Systèmes CNC hybrides : Révolutionner la fabrication additive et soustractive

Découvrez les avantages de systèmes CNC hybrides qui intègrent de manière transparente la fabrication additive et soustractive. Explorez les applications, les avantages et les tendances futures dans des secteurs tels que l'aérospatiale et les appareils médicaux. Découvrez comment les principaux fabricants font progresser cette technologie innovante.

Systèmes CNC hybrides : Combiner la fabrication additive et soustractive

Cet article présente une vue d'ensemble de la fabrication hybride, en commençant par une introduction aux systèmes hybrides et à leur évolution historique. Il oppose la fabrication additive et la fabrication soustractive, en examinant leurs définitions, leurs processus, ainsi que leurs avantages et inconvénients respectifs. La nécessité des systèmes hybrides est étudiée, en soulignant les limites des technologies autonomes et les avantages de l'intégration des deux méthodes. Les principaux avantages des systèmes hybrides sont examinés, notamment l'augmentation de la complexité et de la liberté de conception, le dépôt localisé de matériaux, les capacités de réparation des pièces, la réduction des déchets et les applications dans le domaine de l'outillage et de la production à faible volume. L'article traite également de l'impression 3D à commande numérique, en détaillant l'intégration des processus additifs sur les machines à commande numérique et le flux de travail hybride moderne. Il examine en outre les caractéristiques des principaux systèmes additifs et soustractifs, en mettant l'accent sur les technologies et les composants de base. La technologie de réparation hybride est présentée, avec ses applications dans l'aérospatiale et les pièces de grande valeur. Le concept d'usinage multiprocédé est également exploré, en particulier l'intégration du FDM sur les fraiseuses et la conception de plates-formes hybrides modulaires. Pour l'avenir, l'article met en lumière les applications émergentes et les innovations dans le domaine de la fabrication hybride, ainsi que les tendances en matière de logiciels et d'automatisation. La conclusion résume l'impact de la fabrication hybride et donne un aperçu des développements futurs. Enfin, une section FAQ répond aux questions les plus courantes concernant la fabrication hybride, en apportant des réponses claires et des éclaircissements.

La fabrication hybride est une avancée technologique qui associe les possibilités de planification de la fabrication additive à la précision et à l'efficacité des processus d'usinage soustractif. En coordonnant les procédures de déclaration d'énergie, par exemple le revêtement au laser, directement sur les machines à commande mathématique par ordinateur (CNC), les producteurs peuvent utiliser les deux avancées d'une manière totalement intégrée. Les premières tentatives de fabrication hybride ont consisté à doter les machines CNC existantes de capacités d'additifs. Cependant, une véritable synergie est obtenue grâce à des systèmes spécialement conçus pour une intégration transparente des flux de travail de la fabrication additive et soustractive. Des équipementiers de premier plan comme Mitsui Seiki et DMG Mori ont mis au point des plates-formes hybrides sophistiquées qui montent des têtes laser et des buses d'alimentation en poudre sur des broches de machines, de la même manière que des outils de coupe ordinaires. Lorsque les processus additifs et soustractifs sont combinés sur une plate-forme hybride optimisée, de nouvelles possibilités apparaissent. Des géométries internes complexes peuvent être construites tout en maintenant des tolérances étroites lors de l'usinage ultérieur. Le dépôt localisé de matériaux multiples et les applications de réparation de pièces sont également possibles. Cet article explore les aspects techniques et les applications industrielles de la fabrication hybride. Il couvrira la conception de systèmes intégrés, l'intégration des processus additifs et soustractifs, les applications dans des industries telles que l'aérospatiale et les perspectives d'avenir de la fabrication multi-procédés.

