais non liés ne sont pas réutilisables en l’état et leur taux de recyclage reste faible. Il faut noter également que certains sables, comme les sables alcalins, comme l’olivine par exemple, ne peuvent pas être utilisés du fait du caractère acide de la prise.

L’évolution de la taille des équipements permet aujourd’hui un grand volume de production de moules ou de noyaux soit de dimensions importantes soit par la fabrication simultanée de plusieurs moules et noyaux avec une optimisation de l’espace d’impression disponible. L’imprimante VX4000 permet d’atteindre des dimensions de moules ou d’ensemble de moules/noyaux allant jusqu’à 4 x 2 x 1 mètres.

L’application de ces résines furaniques à une large gamme de sables (siliceux, chromite, Cerabeads,…) permet d’obtenir des propriétés de coulée, des qualités de surface ou de perméabilité adaptées à tous les types d’alliages.

Alternative écologique à l’utilisation des résines furaniques, la fabrication additive de moules et noyaux à base de résines phénoliques (Phenolic direct Binding PDB) permet un taux de recyclage des sables pouvant atteindre 100% grâce à l’utilisation de sables bruts (non imprégnés). En effet, cette technique ne nécessite pas d’ajout de catalyseur, la prise du liant se faisant par chauffage. Après l’application d’une couche du sable, le liant à base de phénol est appliqué à l’aide des têtes d’impression. Le passage d’une lampe infrarouge sur la zone d’impression permet alors d’augmenter la température du sable et ainsi de durcir le liant.

Les moules obtenus par PDB se caractérisent par des propriétés mécaniques supérieures à celles obtenues par FDB (résistance à la flexion jusqu’à 500 N/cm³ ajustables par le taux de liant), une émission de gaz et des épaisseurs de paroi réduites et un état de surface plus fin qu’avec un liant furanique. Ils sont très utilisés dans l’industrie automobile, les noyaux de sable étant de plus en plus complexes et fins et nécessitant une grande résistance mécanique pour résister à la pression du métal. La prise de ces résines phénoliques demande l’apport d’une énergie thermique importante qui entraîne des temps de refroidissement après fabrication du moule.

A retenir du Workshop 2 : Fabrication additive de noyaux sable à liants inorganiques (Inorganic Binding IOB) :

Les techniques à base de résines organiques émettent des gaz plus ou moins toxiques selon leur composition principalement lors de la coulée du métal. La technique IOB a été développée principalement dans un but de respect de l’environnement et de régulation de ces émissions de gaz. Cette technologie à base de liant inorganique offre une alternative innovante pour un environnement de travail sans émission toxique et sans odeur puisque la seule réaction de ce liant inorganique lors de la coulée du métal est la formation de vapeur d’eau. Elle est particulièrement adaptée pour la coulée d’alliages légers et de noyaux à parois minces (de 3 mm à 40-50 cm) ou de géométries complexes malgré la sensibilité du liant sous atmosphère ambiante (température et humidité).

Développée en partenariat avec ASK Chemicals, cette technique de fabrication additive se base sur un système inorganique à deux composants INOTEC 3D (ASK Chemicals) composé d’un silicate de sodium auquel est ajouté un additif (teneur de 0,2 à 0,4 %) permettant d’améliorer la coulabilité du mélange sable/liant, la résistance mécanique du noyau et sa précision dimensionnelle. Le sable généralement utilisé est un sable siliceux de référence GS15 (AFS 100). Cette technologie est disponible sur le VX-1000-S, avec une performance cinq fois supérieure à celle des systèmes précédents. Le temps de dépôt d’une couche de seulement 12 secondes génère un débit volumique d’environ 54 l/h.

Ce procédé nécessite des traitements en post-fabrication à prendre en compte :

  • Un séchage préliminaire pour obtenir le durcissement du sable lié avant l’extraction du moule ou du noyau,
  • L’évacuation de la poudre non liée et l’extraction du moule ou du noyau,
  • Le post-durcissement des pièces sous air chaud,
  • La finition.

