nTopology : moulage par impression 3D d'un bras de robot

Dossier de conception : Moulage par impression 3D d'un bras de robot de 3 pieds de long

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Les moules et noyaux de fonderie en sable imprimés en 3D changent la façon dont sont fabriquées aujourd'hui les grandes pièces métalliques à haute performance. La fabrication additive permet aux fonderies modernes de produire des pièces métalliques complexes dans des délais rapides. Cet article explique les avantages du couplage d'outils de conception avancés avec des moules en sable imprimés en 3D en utilisant, à titre d'exemple, la reconception et la fabrication d'un bras robotique de 3 pieds de long.

Moulage en sable et impression 3D industrielle

Le moulage des métaux est une méthode de fabrication courante et éprouvée, utilisée pour produire des biens que nous incorporons dans notre vie quotidienne. Aujourd'hui, 90 % des produits manufacturés et des machines comprennent des composants fabriqués par moulage. Le procédé de moulage des métaux le plus populaire est le moulage en sable ; plus de 70 % de toutes les pièces métalliques sont fabriquées selon ce procédé de production.  Le processus de moulage en sable commence par la création d'un moule sacrificiel composé de sable compacté mélangé à un liant. La cavité du moule est ensuite remplie de métal en fusion à travers un système d'injection avant que le moule ne soit détruit pour libérer la pièce coulée.

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Grand moule en sable prêt à être utilisé après l'impression 3D et le nettoyage.

La coulée en sable remonte au 1er siècle avant Jésus-Christ. Au fil des siècles, elle a évolué vers le processus industriel que nous connaissons. Pourtant, les fonderies d'aujourd'hui bénéficient de l'avènement des technologies de fabrication numérique et d'impression 3D.
Le moulage en sable à l'aide de moules et de noyaux imprimés en 3D apparaît comme une application industrielle clé de la fabrication additive. Jusqu'à récemment, les ingénieurs concepteurs et les fonderies utilisaient cette technologie de fabrication hybride principalement pour le prototypage. Aujourd'hui, de plus en plus de fonderies aux États-Unis et à l'étranger adoptent cette technologie de fabrication pour améliorer leurs processus internes.

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Les moules et noyaux de sable imprimés en 3D sont fabriqués couche par couche directement à partir d'un fichier numérique dans un système d'impression 3D industriel. La tête d'impression projette des gouttelettes de liant sur de fines couches de sable pour créer chaque section transversale.

Moulage en sable et impression 3D industrielle

La coulée en sable remonte au 1er siècle avant Jésus-Christ. Au fil des siècles, elle a évolué vers le processus industriel que nous connaissons. Pourtant, les fonderies d'aujourd'hui bénéficient de l'avènement des technologies de fabrication numérique et d'impression 3D. Le moulage en sable à l'aide de moules et de noyaux imprimés en 3D apparaît comme une application industrielle clé de la fabrication additive. Jusqu'à récemment, les ingénieurs concepteurs et les fonderies utilisaient cette technologie de fabrication hybride principalement pour le prototypage. Aujourd'hui, de plus en plus de fonderies aux États-Unis et à l'étranger adoptent cette technologie de fabrication pour améliorer leurs processus internes.

Avantages du moulage en sable avec des moules et noyaux imprimés en 3D

Voici quelques-unes des façons dont l'impression 3D peut profiter à une fonderie :

Les moules et noyaux en sable imprimés en 3D facilitent la création de systèmes d'entrée et d'élévateurs qui permettent d'obtenir des pièces métalliques de haute performance présentant moins de défauts internes et une résistance des matériaux jusqu'à 15 % supérieure. La fabrication additive élimine le besoin d'outillage dur et de modèles de fonderie, ainsi que les restrictions géométriques associées. Cet avantage facilite la production de pièces optimisées à haute performance et à géométrie complexe. L'impression 3D et les autres technologies de fabrication numérique contribuent à transformer l'image de la fonderie traditionnelle, en attirant de jeunes talents et une nouvelle main-d'œuvre dans ce domaine.

Limites de la coulée en sable avec des moules et noyaux imprimés en 3D

Cependant, l'impression 3D n'est qu'un outil. Les limites de cette nouvelle technologie par rapport au moulage en sable sont les suivantes :

La conception des pièces doit toujours respecter les restrictions imposées par le processus de moulage et les systèmes d'impression 3D en sable. Ces considérations de conception comprennent l'épaisseur des parois, les modifications de la section transversale de la pièce et l'épaisseur de paroi à paroi. La disponibilité actuelle des imprimantes 3D de sable industrielles est limitée et le coût de fabrication des moules imprimés en 3D est relativement élevé. À titre de référence, l'impression 3D de sable coûte environ 0,1 dollar par pouce cube, tandis qu'une fonderie traditionnelle facture généralement un moule entre 10 et 20 000 dollars. Comme pour toute nouvelle technologie, l'accès aux connaissances et à l'expertise en matière de conception est encore limité. Les meilleures pratiques et les directives de conception insaisissables empêchent les ingénieurs et les fabricants de tirer le meilleur parti de cette nouvelle technologie L'étude de cas suivante aborde directement ce dernier point. En documentant la méthode de conception et les considérations pratiques qui ont présidé à chaque décision, nous espérons rendre cette technologie plus accessible aux fabricants, aux concepteurs et aux ingénieurs.