La fabrication hybride est une tendance en développement selon l'examen des informations. Les recherches sur la "fabrication hybride" ont commencé à augmenter en 2016 et ont continué à grimper régulièrement depuis lors. Cela correspond au fait que d'importants fabricants de machines-outils tels que Mitsui Seiki et DMG Mori ont livré leurs cadres croisés les plus mémorables et économiquement accessibles vers 2015-2016. Des termes de recherche connexes tels que "fabrication additive-soustractive" et "[...].Impression 3D CNC"ont suivi une tendance comparable à la hausse en termes de volume de recherche au cours des dernières années. L'intérêt provincial montre en outre que la fabrication de demi-produits est de plus en plus considérée au niveau mondial. Les États-Unis, l'Allemagne et le Japon ont largement contribué au volume de recherche jusqu'à présent, peut-être en raison de l'accueil réservé par les équipementiers aéronautiques/automobiles et leurs chaînes de stockage dans ces pays. L'Inde est également apparue comme un marché en pleine expansion pour les demandes d'innovation en matière de crossover. Au niveau de l'État ou de la localité, dans les grands pays, les modèles de recherche s'alignent sur les principaux centres de fabrication modernes. Aux États-Unis, la Californie, l'État de Washington et le Michigan sont en tête de liste. En Allemagne, l'intérêt se porte sur le Bade-Wurtemberg, la Basse-Saxe et la Rhénanie-du-Nord-Westphalie. Cela correspond au regroupement d'entreprises d'aviation, de conception et de fabrication qui adoptent les nouvelles portes ouvertes. L'analyse globale confirme l'intérêt croissant et l'adoption des technologies de fabrication hybrides dans le monde entier au cours des dernières années. L'accès élargi aux systèmes habilitants laisse présager une nouvelle expansion à mesure que de nouvelles applications voient le jour dans tous les secteurs.

Fabrication hybride

Fabrication additive et soustractive

La fabrication additive, par exemple le frittage laser, fabrique des pièces couche par couche en fusionnant des matériaux tels que des poudres de plastique ou de métal. Il est intéressant de noter que la fabrication soustractive utilise des méthodes telles que l'usinage à commande mathématique par ordinateur (CNC) pour enlever ou écraser la matière d'un bloc solide ou d'une préforme afin de fabriquer une pièce moulée. Les deux approches présentent des avantages et des inconvénients. La fabrication additive permet d'obtenir des caractéristiques internes complexes et une liberté de conception puisqu'elle fonctionne par ajout progressif de matière. Cependant, la finition de la surface a tendance à être rugueuse avec des lignes de couche visibles. Elle est également plus lente que les procédés soustractifs. La fabrication soustractive offre une bonne précision dimensionnelle et une bonne finition de surface grâce à l'usinage de préformes. Mais elle se heurte à une grande complexité géométrique et gaspille davantage de matière.

La nécessité de systèmes hybrides

Pour surmonter les limites des systèmes additifs et soustractifs autonomes, les systèmes hybrides combinent les deux approches. Cela permet de tirer parti des deux approches au sein d'un même processus de fabrication et d'une même machine. Les systèmes hybrides intègrent différentes options pour l'ajout et l'enlèvement de matière, ce qui permet de nouvelles fonctionnalités. En combinant les processus, la fabrication hybride résout des problèmes tels qu'une mauvaise finition de surface due à la fabrication additive. Elle résout également les problèmes de fabrication soustractive liés aux structures internes complexes. Sur une plateforme hybride, les caractéristiques peuvent être alternativement ajoutées et usinées selon les besoins, pour des raisons de vitesse, de précision ou de propriétés des matériaux.

Avantages des systèmes hybrides

Complexité accrue

Des canaux internes, des structures en treillis ou cellulaires deviennent possibles puisque des couches peuvent être placées à l'intérieur des préformes à l'aide de techniques additives.

Dépôt localisé de matériaux

Différents matériaux peuvent être déposés selon des modèles personnalisés, ce qui permet d'obtenir des pièces multi-matériaux ou fonctionnellement graduées.

Réparation des pièces

Les composants endommagés peuvent être restaurés en reconstruisant les zones usées par dépôt additif suivi d'un usinage.

Réduction des déchets

Moins de matière première est perdue par rapport à l'usinage d'ébauches solides, puisque l'additif alimenté par poudre n'utilise que les quantités de matière nécessaires.

Applications de l'outillage

Les moules, les matrices et les fixations peuvent utiliser des poudres métalliques moins chères, tandis que les fraises incorporées fournissent les finitions de surface nécessaires.

Production en faible volume

Les systèmes hybrides augmentent l'efficacité des pièces complexes, personnalisées ou de faible volume qui, autrement, seraient soumises à de longs délais d'exécution dans le cadre de l'usinage traditionnel.

Implants médicaux

L'intégration de matériaux biocompatibles additifs/soustractifs permet de produire des implants médicaux et des prothèses complexes et personnalisés.

