Smart Manufacturing Paris Saclay 2016 Présentation d'Alain BERNARD

1. Enjeux et évolutions
de la fabrication additive
Alain BERNARD
Professeur à l’Ecole Centrale de Nantes, IRCCyN UMR CNRS 6597
Vice-Président, AFPR (Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive)
1Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Association Française du Prototypage Rapide
et fabrication additive

2. 29/09/2016 2
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche
systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD

3. 29/09/2016 3
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche
systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD

4. 29/09/2016 4
De l’objet à
l’objet
• Besoin d’un modèle
numérique
• Besoin de technologies
et de leur intégration
• Besoin de moyens de
mesure et de contrôle
• Besoin de formaliser la
connaissance
Digital scuplturePoints clouds
CAD reference
Model
Scanning
strategy
CAD modeling
STL File
Part
made with
additive manuf
Interface
Additive manufacturing
Tool
made with
additive manuf
Tool
Rapid tooling
Final part
Controlandcomparaison
Prof. Alain BERNARD

5. Fabrication Additive
Points communs à toutes
les technologies
 Description numérique de
l’objet
 A partir d’un fichier CAO 3D,
un fichier STL est généré et
est tranché pour créer les
différentes couches.
 Sur la base de ces couches,
l’objet physique est fabriqué
couche par couche.
5Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: http://blog.cafefoundation.org/additive-
manufacturing-for-electric-motors/

6. Fabrication Additive
FABRICATION
COUCHE PAR
COUCHE
6Prof. Alain BERNARD29/09/2016

7. 7 familles de technologies
7
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

8. 7 familles de technologies
8
Source : Machine manufacturers
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

9. 7 familles de
technologies
9
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

10. Principaux matériaux utilisés
29/09/2016 10
Source : Phil Reeves, Econolyst
Prof. Alain BERNARD

11. Plus que des technologies :
une chaîne de valeur complète
11Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Post-treatments
Material qualification
Geometry and material design
Manufacturing
Manufacturing preparation

12. 29/09/2016 12
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche
systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD

13. Les principaux aspects
29/09/2016 13Prof. Alain BERNARD
Design
Preparation
Fabrication
Finishing
Digital integration
Skills – Human factors - Safety
Value chain
Market
needs
Materials
Mesure and control

14. 14
Le matériau « juste nécessaire »
29/09/2016
Optimisation topologique
Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole Polytechnique, AEPR 2015
Prof. Alain BERNARD

15. Le matériau « juste nécessaire »
Source: Ian Campbell, AEFA 2015
15Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Optimisation de formes internes et externes

16. 16
Le matériau « juste nécessaire »
Structures lattice
Source : Olivier Jay,
Industry Days, Bologne
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Copyright 1991-2015 © CIRTES France – Editions DUNOD 2015

17. 1729/09/2016
Structures lattice
Source : Multistation, journée formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris
Prof. Alain BERNARD
Meilleur développement de
cellules (os par exemple)
Echangeurs Amortisseur de choc
Amortisseur de vibrations
Le matériau « juste nécessaire »

18. Fabrication SLM Aluminum
7 componants
3 materials
2 componants
(easy to assemble)
1 material
Lower mass
530g ⇨438g
Strenght
Re-design for RM technology
 Definition of mechanical constraints by Flying Cam
Application
 Specific re-design of the structure (Topol software)
by Sirris (Topology)
 Fabrication of the structure in Aluminum by MB
Proto/Volum-e (Material/Geometry)
Re‐design and STL file
generation
18
Ré-industrialisation
Source : MBProto/Volum-e
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

19. 19
Simuler pour valider
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Courtesy: Brent STUCKER, http://3dsim.com
Courtesy: Lucas Dembinski, UTBM, IRTES, technical workshop, CNRS, Autrans, october 2015

20. 20
KARMA
System
KBE Tool
Algorithms FEA Tool
MachinesMachines
MaterialsMaterials
Build ScenarioBuild Scenario
TechnologiesTechnologies
Part PropertiesPart Properties
Knowledge
Assisted
Rapid
MAnufacturing
Choix de la bonne stratégie
29/09/2016 Prof. Alain BERNARD

21.  Infinite alternative orientations;
 Multi-criteria/attributes decision or Multi- or Many-objective optimization.
(cost, time, surface quality, mechanical properties, etc.)
Infinite alternative orientations/orientation combinations for a group of parts.
2129/09/2016 Prof. Alain BERNARD
Source: PhD Yicha ZHANG, Ecole centrale de Nantes, August 2014
Choix de la bonne stratégie

22. Photopolymérisation
22
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

23. De plus en plus vite…
23Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/y73z0GgW8nw https://youtu.be/c8uusNU5K6I
https://youtu.be/UpH1zhUQY0c https://youtu.be/hgGp59yFc8Q

