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RÉSUMÉ
Utilisée dans la fabrication de moules d'injection de polymères, la fabrication additive métallique 3D permet de réaliser des inserts qui améliorent le rendement du refroidissement de la pièce injectée. En rendant possible la fabrication d'un réseau complexe de canaux de refroidissement situés au plus près de la surface moulante, cette technologie matérialise le concept dit de refroidissement conforme. Cet article détaille les différentes étapes de la conception-réalisation d'une telle pièce, la clé de l'optimisation étant la prise en compte de toutes les particularités de chaque étape du procédé ; il s'appuie sur des exemples industriels réels pour illustrer l'efficience de cette approche.
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When used to manufacture injection molding tools parts or inserts, additive metal manufacturing enables the creation, within the insert core, of complex cooling channels that closely map the mold cavity surface, allowing for an optimized cooling rate of the injected plastic part. This leads to an embodiment of the so called “Conformal Cooling” concept. This article reviews the different steps one has to go through when designing the machining process, and details how each step has to be calibrated to match the final cooling optimization goal with the specific additive 3D manufacturing features. The conformal cooling advantages are demonstrated through real industrial case studies.
Auteur(s)
-
Stéphane GARABEDIAN : Chef de projet fabrication additive - Centre technique industriel de la plasturgie et des composites (CT-IPC), Oyonnax, France
-
Thomas JOFFRE : Responsable programme fabrication additive/usine du futur - Centre technique industriel de la plasturgie et des composites (CT-IPC), Oyonnax, France
INTRODUCTION
Les procédés de fabrication additive métallique offrent une liberté de conception et de réalisation plus importante qu’avec les procédés traditionnels, ce qui permet de fabriquer des pièces de formes très complexes, avec des gains de poids déterminants pour certaines applications, par exemple dans les secteurs aéronautique et médical. Toutefois, leur intérêt ne s'arrête pas à ces seules applications : la fabrication additive métallique peut être avantageusement utilisée dans la réalisation d'outillages – ou de parties d'outillages – de moules d’injection de polymères : les empreintes ou les inserts. L’intérêt de réaliser une empreinte de moule d’injection en fabrication additive métal ne réside pas dans la réalisation de surfaces moulantes : n’étant pas assez précises, toutes les surfaces en contact avec la pièce injectée en matière plastique devront être reprises en usinage. Le point clé qui a permis à l’impression 3D de s’imposer dans le secteur de l’outillage est la création des canaux de refroidissement complexes à l’intérieur du moule. On parle de Conformal Cooling ou de refroidissement conforme : les canaux permettent de se rapprocher au mieux de la surface moulante et donc d’optimiser et homogénéiser le refroidissement de la pièce plastique injectée dans le moule. L’optimisation du refroidissement permet de réduire le temps de cycle de l’injection et donc d’augmenter la productivité d’un moule. L’homogénéisation permet quant à elle d’obtenir une meilleure qualité de pièce et ainsi d’éviter certains défauts d’injection comme les lignes de soudure, les retassures ou la déformation de la pièce au démoulage.
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KEYWORDS
power bed fusion | cooling channels | mold cavity surface | maraging steel
DOI (Digital Object Identifier)
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Accueil > Ressources documentaires > Mécanique > Fabrication additive – Impression 3D > Enjeux, procédés et marchés > Fabrication additive - Optimisation par refroidissement conforme des moules d'injection > Fusion laser sur lit de poudre
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Étapes de mise en œuvre pertinente de l’impression 3D métallique pour les outillages1. Fusion laser sur lit de poudre
Le but de cette section est de présenter brièvement le principal procédé utilisé pour la réalisation d’empreintes de moules en fabrication additive : la fusion laser sur lit de poudre. L’accent sera ici mis sur l’utilisation de l’acier maraging qui est l’acier le plus couramment utilisé pour la réalisation d’empreintes de moule.
Le procédé de fusion laser sur lit de poudre [BM 7 900] est connu sous plusieurs noms (figure 1), il sera cependant abrégé ici LPBF (Laser Powder Bed Fusion) qui reste aujourd’hui l’un des acronymes le plus utilisé dans la plasturgie avec SLM qui est l’acronyme déposé par la société SLM Solutions.
Une poudre d’acier est déposée à l’aide d’un racleur sur un plateau de fabrication. Un laser d’une puissance généralement comprise entre 0,25 et 1 kW vient fusionner localement la poudre conformément à un parcours préalablement déterminé. Les machines fonctionnent sous atmosphère inerte (argon ou azote). L’argon permet d'obtenir un taux d’oxygène dans l’enceinte plus bas que dans le cas avec de l’azote ([O2] << 0,1 %). Cependant, l’acier n’étant pas un matériau réactif, la fusion sous azote est possible. La poudre utilisée a généralement une granulométrie comprise entre 20 µm (D10) et 53 µm (D90) ce qui permet de réaliser des couches d’impression allant de 20 µm à 80 µm. Les deux matériaux les plus utilisés sont l’acier maraging 18Ni300 et l’acier inoxydable Corrax/CX. Les compositions de ces deux nuances sont données dans le tableau 1.
L’acier maraging reste aujourd’hui le plus utilisé pour la réalisation d’empreintes : cet acier étant très dur avec un comportement fragile (élongation à la rupture d’environ 3 % après revenu 52-54 HRC), il est possible de réaliser des pièces très massiques (> 50 kg)...
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Fusion laser sur lit de poudre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AGAZZI (A.), SOBOTKA (V.), LE GOFF (R.), GARCIA (D.), JARNY (Y.) - A methodology for the design of effective cooling system in injection moulding. - International journal of material forming, 3(1), p. 13-16 (2010).
-
(2) - YIN (S.), CHEN (C.), YAN (X.), FENG (X.), JENKINS (R.), O'REILLY (P.), LUPOI (R.) - The influence of aging temperature and aging time on the mechanical and tribological properties of selective laser melted maraging 18Ni-300 steel. - Additive Manufacturing, 22, p. 592-600 (2018).
-
(3) - HAN (S.), SALVATORE (F.), RECH (J.), BAJOLET (J.) - Abrasive flow machining (AFM) finishing of conformal cooling channels created by selective laser melting (SLM). - Precision Engineering, 64, p. 20-23 (2020).
-
(4) - GALANTUCCI (L.M.), DASSISTI (M.), LAVECCHIA (F.), PERCOCO (G.) - Improvement of fused deposition modelled surfaces through milling and physical vapor deposition. - In 1st Workshop on the State of the Art and Challenges of Research Efforts at POLIBA, vol. 1, p. 87-92 (2014).
-
(5) - Van BELLE (L.), VANSTEENKISTE (G.), BOYER (J.C.) - Investigation...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs de machines de fusion laser (liste non exhaustive)
3D Systems (ex Phenix Systems)
http://www.phenix-systems.com/
Addup
https://www.addupsolutions.com/
Concept Laser
EOS
Renishaw
SLM Solutions
http://www.stage.slm-solutions.com/
HAUT DE PAGE1.2 Fournisseur matériaux pour outillage (liste non exhaustive)
VBN
HAUT DE PAGE
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