Impression 3D CNC

Intégration de la technologie additive dans les machines à commande numérique

Les premières tentatives de systèmes hybrides ont consisté à équiper des fraiseuses ou des tours CNC existants de capacités de fabrication additive. Pour ce faire, on montait des équipements de dépôt tels que des lasers et des alimentations en poudre directement sur les broches des machines. Toutefois, ces premières adaptations ont posé des problèmes en raison de l'intégration non optimale du matériel de fabrication additive. Elles manquaient également d'une véritable intégration des processus où l'impression et l'usinage pouvaient s'alterner de manière transparente sous un contrôle coordonné. Les systèmes hybrides modernes offrent des solutions plus élégantes. Des fabricants comme Mitsui Seiki conçoivent des machines dès le départ pour des flux de travail additifs et soustractifs totalement intégrés. Les lasers et les buses sont conçus pour être montés et remplacés comme des outils de fraisage ordinaires. Les alimentations en poudre et en énergie peuvent se coupler automatiquement et rapidement à la tête pour une déposition rationalisée des matériaux.

Processus hybride

Un jumeau numérique ou un modèle de simulation virtuelle constitue la base d'un processus de fabrication hybride sur ces machines intégrées. Une pièce est d'abord scannée à l'aide d'un scanner laser, et les données du scan sont comparées numériquement à une version du modèle CAO. Le logiciel de planification des processus génère ensuite automatiquement des parcours d'outils additifs pour le dépôt ainsi que des parcours d'outils soustractifs pour toutes les étapes d'usinage ultérieures. Ces parcours d'outils alimentent un contrôleur central qui supervise l'équipement automatisé. La pièce subit une fabrication séquentielle comprenant le dépôt de matériau, l'usinage des caractéristiques, un nouveau dépôt de matériau additif et d'autres itérations d'usinage jusqu'à ce qu'elle soit entièrement terminée. La surveillance du processus à l'aide de capteurs garantit la précision dimensionnelle et le contrôle thermique tout au long du processus.

Applications de l'impression 3D CNC

Les principales applications démontrées jusqu'à présent par les systèmes hybrides comprennent la réparation de composants aérospatiaux usés tels que les pales de turbines à gaz. La capacité de reconstruire les zones endommagées par un dépôt local suivi immédiatement d'un usinage rend cette application bien adaptée. D'autres applications comprennent la création de pièces aux géométries complexes impossibles à réaliser par l'usinage seul, telles que des éléments encastrés avec des structures en treillis poreux. Les pièces multi-matériaux tirent également parti des capacités d'intégration des matériaux des systèmes additifs et soustractifs hybrides. Globalement, en associant directement la fabrication additive par laser aux opérations d'usinage CNC de haute précision, les machines hybrides offrent de nouvelles libertés de conception et des gains de productivité par rapport aux systèmes autonomes. Elles combinent le meilleur des technologies de fabrication additive et soustractive.

Systèmes additifs et soustractifs

Intégration du dépôt sur les machines-outils

Les principaux fabricants de machines-outils ont mis au point des systèmes hybrides sophistiqués qui intègrent les capacités de fabrication additive directement dans l'équipement de fabrication soustractive. Au lieu d'ajouter des lasers comme de simples boulons, ces machines hybrides sont conçues pour une intégration transparente des processus de fabrication additive et soustractive. Mitsui Seiki conçoit ses systèmes hybrides à partir de zéro. Les lasers et les buses de poudre sont conçus pour être montés avec précision sur les broches de la machine, comme le seraient des outils de coupe ordinaires. Les buses sont automatiquement reliées par des interfaces de connexion rapide aux pièces d'alimentation en énergie laser et en poudre. En concevant l'intégration à ce niveau, les processus additifs et soustractifs peuvent réellement alterner sous un flux de contrôle unifié. D'autres grands fabricants comme DMG Mori, Mazak et Trumpf proposent également des plates-formes hybrides dédiées. Certaines intègrent la fusion sélective par laser, tandis que d'autres se concentrent spécifiquement sur la fabrication par filament fondu ou sur des techniques de dépôt d'énergie dirigée telles que le revêtement par laser. Il existe également des machines de tournage-fraisage pour les pièces à symétrie de rotation.

Composants clés du système

Outre les lasers et les équipements de poudrage étroitement intégrés, les systèmes hybrides combinent plusieurs autres technologies de base : Broches multi-axes et contrôle des mouvements pour l'accès aux pièces sur 5 côtés. Enceintes maintenant des atmosphères inertes pour les matériaux réactifs. Des scanners numérisent les pièces et encodent les signatures de surface. Sondes tactiles vérifiant la précision et les tolérances. Logiciel modulaire programmant de manière transparente les parcours d'outils additifs et soustractifs. Surveillance du processus à l'aide de capteurs et détection intégrée des défauts. L'ensemble de ces éléments permet aux machines hybrides de fabriquer des composants métalliques complexes adaptés à l'aérospatiale, à l'énergie et à d'autres applications critiques.

