Garantir la qualité des pièces de fabrication d’additifs métalliques grâce à un étalonnage préalable

Garantir la qualité des pièces de fabrication d’additifs métalliques grâce à un étalonnage préalable

Les systèmes de surveillance en temps réel et l’analyse des données après impression sont des sujets très discutés ces jours-ci lorsqu’il s’agit de l’assurance qualité dans la fabrication d’additifs métalliques (AM ou impression 3D). Mais un aspect souvent négligé de la fabrication constante de pièces de haute qualité se produit bien avant l’impression : le calibrage avant la fabrication.

En ce qui concerne la fabrication, le calibrage garantit qu’un paramètre mesuré est en corrélation avec une valeur convenue qui se situe dans les limites de ce qui ferait un bon processus de fabrication. L’étalonnage est un élément essentiel de la qualification des pièces et des processus pour leur acceptation dans presque toutes les industries critiques desservies par la GA des métaux.

Les normes spécifiques à l’industrie sont encore relativement immatures pour les métaux AM, et de nombreux organismes de normalisation (ASTM, SAE, AWS, API, etc.) travaillent à l’élaboration ou au perfectionnement de leurs documents. La NASA a été l’une des premières organisations à publier de telles lignes directrices en octobre 2017 avec sa norme relative au matériel de vol spatial fabriqué en additif par le LPBF (MFSC-STD-3716) et la spécification de contrôle et de qualification du LPBF qui l’accompagne (MFSC-SPEC-3717), qui ont toutes deux servi de base à plusieurs autres organisations et organismes de normalisation. De nombreuses exigences de la NASA en matière de confiance dans la qualité des pièces imprimées – y compris l’étalonnage – ont été reprises dans les normes les plus récentes.

Selon la norme MFSC-SPEC-3717, « L’étalonnage n’est efficace que s’il est maintenu en permanence. Pour des raisons pragmatiques, la confirmation de l’étalonnage n’est pas possible sur une base pré-construction. Cet intervalle d’étalonnage basé sur le temps est établi comme un compromis entre l’efficacité de la production et l’assurance du processus ». Cette déclaration très importante dit essentiellement que le manque de capacité à calibrer une machine AM métallique avant chaque construction oblige les fabricants à choisir entre l’efficacité de la production et l’assurance qualité.

Toutefois, si cela était peut-être vrai lorsque la norme a été publiée en 2017, ce n’est plus le cas, car l’étalonnage avant la construction n’est pas seulement possible, c’est une réalité. Disponible dès à présent sur les systèmes d’AM de nouvelle génération, cette nouvelle capacité est prête à aider les fournisseurs à maximiser simultanément l’efficacité de la production et la garantie des processus, plutôt que de les obliger à sacrifier l’un pour l’autre.

Image 2. La santé des machines dans les systèmes AM avancés d’aujourd’hui peut être vérifiée par un simple clic pour s’assurer que la qualité du lit de poudre, les capteurs et l’optique sont calibrés et en condition optimale, et ne compromettront pas la qualité des pièces.

Calibrer l’optique

L’optique d’un système AM métallique comprend un ou plusieurs lasers et l’équipement connexe. Ils sont essentiels pour réaliser le processus de soudage L-PBF, dans lequel de très fines couches de poudre métallique sont fondues, les unes sur les autres, pour produire un composant. Mesurée en microns, chaque couche est généralement plus fine que le diamètre d’un cheveu humain, et il peut y avoir des dizaines de milliers de couches dans un composant donné. C’est la raison pour laquelle le calibrage est si important. Si un laser dans un système L-PBF n’est pas pointé au bon endroit avec la bonne puissance et se déplaçant à la bonne vitesse, alors la qualité du composant fabriqué sera probablement compromise. Le problème est aggravé dans les systèmes multi-lasers, où le calibrage doit également être cohérent entre les différents lasers.

Image 3. Sans un alignement laser d’étalonnage préalable, une dérive peut se produire sur les couches suivantes dans une construction AM.

La norme MFSC-SPEC-3717 spécifie plusieurs paramètres, dont la focalisation et l’alignement du laser, qui doivent être calibrés au moins tous les 90 jours afin que le processus de fabrication de l’additif reste qualifié et que les pièces produites soient étiquetées comme étant conformes. La NASA ne précise pas comment ces mesures doivent être calibrées, mais concède que « l’apposition de marquages ciblés sur une plaque plane et solide et l’évaluation des marquages par rapport aux mesures (sur la base des performances passées) peuvent fournir des preuves suffisantes de la santé de la tête du scanner ».

