Processus de fabrication amélioré avec Artec 3D et Geomagic Control X

Résumé : La fabrication multi-étapes peut introduire de l’incertitude et des écarts qui conduisent à des pièces finies imprécises. Les investigations correctives sont difficiles à mener, à moins d’adopter une approche systématique avec les outils adéquats.

L’objectif : Utiliser un scanner 3D Artec Space Spider et le logiciel de métrologie et de gestion de la qualité Geomagic Control X par 3D Systems pour réduire les coûts et la durée du projet, augmenter la précision, et dépasser les attentes de la fonderie avec un minimum d’itérations.

Outils utilisés : Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Control X

Scanner et inspecter des pièces issues de la fabrication additive entraîne des coûts réduits, des itérations minimisées ainsi qu’une précision et une qualité accrues.

Au fur et à mesure que les technologies de production évoluent, de nouveaux défis techniques se posent dans la fabrication des meilleures pièces possible. Une mise au point importante du nouveau processus est souvent nécessaire la première fois qu’un sous-traitant tente la production afin de comprendre des éléments tels que le rétrécissement, l’état de surface et la répétabilité. Bien que la fabrication additive ne soit pas une exception, les outils permettant de suivre ces éléments pour cette méthode de production ont accusé du retard.

La plupart des biens manufacturés suivent un processus commun tout au long de leur cycle de vie jusqu’à la production. Conception, Fabrication, Inspection est une façon généralisée d’envisager le processus, les étapes et les responsabilités. Chaque phase est cruciale pour produire des pièces de haute qualité. En fonction de la complexité et de la nature de la pièce produite, le flux de production réel peut comprendre de nombreux réglages et retours.   

Dans l’exemple de flux de production décrit ci-dessous, nous montrons comment Artec Space Spider et le logiciel Geomagic offrent ensemble une numérisation totale de la forme et une analyse des pièces moulées et des modèles de moulage en cire imprimés en 3D, à toutes les étapes de la conception, des essais et de la fabrication.

DÉFI

La fabrication multi-étapes peut introduire de l’incertitude et des écarts qui conduisent à des pièces imprécises. Les investigations correctives sont difficiles à mener, à moins d’adopter une approche systématique avec les outils adéquats.

SOLUTION

Le scanner 3D Artec Space Spider et le logiciel de métrologie et de gestion de la qualité Geomagic® Control X™ par 3D Systems

RÉSULTATS

• L’optimisation de la fabrication additive de modèles sans outillage avec le scan 3D et l’inspection a amélioré les résultats avec un minimum d’itérations (une)

• Réduction des coûts de 27 % avec une augmentation de la précision totale de 10 %

• Coopération étroite avec une fonderie, et analyse des pièces finies, qui dépassent les attentes de la fonderie avec un minimum d’itérations (une)

• Précision des pièces finies améliorée de 14 %

• Réduction des coûts de finition avec des opérations d’usinage secondaire réduites

Artec Space Spider est un scanner 3D portable d’ultra-haute résolution qui excelle dans la numérisation précise de petits objets et détails complexes pour l’inspection dimensionnelle.

Grâce à son fonctionnement de type « plug and play », Space Spider scanne les objets facilement, sans préparatifs compliqués ni formation poussée de l’utilisateur, ce qui permet aux clients de numériser des pièces n’importe où. Les algorithmes propriétaires « sans cible » d’Artec 3D permettent au scanner de suivre l’objet uniquement grâce à sa forme et à sa couleur. Pas besoin de placer des cibles sur l’objet.

Logiciel de scan Artec Studio

Geomagic Control X de 3D Systems est un logiciel de métrologie industriel qui permet d’analyser et de corriger les causes racines pour la production. En tant que logiciel de scan 3D natif, Control X est une solution idéale pour la métrologie avec des appareils de mesure portables. Avec Control X, davantage de personnes dans votre entreprise peuvent mesurer plus rapidement, plus souvent, plus complètement, et n’importe où.

La solution complète offre un aperçu unique d’une production réussie dans un processus de fabrication complexe. Résultat ? Qualité des pièces finies grandement améliorée, précision et répétabilité.

Conception

Pour cet exemple de flux de production, nous avons reproduit un vrai projet de client en en généralisant les détails. Dans ce cas-ci, notre client développait un véhicule spécialisé léger de conduite autonome. Afin d’accélérer sa mise sur le marché, une série de composants et de systèmes provenant de véhicules actuellement disponibles ont été sélectionnés et combinés pour créer un prototype fonctionnel. Lors de ce processus, un porte-fusée important pour le projet a été trouvé, et le client devait numériser et capturer son design pour le modifier et le produire dans un matériau léger.