24. Dépôt de matériau polymère et élastomère
24
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

25. En couleurs et en mixant les matériaux…
Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016
25Prof. Alain BERNARD29/09/2016

26. Dépôt de liant sur un substrat poudre
26
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

27. Sur du sable ou du métal…
27Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/wRj44e8D-xk
https://youtu.be/jO-olDixjcs

28. Dépôt de fil fondu
28
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

29. La pratique pour tous… Avec de
nombreuses variantes de matériaux…
29Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/yKHMmKqdI68

30. Source: www.stratasys.com
Aussi, comme modèle
pour des fabrications
en série ou indirectes
Aeronautic parts (ULTEM)
30Prof. Alain BERNARD29/09/2016

31. Collage de feuilles/
assemblage de plaques
31
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

32. La couleur…
32Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/LafffSXHNFY

33. StratoConception…
33Prof. Alain BERNARD29/09/2016
https://youtu.be/hhJIPv5bMYs

34. Ot’Arts Seat (Scale 1)
(Source: CIRTES)
Custom made packaging
Pack&Strat process
(patented by CIRTES)
Source: CIRTES
StratoConception :
pour des objets uniques multi-matériaux
ou leur emballage
34Prof. Alain BERNARD29/09/2016

35. Fusion de poudre par laser
ou faisceau d’électrons
35
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

36. Sources multiples…
29/09/2016 36Prof. Alain BERNARD
https://youtu.be/ay_VlIYdAwI

37. Source: ARCAM
Functional part
Source:Trumph
Pièces industrielles complexes…
Part manufactured with EBM (TA6)
Source: Philippe Bauer THALES
37Prof. Alain BERNARD29/09/2016

38. Fusion de poudre ou de fil
dans un flux d’énergie
38
Source : ISO 17296-2:2014E
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

39. Dépôt en 5 axes…
29/09/2016 39Prof. Alain BERNARD
Source: IRCCyN MO2P team (Prof. MOGNOL – Prof. HASCOET)

40. Dépôts, gradients de matériaux…
functionnal surface :
steel for mold 1.2344
(finiting with machining)
Substrat material:
Alloy (Ampco 940)
40Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source : Trumpf

41. Adding shapes and functions
Ø tube : 80mm
Material : Inox 316 L
Deposite :‐Width for two deposits(≈ 5 mm)
‐ Height 20 mm
Manufacturing time for 1 blade :
4min26s
Technological possibilities
41
Ajout de fonctions…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source : http://www.beam-machines.fr/

42. Vers une fabrication hybride…
DMG MORI (Japon)
LaserTech 65
Alternance entre dépôt de matière et usinage
Source: https://www.youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA
42Prof. Alain BERNARD29/09/2016

43. Source: http://www.contourcrafting.org/
Autres modes de dépôts pour
d’autres matériaux (construction)
43Prof. Alain BERNARD29/09/2016

44. Ne pas négliger post-traitements et finition…
Machining and
Micro-machining
Cela dépend directement du
procédé et du matériau…
mais aussi du savoir faire
(supports, orientation, etc…)
44Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Heat Treatments
High Isostatic
Pressure (HIP)
Polishing
Coating
Finishing
Etc…

45. 68 hours of fabrication in Aluminum
614 Mo of support structures
438g (reduction by 20%)
Micro Fusion Laser (SLM) AM
Machined surfaces
29/09/2016 45
Exemple pratique…
Source : Eric BAUSTER, MBProto / Volum-e
Prof. Alain BERNARD

46. Ne pas non plus négliger la
qualité initiale du matériau…
46
Source : Romain Vert, Tekna, AEPR 2015
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

47. 47
Un facteur clef de succès :
la chaîne numérique …
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source :: Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod

48. 48
Sur l’ensemble de la
chaîne de valeur…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: Streamlining the additive manufacturing digital spectrum: A systems approach
http://www.sciencedirect.com/science/journal/aip/22148604

49. 49
Différents formats…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source :: Exploring model-based engineering concepts for additive manufacturing, Robert R. Lipman, Jeremy S. McFarlane

50. Hygiène et sécurité :
un sujet à part entière…
29/09/2016 50Prof. Alain BERNARD
Source : Lucas Dembinski, IRTES/UTBM, AEFA 2015

51. 29/09/2016 51Prof. Alain BERNARD
Mieux connaître les phénomènes,
assurance qualité et traçabilité
Source: André Surel, EOS, AEFA 2015

52. 29/09/2016 52Prof. Alain BERNARD
Contrôle in-process…
Source: André Surel, EOS, AEFA 2015

53. 29/09/2016 53Prof. Alain BERNARD
Contrôle post-process…
 X-Rays tomography
 Different materials including metals
 Images of internal shapes of lattice or
complex geometries
XT H 450 BladeRunner
Nikon 750kV microfocus X-ray source
Source : Multistation, seminar on teaching, 11 december 2015, ENSAM Paris