Cette méthode d’étalonnage, bien qu’elle soit une pratique courante dans l’industrie, est non seulement longue, mais elle comporte également un risque important d’incohérence. Il s’agit d’un processus presque entièrement manuel, ce qui signifie qu’il existe de nombreuses sources de variabilité inhérentes. Pourtant, il continue d’être utilisé parce que les fournisseurs d’équipements AM en place n’ont tout simplement pas eu accès à de meilleures méthodes dans le passé.

Pour calibrer la focalisation du laser, par exemple, de nombreux fabricants de machines demandent de placer une plaque d’aluminium anodisé dans la chambre de construction et de la placer avec précaution à la même hauteur sur le plan de construction que celle où le matériau serait imprimé (rappelez-vous, les microns comptent !). Des lignes sont brûlées dans la plaque, puis retirées et mesurées pour déterminer laquelle des pistes est la plus petite en diamètre, indiquant ainsi le foyer du laser. Dans le cas de l’alignement laser, les fabricants brûlent traditionnellement une série de lignes sur une plaque d’aluminium ou du papier thermique. Les résultats sont envoyés, parfois physiquement, à une tierce partie qui utilise une machine optique de mesure des coordonnées (CMM) pour analyser les résultats, générer un fichier d’étalonnage et renvoyer les mises à jour au fournisseur pour qu’elles soient installées par un ingénieur de service sur le terrain. Plusieurs itérations sont parfois nécessaires, ce qui augmente considérablement le temps total d’étalonnage. Souvent, ce processus peut prendre une journée ou plus, et ce temps improductif peut représenter un frein important au coût de propriété d’un équipement aussi coûteux.

Les systèmes AM de nouvelle génération offrent toutefois désormais des capacités de calibrage préalable qui rationalisent et automatisent le calibrage de l’optique des machines, de sorte que celles-ci n’ont pas besoin d’être mises hors ligne pour être calibrées. Ces nouveaux systèmes mesurent une variété de paramètres, notamment la stabilité du faisceau, l’alignement du laser et la mise au point, juste avant de lancer le processus d’impression 3D. Plutôt que de brûler des lignes sur des plaques d’aluminium, les utilisateurs finaux de la fabrication additive peuvent effectuer leurs calibrations optiques en appuyant sur un seul bouton, sans avoir besoin d’aucun équipement de mesure externe, comme des compteurs de puissance ou des profileurs de faisceau. Tout aussi important, ce processus automatisé permet de capturer une multitude de données qui ne sont pas disponibles avec les méthodes manuelles de calibrage. Ces données sont utilisées pour mettre à jour les tables d’étalonnage du système en temps réel et s’assurer qu’un composant donné est fabriqué selon les spécifications. Elles peuvent également être compilées au fil du temps pour être utilisées dans des programmes statistiques de contrôle des processus et d’autres systèmes de gestion de la qualité.

Calibrage du lit de poudre

Image 4. Détection des variations de la hauteur des couches. Les capacités d’assurance qualité des systèmes AM de nouvelle génération permettent de suivre si un bâtiment présente des signes de saillies indésirables ; le franchissement du seuil d’alerte alerte alerte l’utilisateur.

En plus de l’optique utilisée dans le processus L-PBF, le calibrage de la qualité du lit de poudre est essentiel pour la qualité des pièces. L’épaisseur et l’uniformité du lit de poudre doivent être précises pour garantir que les lasers fondent correctement chaque couche. Si le lit de poudre est trop épais, la couche peut ne pas fondre complètement, ce qui entraîne un manque de porosité de la fusion. Si elle est trop fine, le métal peut être surchauffé et peut même être vaporisé dans le bain de fusion. L’un ou l’autre de ces résultats peut avoir un effet très négatif sur les propriétés mécaniques de la pièce qui en résulte. Un bon calibrage est essentiel pour obtenir des couches de poudre précises qui, à condition que les optiques soient également correctement calibrées, donnent des couches de métal correctement soudées.