Le moulage original a d’abord été scanné en 3D et rétro-conçu. Artec Space Spider a servi à sa numérisation rapide, et la pièce a été rapidement et précisément modélisée dans Geomagic Design X grâce à une approche unique de modélisation hybride. En général, nos clients appliquent une méthode de modélisation conforme à l’exécution (très précise) ou d’intention de conception (orientée vers les dimensions). Une approche de modélisation hybride consiste à combiner ces deux concepts pour produire un modèle solide de CAO qui comporte à la fois des fonctions dimensionnées ainsi que des surfaces NURBS très précises. Grâce à cette stratégie, le modèle a été terminé en moins d’une heure et demie, et transféré directement vers SOLIDWORKS en tant que CAO basée sur les fonctions.

Scan original de la pièce

Modèle CAO hybride

Modèle defeaturé pour impression

Impression 2500 IC incomplète

Exemple de section transversale du mode de remplissage épars sur Projet 2500 IC

Création de modèles

La fabrication additive est utilisée depuis plusieurs décennies dans les applications aérospatiales et automobiles pour produire des modèles de moulage sacrificiels. Grâce aux récentes avancées dans l’impression 3D, des modèles de qualité industrielle peuvent être imprimés dans de la cire ou des polymères à des frais considérablement réduits et fonctionnent à merveille pour le moulage à la cire perdue. Aujourd’hui, 3D Systems voit une adoption plus répandue de la fabrication additive de modèles sans outillage, qui continuera à croître au fur et à mesure que la technologie deviendra plus accessible, rapide et précise.  

Quel que soit le processus additif impliquant une énergie thermique dans le dépôt de matière ou le post-traitement, une déformation et un « tassement » de la pièce peuvent se produire. Les pièces ayant une masse ou une section transversale considérables retiendront la chaleur plus longtemps que les pièces plus petites ou plus fines.

Sachant cela, nous avons testé deux méthodes d’impression dans le but de réduire au maximum le coût des biens imprimés et de maximiser la stabilité dimensionnelle.  Nous avons testé une méthode d’impression à la cire complètement solide ainsi qu’une méthode de remplissage épars à la cire avec une coque fine, préparée par le logiciel client 3D Sprint Build et imprimée sur le système Projet MJP 2500 IC, qui produit des modèles de moulage en cire. Notre expérience passée nous a montré qu’une coque de 2 mm avec un taux de remplissage épars de 50 % produit des pièces stables de haute qualité lors de l’impression de pièces relativement grandes.

Après le post-traitement et le temps de refroidissement, nos deux modèles ont été scannés relativement facilement avec le même Artec Space Spider. La forme unique des pièces, la couleur verte de la cire, et le léger effet de ternissement et de blanchiment du post-traitement ont permis à notre opérateur de scan de numériser aisément les modèles en utilisant le suivi géométrie + texture.

À l’aide de Geomagic Control X, nous avons directement importé notre fichier 3D Sprint Build et inspecté chaque pièce dans son orientation d’impression exacte pour la routine d’inspection. Sachant que nous allions scanner notre pièce itérativement pour améliorer notre processus, nous avons pu mettre en place un projet d’inspection détaillé et le dupliquer plusieurs fois tout en maintenant l’historique du développement du processus entier dans un fichier Geomagic Control X unique. Lorsque les scans ont été achevés, nous avons simplement déposé chaque nouveau fichier STL dans le projet Control X et le processus d’évaluation a automatiquement pris la relève, donnant lieu à des rapports répétables de haute qualité.

Nous avons découvert que toutes les zones avec des offsets d’usinage étaient généralement dans la tolérance du moulage, mais que les zones plus libres présentaient des tendances situées à l’extérieur d’une plage de tolérance étroite. Nous y voyons une corrélation avec notre hypothèse selon laquelle les sections transversales larges retiennent la chaleur et peuvent changer de forme lors du refroidissement. 

Notre analyse complète de cette étape nous a permis de tirer la conclusion selon laquelle l’impression 3D avec le modèle en cire était non seulement plus rentable mais également plus conforme aux dimensions après le post-traitement. 

Moulage

Le moulage à la cire perdue est une méthode de fabrication éprouvée âgée de 5 000 ans et établie dans la production industrielle mondiale depuis l’aube de la révolution industrielle, il y a plusieurs siècles.

Aujourd’hui, le moulage est relativement développé et répétable, bien connu, et assuré par un logiciel de simulation pour réduire les risques de défauts internes des pièces. Avec un partenaire de fonderie expérimenté et des efforts minimes de la part du client, il est possible de fournir des modèles issus de la fabrication additive et de produire des pièces sans le moindre défaut interne et qui dépassent généralement les attentes communément nourries en termes de moulage.  