Technologie de réparation hybride

Une utilisation spécialisée des capacités hybrides concerne la réparation et la reconstruction de pièces de grande valeur. Les pales de turbines complexes, les hélices et d'autres composants aérospatiaux endommagés peuvent désormais être remis à neuf par dépôt additif local et post-traitement soustractif des zones remplies. En comparant les scanners des pièces usées aux modèles CAO, les systèmes hybrides génèrent automatiquement des parcours d'outils qui reconstruisent les volumes manquants couche par couche. L'usinage qui s'ensuit immédiatement permet d'obtenir les dimensions et les états de surface définitifs des pièces réparées, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des réglages distincts. Cette application appelée technologie de réparation hybride tire parti de la combinaison de la numérisation, de la fabrication additive et de l'usinage CNC au sein de plateformes dédiées. Elle représente l'état de préparation de l'industrie pour la fabrication hybride afin de récupérer des composants ultraprécis dont le coût de remplacement serait trop élevé.

Exemples de capacités hybrides

Les plates-formes dédiées de Mitsui Seiki, DMG Mori et d'autres démontrent des capacités telles que la production de corps de turbine avec des canaux de refroidissement intégrés. Les structures de moulage sont dotées de conduits internes qu'il serait difficile d'usiner. Le dépôt laser suivi d'un fraisage permet également de produire en une seule opération des pièces à brides avec des caractéristiques en porte-à-faux. Les revêtements appliqués par dépôt de fil augmentent la résistance des pièces. Des composants rotatifs émergent de conceptions hybrides innovantes de tournage-fraisage en un seul serrage. L'ensemble de ces procédés illustre les avantages de l'intégration hybride de matériaux additifs et soustractifs.

Usinage multi-procédés

Intégration de la technologie FDM sur les fraiseuses

Alors que la plupart des systèmes hybrides sont axés sur les matériaux métalliques, certains fabricants ont développé des plateformes hybrides intégrant l'impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM) à base de polymères sur des fraiseuses CNC. Les têtes FDM se montent sur les broches des fraiseuses, à côté des outils de coupe. Cela permet d'imprimer des pièces thermoplastiques dans un premier temps, puis de passer directement à l'usinage soustractif si nécessaire. La compensation du retrait et des contraintes de finition devient possible en ligne plutôt qu'en post-processus. Les caractéristiques de surplomb qui nécessitaient auparavant des structures de support peuvent être fabriquées de manière additive sans support. Des métaux comme le titane peuvent également être incorporés dans des polymères imprimés en 3D en utilisant la coordination additive-soustractive pour renforcer les applications finales.

Conception d'une plate-forme hybride modulaire

Les principaux constructeurs de machines conçoivent les plates-formes hybrides de la prochaine génération comme des systèmes entièrement modulaires et polyvalents. Les têtes de traitement se remplacent rapidement pour répondre à différents besoins. Les techniques de dépôt alternatives disponibles peuvent inclure la fusion laser sur lit de poudre, le revêtement laser par poudre soufflée, la fabrication additive par arc électrique et d'autres encore. La taille variable des points, la puissance des lasers et l'alimentation en poudre permettent d'optimiser le dépôt en fonction des tâches à accomplir. Des faisceaux laser divergents ou très focalisés permettent d'effectuer des tâches allant au-delà du dépôt de matériaux de base. Le matériel d'inspection et les palpeurs vérifient les résultats sur la machine. Les commandes planifient de manière transparente les séquences additives, de balayage et soustractives en plusieurs étapes. La modularité permet aux systèmes d'être à l'épreuve du temps et d'intégrer les technologies émergentes. Les écosystèmes ouverts attirent des innovateurs tiers, élargissant ainsi la portée de la fabrication hybride. La rigidité du noyau garantit la précision dans le cadre de la flexibilité modulaire.

Futurs développements hybrides

La poursuite de l'hybridation produira des applications révolutionnaires. La microstructure des alliages multi-métaux pourrait évoluer élément par élément. Des altérations par diffusion et des compositions de matériaux graduées apparaissent. Les éléments fonctionnels intégrés, tels que les lignes de refroidissement conformes miniatures et l'électronique propriétaire, sont fabriqués sur la machine. La production en série permet de réaliser ces prouesses. Les logiciels automatisent les tâches manuelles pour maximiser l'ingéniosité humaine. L'apprentissage automatique optimise les processus en économisant l'énergie. Des protocoles de sécurité normalisés préservent la propriété intellectuelle sensible au sein d'écosystèmes numériques collaboratifs. Grâce à une intégration plus étroite entre les disciplines additives, soustractives et numériques connexes, la production hybride multiprocédés dessine un avenir expansif qui façonnera notre monde grâce à une fabrication aux capacités illimitées.