54. On sait déjà faire beaucoup de choses…
29/09/2016 54Prof. Alain BERNARD
Source : Georges Fadel, AEFA 2015

55. Avec des moyens industriels…
et des unités de production…
units
Source: Machine manufacturers
55Prof. Alain BERNARD29/09/2016

56. 56Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Vers des unités de production intégrées…
Source: http://www.conceptlaserinc.com/am-factory-of-tomorrow-2/

57. Avec plusieurs technologies
dans les mêmes machines…
Source : http://cfg.mit.edu/content/multifab-machine-vision-assisted-platform-multi-material-3d-printing
MultiFab: A Machine Vision Assisted Platform for Multi-material 3D Printing
Pitchaya Sitthi-Amorn, Javier E. Ramos, Yuwang Wang, Joyce Kwan, Justin Lan, Wenshou Wang, and Wojciech Matusik
ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH 2015)
57Prof. Alain BERNARD29/09/2016

58. Source : Personnal picture, TNO, Fritz FEENSTRA
58Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Avec plusieurs technologies
dans les mêmes machines…

59. 29/09/2016 59
Plan de la présentation
Fabrication Additive
Enjeux et évolutions : vers une réelle approche
systémique de la fabrication additive
Conclusions
Prof. Alain BERNARD

60. 60Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Un large impact… des
connaissances « multi-échelle »…
Source: https://engineering.purdue.edu/cdesign/wp/the-status-challenges-and-future-of-additive-manufacturing-in-engineering/

61. Une chaine de valeur en transformation…
29/09/2016 61Prof. Alain BERNARD
Source: Olaf Diegel, AEFA 2015
• Hier, avant la révolution industrielle…
 Aujourd’hui…
 Demain…

62. Evolution de la demande…
62Prof. Alain BERNARD29/09/2016

63. 63
Customized jewels
Customisation…
Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Source: Ian Campbell, AEFA 2015, images de Future Factories, Design-Milk et Freedom of Creation

64. Personnalisation…
Fabrication of customized sugars
http://www.fubiz.net/2014/10/11/3d-printed-sugar/
64Prof. Alain BERNARD29/09/2016

65. Complexity for Free…
Source: Olaf DIEGEL, 21rst AFPR EFAM, Paris 2016
Deluxe Tapware by American Standard
65Prof. Alain BERNARD29/09/2016

66. De nombreux de secteurs de progrès…
66
System/process
Materials
Upstream/
Downstream
Applications
Application oriented
Automatisation
Manipul. part and material
Continuous production
Adaptative control
Closed loop
Productivitéy
Repeatability
Polymeres
Metals
Ceramics
Composites
Biomaterials
Appliances
Aeronautics
Space
Energy
Transports
Luxury/jewels
Medical materials
Implants
Prostheses
Organs
Functional design
Topology/geometry
Material design
Finishing operations/
THT
Coatings
Repairing
Sustainability
Environnement
Quality/control
Research
Prof. Alain BERNARD29/09/2016

67. On peut faire cela aujourd’hui…
67Prof. Alain BERNARD29/09/2016

68. Pas seulement des pièces,
aussi des outillages…
68Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Inserts in molds
Source: PEP
Injection molding toolings - PS Application PMP
R&D contract PSA / CIRTES
(Aluminium)
Blowing tools
Source: CIRTES
Inserts in molds
Source: Realizer

69.  ISO/ASTM agreement: Joint development
Les standards avancent…
69Prof. Alain BERNARD29/09/2016

70. Trophées AFPR 2016
70Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Association Française du Prototypage Rapide
et fabrication additive

71. Conclusions
- La Fabrication Additive est un des facteurs clefs de progrès dans le monde du
céveloppement rapide de produit.
- La Fabrication Additive est un ensemble de procédés supplémentaires et
complémentaires aux technologies plus « traditionnelles ».
- La Fabrication Additive permet la complexité et la diversité des produits et des
processus sans coût additionnel significatif.
- La Fabrication Additive a besoin de modèles numériques de qualité, de nouveauc
formats sont en phase de création pour représenter tout le potentiel de
représentation de la géométrie et de la structure des matériaux.
- La Fabrication Additive permet de repenser la conception des pièces par une
approche fonctionnelle et une validation produit-process intégrée et robuste, dans
une approche favorisant la différentiation et la personnalisation des produits.
- La Fabrication Additive mobilise des compétences spécifiques.
- La Fabrication Additive permet de mettre « la juste matière au juste en droit, avec
moins de consommation d’énergie, moins de temps de fabrication, moins d’impact
environnemental ».
71Prof. Alain BERNARD29/09/2016

72. 72Prof. Alain BERNARD29/09/2016

73. Questions / Discussion
Alain BERNARD
alain.bernard@ec-nantes.fr
www.afpr.asso.fr
Merci pour votre attention !
73Prof. Alain BERNARD29/09/2016