Les clients participant activement au test du résultat et à l’itération du processus peuvent s’attendre à des résultats de bien meilleure qualité lors de l’optimisation de la géométrie des pièces, grâce à la stabilité du processus de moulage lui-même.

Taille du moulage requise

Taille réelle du modèle

• ~ 35 % de matériaux en moins utilisés lors du processus.

• ~ 27 % de réduction des coûts des matériaux.

• ~ 10 % d’augmentation en matière de conformité générale aux tolérances (à l’aide de 3D Comparison).

• La pièce solide n’a pas franchi notre seuil de tolérance.

• La partie de remplissage a franchi notre seuil de tolérance.

• Par ailleurs, une inspection plus poussée a montré que la stabilité dimensionnelle à long terme à température ambiante a été améliorée sur la pièce solide.

Analyse : Modèle en cire solide

Analyse : Modèle en cire avec remplissage

Le rétrécissement est un résultat connu du moulage, et une fonderie offre en général des conseils à ses clients pour compenser le rétrécissement d’un matériau spécifique, de la taille d’une pièce définie par une boîte limite. En raison de la complexité de la géométrie, amplifiée par le processus de moulage physique, un rétrécissement non uniforme est fréquemment observé pour la majorité des pièces. Le moulage peut ainsi être considéré comme un processus de « tolérance flottante ».  

Lors des processus de moulage pour notre porte-fusée, nous avons cherché un taux de rétrécissement qui conviendrait à notre modèle et à notre matériau. Après avoir consulté la fonderie, un taux uniforme de 2 % a été recommandé pour produire une pièce correcte. Pour étudier l’effet que le scan 3D et un facteur d’échelle de précision peuvent avoir sur la précision de la pièce finale, nous avons produit un modèle en cire avec un facteur d’échelle de 2 %, comme conseillé, et l’avons livré à la fonderie.

Un contrôle plus poussé des pièces moulées a été réalisé pour vérifier si le facteur d’échelle uniforme était conforme aux tolérances attendues. Nous avons obtenu une pièce qui correspondait aux critères de précision atteignables spécifiés par notre partenaire. Toutefois, une inspection plus approfondie avec l’outil de comparaison des sections transversales dans Control X a montré des zones évidentes où une meilleure application du facteur d’échelle de précision pourrait améliorer considérablement la précision générale de la pièce finie.

Cette comparaison des silhouettes des sections transversales avec une plage de tolérance serrée montre clairement des bords extérieurs en bleu, et des bords intérieurs orange et rouges. Le contour extérieur confirme un « sous-dimensionnement » où la limite réelle de la pièce se trouve à l’intérieur de la limite de référence. Le contour intérieur montre que le cylindre central a des dimensions inférieures à celles prévues mais apparaît à l’extérieur de la référence. Ceci indique que l’ombre de la silhouette totale de la pièce a une différence d’échelle pouvant être corrigée en augmentant le facteur d’échelle, en imprimant et en moulant une nouvelle fois.

Les précédentes enquêtes visant à améliorer le processus de moulage nous ont fourni des informations sur les ajustements relatifs à partir des valeurs standard recommandées que nous pouvons appliquer, et un deuxième modèle en cire a été imprimé avec un facteur d’échelle non uniforme de 2,2 %, 2,3 %, et 2,7 % dans X, Y, et Z, respectivement, et fourni à la fonderie.

Une inspection finale du modèle compensé de précision nous a permis de tirer des conclusions sur le processus « modèle à pièce » :

• Le modèle à l’échelle de précision a produit des résultats qui ont dépassé les attentes de la fonderie.  

• La conformité dimensionnelle générale de la pièce corrigée a augmenté de ~14 %.

• Au moins une opération d’usinage majeure pourrait être évitée en augmentant la précision.

• Le coût total de la production de la pièce a été réduit.

• Une analyse ultérieure est nécessaire pour voir si les opérations d’usinage pourraient être réduites grâce à davantage de précision.

Conclusion

L’efficacité est cruciale pour maintenir les profits et réduire le gaspillage dans les cycles humains et les cycles de production. Grâce à Artec 3D Space Spider et à Geomagic Control X, nous avons réussi à améliorer la qualité générale de notre pièce fabriquée en analysant chaque étape de notre processus, avec le moins possible de cycles de réglages et d’itérations. L’utilisation d’une solution globale comprenant un scan 3D de haute qualité et un logiciel d’inspection industrielle de scan natif a pour avantages clés de réduire les itérations et les conjectures, de faire gagner du temps et de l’argent, et d’accélérer la mise sur le marché. 

Analyse : Section transversale d’erreur d’échelle

Pièce moulée finale

Analyse du moulage final