La durée de vie limitée des noyaux à cause de leur sensibilité à l’humidité ambiante est un des inconvénients majeur de l’utilisation de liant à base de silicate de sodium et l’élimination des noyaux après la coulée du métal reste problématique pour certaines géométries complexes de pièces.

Présentée lors de la GIFA (cf article « L’industrie 4.0 s’affiche à la GIFA » paru dans MetalBlog, le blog des experts de la métallurgie), cette nouvelle technologie innovante totalement automatisée d’impression 3D de noyaux complexes en inorganique, fruit de la collaboration de VoxelJet, Loramendi et Ask Chemicals, est aujourd’hui installée sur la ligne de production d’un constructeur automobile Allemand. Centrée sur la réalisation de composants critiques de moteur par impression 3D, cette nouvelle ligne de production nous a été présentée par Voxeljet avec un exemple de noyaux pour la production de carters cylindres automobiles.

Présentation de collaborations Voxeljet/Industries

La seconde journée du séminaire était consacrée aux exposés de clients ou partenaires de Voxeljet nous démontrant certains atouts de la fabrication additive sable ou plastique.

Ainsi l’entreprise Australienne CSIRO Manufacturing  a présenté le Lab22 qui offre aux entreprises australiennes un accès facile et rapide aux technologies de fabrication additive grâce entre autres à un VX-1000. Les tests de substitution du sable GS15 par un sable australien SF2 ont été effectués dans les installations de Voxeljet en Allemagne avant la mise en place de l’équipement au Lab22 limitant ainsi les coûts et les transports liés aux matières premières.

L’entreprise allemande Strassacker, spécialisée dans la fonderie d’art, a présenté plusieurs œuvres nécessitant des techniques d’une grande finesse et de précision obtenues à partir de moules fabriqués par impression 3D sur des équipements Voxeljet.   

Le développement de fabrication de noyaux par fabrication additive pour la coulée de pièces en aluminium, projet d’intrapreunariat de Safran, a ensuite été présenté. La faisabilité de ces noyaux a été démontrée suite à une collaboration avec l’entreprise SICTA qui a mis à disposition ses équipements Voxeljet. Ce projet a pour but de montrer l’intérêt de la fabrication additive pour la fabrication de moules et de noyaux complexes à partir de fichiers CAO dans des cas exceptionnels de production nécessitant une grande réactivité (réparation, pièces de rechange…) et ainsi limiter l’utilisation d’outillages de fabrication conventionnelle nécessitant des délais et des coûts souvent élevés.

La société japonaise AGC Ceramics a ensuite présenté son nouveau sable synthétique. Utilisant la technologie de l’électrofusion, ils proposent des billes artificielles à base d’alumine-zircone appelées FINE-Bz® ayant les caractéristiques de haute résistance, haute conductivité thermique, de stabilité chimique et de réfractarité (>1600°C).  Ce sable est imprégné d’un liant inorganique pour proposer le matériau BrightorbTM destiné à la fabrication de moules et noyaux céramiques par impression 3D.

Pour obtenir des propriétés mécaniques plus élevées et après impression,  les moules ou les noyaux peuvent être imprégnés de silice pour ensuite être frittés. Les propriétés mécaniques obtenues sont variables selon la température de frittage appliquée, pour un retrait maximal de 1%. Les moules à base de BrightorbTM frittés émettent un faible taux de gaz, présentent un faible niveau de fluage et une dilatation moyenne en comparaison aux moules obtenus avec des sables siliceux ou de Cerabeads.

La société allemande NRU, spécialisée dans la fabrication de prototypes et de petites séries a présenté le développement d’un noyau complexe obtenu par fabrication additive intégré dans un modèle en PMMA pour le procédé de moulage en cire perdue en partenariat avec Voxeljet et AGC Ceramics.

Si vous souhaitez des compléments d’information à ce sujet, n’hésitez pas à contacter Lise Guichaoua, Ingénieure Chimie des matériaux à CTIF.