Il est intéressant de noter que, contrairement à ses directives de 90 jours en matière d’assurance optique, la NASA n’exige que le calibrage de la qualité du lit de poudre tous les 180 jours. Mais six mois, c’est tout simplement trop long pour attendre de recalibrer le lit de poudre, car un certain nombre de choses peuvent mal se passer lors du processus de rechargement d’une couche donnée. Tout comme l’essuie-glace d’une voiture laisse des traces lorsqu’il est usé, le revêtement peut être entaillé ou endommagé d’une manière ou d’une autre, ce qui laisse des traces dans le lit de poudre. Bien qu’il s’agisse d’un paramètre essentiel, les systèmes actuels ne disposent généralement pas d’un moyen quantitatif de mesurer la qualité et l’état du lit de poudre. Au lieu de cela, ils peuvent prendre des photos du lit de poudre et en faire une analyse qualitative, mais cela ne donne pas à un fournisseur de données réelles sur l’état du lit de poudre lui-même à un moment donné.

Les systèmes AM métalliques de nouvelle génération, en revanche, peuvent vérifier que le revêtement fait bien son travail avant et pendant chaque construction. Cette capacité repose sur les systèmes de métrologie par cartographie en hauteur, qui mesurent essentiellement la topologie du lit de poudre avec une résolution de 15 microns dans l’axe z et de 100 microns dans les axes x et y. Cette mesure véritablement quantitative garantit que la couche délivrée par l’applicateur est conforme aux spécifications en termes d’épaisseur et d’uniformité sur le plan de construction.

Garantir la qualité des pièces pour la fabrication de produits critiques

L’avantage le plus évident de l’étalonnage de l’optique, de la qualité du lit de poudre et d’autres paramètres avant la construction est l’identification des problèmes dans un système AM métallique avant qu’ils n’affectent la qualité du produit. Par nature, les composants créés à l’aide de procédés de fabrication additive ne sont pas bon marché. En fait, ils peuvent être assez coûteux et leur fabrication peut prendre un temps considérable. Les fuites de qualité sont d’autant plus coûteuses qu’elles sont découvertes à un stade avancé du processus de fabrication, il est donc très important de les détecter à temps, de préférence avant l’impression. En outre, si l’étalonnage n’a lieu que tous les 90 ou même 180 jours, il se peut qu’un problème ne soit détecté qu’après la fabrication d’une expédition de pièces. Si un laser est mal focalisé ou mal aligné, si sa puissance n’est pas adaptée à un travail donné, ou si la poudre est déposée de manière trop épaisse ou inégale, un lot entier de pièces pourrait être dirigé vers le tas de ferraille, ce qui coûterait des centaines de milliers de dollars. C’est inacceptable et tout simplement inutile avec les systèmes AM de nouvelle génération d’aujourd’hui.

Un deuxième avantage, moins évident, est que le calibrage des paramètres critiques d’un système de GA avant chaque construction crée une grande quantité de données qui peuvent être utilisées pour développer un contrôle statistique du processus autour de diverses mesures. En collectant des données avant chaque construction sur l’état du système optique, la qualité du lit de poudre et d’autres paramètres, il est possible de voir comment le système se comporte dans le temps et, en constatant une tendance à l’écart des spécifications avant qu’il n’atteigne réellement une limite de contrôle, de prévoir quand la machine pourrait avoir besoin d’une maintenance préventive.

En fin de compte, des calibrages plus fréquents et plus détaillés permettent d’obtenir des produits imprimés en 3D de meilleure qualité dans l’ensemble, et la nouvelle génération de machines à additif métallique rend ce processus rapide et convivial. L’amélioration du calibrage répond à une préoccupation majeure de la NASA concernant l’utilisation de la technologie L-PBF pour l’industrie aérospatiale. En effet, dans la norme MFSC-STD-3716, l’agence écrit que « le plus grand risque latent dans l’utilisation de pièces par fusion laser sur lit de poudre dans des applications critiques de vol spatial réside dans les limites de vérification de l’intégrité de chaque pièce ». Il est clair que la capacité des systèmes AM de nouvelle génération à effectuer un étalonnage avant chaque construction permet désormais à l’industrie de répondre à ces préoccupations, ouvrant la voie à l’acceptation de la fabrication d’additifs métalliques comme norme pour une variété d’applications critiques.

À propos de l’auteur

Le Dr Zach Murphree est vice-président des partenariats techniques chez Velo3D. Il a notamment occupé des postes d’ingénieur dans des entreprises du secteur de l’énergie, où il était chargé d’introduire la technologie de fabrication d’additifs métalliques dans une entreprise du secteur de l’énergie figurant au classement Fortune 500. Il est titulaire d’une licence et d’un doctorat en ingénierie aérospatiale de l’université du Texas et a obtenu plus de 35 brevets. Pour plus d’informations sur l’impression 3D sur métal sans support, visitez le site https://www.velo3d.com/.

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