Conclusion

La fabrication hybride représente l'avenir convergent des technologies additives et soustractives. En intégrant des techniques de dépôt d'énergie dirigée, telles que le revêtement par laser, directement dans les machines à commande numérique, les fabricants ouvrent de nouvelles perspectives que les systèmes autonomes ne pourraient pas atteindre. Les caractéristiques internes complexes, l'intégration multi-matériaux localisée et les applications de réparation de pièces deviennent des réalités industrielles. Des équipementiers de premier plan tels que Mitsui Seiki et DMG Mori se sont imposés d'emblée grâce à des plates-formes hybrides spécialement conçues à cet effet. Les conceptions modulaires intègrent les têtes de traitement de manière transparente en tant qu'écosystème multi-outils automatisé. La commande numérique orchestre des ballets de production additive et soustractive à la chorégraphie complexe. Les applications dans le domaine de la propulsion aérienne, du moulage et des implants médicaux se rapprochent de la production en série. Bien qu'il s'agisse encore d'un domaine émergent, la fabrication hybride a considérablement évolué au cours des dernières années. L'adoption suit les grands centres industriels, démontrant la pertinence au niveau de la production. Le dialogue technique passe des concepts généraux à l'affinement des flux de travail intégrés pour des matériaux spécifiques et des normes industrielles. Les logiciels jouent un rôle de rattrapage en automatisant les tâches initiées par la programmation manuelle. À mesure que le domaine évolue, de nombreuses possibilités restent inexplorées. Les alliages multi-métaux, l'électronique embarquée et la réparation automatisée des pièces préfigurent ce qui pourrait émerger de l'hybridation des disciplines additives, soustractives et numériques. Pour l'avenir, les fabricants, les chercheurs et les entrepreneurs continuent à repousser les limites techniques, ce qui suscite l'émerveillement quant aux innovations en matière de production intégrée qui pourraient façonner l'industrie et la société à l'échelle mondiale.

FAQ

Q : Quels sont les secteurs d'activité pour lesquels la fabrication hybride est la plus efficace ?

R : Les industries telles que l'aérospatiale, les appareils médicaux, le moulage et d'autres qui produisent des pièces complexes en faible volume en bénéficient grandement. La réparation et la refabrication d'actifs tels que les turbines tirent également parti des capacités hybrides.

Q : En quoi un système hybride diffère-t-il d'un équipement additif ou soustractif de base ?

R : Les systèmes hybrides intègrent l'additif laser/poudre aux machines CNC, en exécutant des parcours d'outils additifs-soustractifs transparents. Les pièces sont imprimées puis usinées sur une seule plateforme, au lieu d'étapes distinctes de fabrication additive puis d'usinage.

Q : Quelles sont les caractéristiques qui conviennent le mieux à la fabrication hybride ?

R : Les structures internes complexes, l'intégration de plusieurs matériaux, les propriétés graduelles et la réparation des pièces conviennent aux systèmes hybrides. Les formes externes qui se prêtent à la fois à la fabrication additive et à l'usinage sont également intéressantes.

Q : Comment fonctionnent les logiciels et les commandes sur les machines hybrides ?

R : Les jumeaux numériques simulent virtuellement les processus. Les commandes séquencent les étapes additives et soustractives ou changent automatiquement les têtes de traitement. La programmation génère des parcours d'outils intégrés optimisés à partir de la CAO.

Q : Quels matériaux les systèmes hybrides peuvent-ils traiter ?

R : Bien qu'elles soient axées sur le traitement des métaux, comme la fusion laser sur lit de poudre et le rechargement par laser, les machines les plus récentes intègrent les polymères. Impression 3D aussi. Une multitude de métaux, d'alliages et de composites sont possibles.

Q : Quel est l'impact des contraintes résiduelles sur la qualité des pièces hybrides ?

R : Le réglage précis des paramètres du laser et l'usinage programmé de manière stratégique réduisent les risques de distorsion. La modélisation future du processus thermique pourrait permettre d'optimiser les voies d'accès afin de minimiser les contraintes.