Étude de cas : Bras robotique à topologie optimisée

Pour démontrer les avantages du moulage en sable avec des moules et des noyaux imprimés en 3D, les ingénieurs de nTopology, de l'université de Penn State, de Flow 3D et de Humtown ont uni leurs forces pour redessiner un bras robotique d'un mètre de long. Ensemble, ils ont créé un flux de travail de moulage numérique de bout en bout, de l'optimisation des pièces à la conception pour la fabrication et, enfin, à la fabrication. L'équipe a combiné des techniques de conception de pointe, comme l'optimisation de la topologie, avec des caractéristiques de moulage avancées qui ne peuvent être fabriquées que de manière additive (notamment la carotte, les portes et les élévateurs).

 Grâce à cette méthode, l'équipe a réussi à
- Réduire le poids de la pièce de 40 %.
 - éviter les défauts de moulage courants
- Imprimer directement en 3D l'intégralité du moule en sable
- Fabriquer la pièce en moins d'une semaine

Génération d'un bras robotique léger

La première étape de ce projet a consisté à optimiser la géométrie du bras robotique. À l'aide d'un logiciel d'optimisation de la topologie, l'équipe a réduit le poids de la pièce de 40 % - de 240 livres à 165 livres - tout en répondant aux exigences fonctionnelles des conditions de charge définies. L'optimisation de la topologie est une technique de conception basée sur la simulation utilisée pour maximiser la rigidité et minimiser le poids dans les applications d'ingénierie aérospatiale et automobile. Les capacités automatisées de lissage et de reconstruction de nTopology ont permis à l'équipe d'apporter des modifications à la conception rapidement et avec peu d'efforts.

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Aperçu du processus d'optimisation de la topologie dans nTopology - de la conception initiale à l'exportation finale sous forme de corps CAO.

Bien entendu, l'équipe d'ingénieurs a tenu compte de la possibilité de fabriquer la pièce pendant la phase de conception. La pièce métallique finale pèse environ 75 kg lorsqu'elle est moulée en aluminium et a des dimensions de 39" par 16" par 16" (ou 1,0 m par 0,4 m par 0,4 m). La taille du bras robotique a limité les options dont disposait l'équipe pour produire cette énorme pièce.

"La seule façon de fabriquer une pièce aussi grande et aussi complexe est de tirer parti de la fabrication avancée. Les techniques de fabrication additive directe, comme le SLM ou l'EBM, n'étaient pas envisageables en raison de la taille de la pièce. C'est pourquoi nous avons décidé de coupler la fabrication additive avec un moule en sable."
Dr. Ryan O’Hara
Director of Aerospace Engineering at nTopology

Suivre la méthode traditionnelle de fabrication de moules (en utilisant un modèle maître) introduirait plusieurs complications. En raison de la complexité de la géométrie, l'équipe de conception aurait dû faire de nombreux compromis, ce qui aurait réduit les performances de la pièce.

Optimiser la conception du moule

Pour démontrer les capacités de la technologie, l'équipe a décidé d'imprimer directement en 3D l'intégralité du moule. Un scénario de production plus courant consisterait à n'imprimer en 3D que certaines parties du moule, comme les noyaux du moule ou d'autres systèmes essentiels à la qualité. Cette décision permet à l'équipe d'optimiser d'autres caractéristiques critiques du moule, comme la géométrie et l'emplacement des tiges de coulée, des entrées et des colonnes montantes. Ce processus a permis de s'assurer que le métal coulé aurait une porosité interne minimale et des propriétés matérielles très performantes. Le moule a été conçu dans le cadre d'une collaboration entre la Penn State University et Flow3D. L'équipe a tenu compte de deux exigences de conception principales au cours de cette étape :

Le métal fondu doit remplir la cavité de manière aussi fluide que possible. Des recherches ont montré que des débits inférieurs à 0,5 m/s sont nécessaires pour minimiser les turbulences et réduire la possibilité de défauts du matériau dus au détachement de la couche d'oxyde et à la porosité. Les colonnes montantes doivent se solidifier après la pièce. Une solidification inégale est une autre cause fréquente de défauts internes, de rétrécissement, de fissures et de déformation de la pièce. Pour cette raison, les sections qui seront usinées sur la pièce après le moulage doivent se solidifier en dernier.

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Le moule était fabriqué en pièces détachées, puis assemblé avant de couler le métal en fusion. Ce modèle de carotte à hélice en spirale ne pouvait pas être fabriqué avec des modèles traditionnels.

Pour s'assurer que le matériau remplit le moule sans introduire de turbulences, l'équipe a repensé la conception du système d'entrée et des colonnes montantes. Au lieu d'une carotte descendante, ils ont utilisé une sonde hélicoïdale en spirale. Au lieu d'élévateurs cylindriques, ils ont opté pour des élévateurs de forme sphérique ou hémisphérique. Cette géométrie optimisée de la carotte et de l'élévateur a permis de garantir que la vitesse d'écoulement du métal en fusion soit inférieure au seuil souhaité et que le métal en fusion se solidifie de manière homogène. De plus, ces caractéristiques ne pouvaient être réalisées qu'à l'aide de technologies de fabrication additive directe, car il est impossible de créer un tel outillage à l'aide d'un procédé traditionnel de fabrication de modèles de fonderie.

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La simulation du processus de coulée a aidé l'équipe à s'assurer que la vitesse d'écoulement était maintenue en dessous du seuil critique de 0,5 mm/s.

Génération d'un bras robotique léger

Pour déterminer la meilleure orientation de la pièce et la position optimale du canal, des vannes et des colonnes montantes, l'équipe a effectué plusieurs itérations de conception à l'aide d'un logiciel de simulation de coulée. L'objectif des simulations était d'optimiser les performances des colonnes montantes, de minimiser la porosité et de vérifier les vitesses d'écoulement des vannes. L'étape de simulation a permis de garantir que la pièce serait fabriquée du premier coup et de réduire le temps de développement de plusieurs mois à quelques semaines.

"Dans ce projet, nous avons appliqué toutes les connaissances en matière de moulage en sable que nous avons développées dans le laboratoire. Nous avons pu intégrer des conceptions de carottes et d'élévateurs théoriquement optimales qui ne peuvent être fabriquées à l'aide des méthodes traditionnelles. Cela s'est avéré très efficace pour réduire l'ensemble des défauts et a été validé par des simulations."
Dr. Guha Manogharan
Assist. Professor, Penn State University

Les capacités uniques de production directe du processus d'impression 3D permettent la production de ces méthodologies avancées de conception de moules. Il est également prouvé qu'elles permettent une amélioration significative des performances. Des recherches ont montré que, par rapport aux méthodes traditionnelles, les pièces moulées produites à l'aide de ce modèle présentent :  99 % de défauts en moins pour un total de 0,02 % d'inclusions internes non métalliques. Une résistance supérieure de 8 à 15 % lorsque les pièces sont coulées avec les mêmes matériaux. L'amélioration des performances des matériaux tels qu'ils sont coulés rend ce procédé particulièrement pertinent pour les fonderies qui créent des pièces hautes performances ou personnalisées.

Rationalisation du processus de fabrication

La capacité de produire rapidement les formes et structures complexes souhaitées dans le sable était fondamentale pour la fabrication de la pièce et pour atteindre les objectifs du projet. Humtown a utilisé l'un de ses quatre systèmes d'impression 3D à jet de liant de sable ExOne SMax pour fabriquer le moule. Une fois que les ingénieurs de Humtown ont reçu la conception finale du moule, ils ont pu l'imprimer en moins de 24 heures. Grâce à son partenariat étroit avec Humtown, Trumbull Foundry a pu couler le moule en un jour.

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Le processus de coulée du métal en fusion dans le moule imprimé en 3D est identique au processus de moulage en sable qui a lieu dans toute fonderie traditionnelle.

Humtown est l'un des principaux fournisseurs de solutions de moulage en sable imprimé en 3D aux États-Unis. Elle a adopté les nouvelles technologies et encourage désormais d'autres fonderies à adopter de nouvelles méthodes de moulage afin de créer un écosystème de chaîne d'approvisionnement allégé et agile.

"Nous devons commencer à pousser le casting à ses limites. La plus grande menace est de rester le même - faire ce que nous avons toujours fait. Nous avons besoin d'innovateurs qui tirent parti des nouveaux logiciels pour supprimer les obstacles à la conception des pièces et des pièces moulées. Nous avons également besoin que les fonderies américaines adoptent les nouvelles technologies pour rester pertinentes au niveau mondial."
Brandon Lamoncha
directeur de la fabrication additive, Humtown
Le moule a été détruit après la coulée pour libérer la pièce métallique qui est maintenant prête pour les opérations de post-traitement.

Points essentiels à retenir

Les technologies d'impression 3D changent la donne en matière de moulage des métaux. L'impression 3D en sable permet aux ingénieurs de conception et de fabrication de :

- Produire des pièces de grande taille optimisées avec des géométries complexes.
- Concevoir des moules de coulée qui minimisent les défauts internes des matériaux
- Construire des chaînes d'approvisionnement de fabrication plus légères et plus agiles.

source : nTopology