PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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Renault: Direction des Laboratoires Automobiles - Sce 0854 Matériaux et produits organiques
Compte-Rendu N° 2460 du 15 janvier 1990

ENQUETE SUR LA STEREOLITHOGRAPHIE (V1 6961) : BILAN FIN 1989

1- RAPPEL

La stéréolithographie est un procédé de fabrication de prototypes assisté par ordinateur qui permet d'obtenir rapidement un modèle ou une maquette en 3 dimensions à partir de données géométriques numérisées (CAO)

Une enquête a été effectuée en collaboration avec PSA pour recenser les différents procédés de morphosynthèse (dont la stéréolithographie) et évaluer les performances de ceux jugés les plus intéressants..

2- SYSTEMES EN DEVELOPPEMENT

Les procédés de stéréolithographie peuvent se classer en trois catégories :

2.1- LES PROCEDES MONOPHOTONIQUES

Les objets sont générés par le parcours d'un rayon laser UV sur la surface d'un photopolymère, couche par couche. Peuvent se classer notamment dans cette catégorie :

2.2- LES PROCEDES BIPHOTONIQUES

Le durcissement du photopolymère s'effectue à l'intersection de deux faisceaux laser se déplaçant dans un bac. Ces procédés, dits biphotoniques, ne semblent pas prêts à être commercialisés. Le BATELLE INSTITUT (USA), entre autres, travaille sur ce sujet.

2.3- LES PROCEDES AVEC MASQUES

La surface d'un photopolymère est exposée à une lampe UV à travers des masques successifs. Les sociétés FORMIGRAPHIC (USA), LIGHT SCULTING (USA), et CUBITAL (Israël) proposent des machines entrant dans cette catégorie.

Les autres procédés de morphosynthèse sont mentionnés dans le tableau en annexe.:

Notre enquête a porté plus particulièrement sur le procédé SLA de 3D-SYSTEMS qui est le plus vendu à ce jour, et sur le procédé SOLIDER de CUBITAL qui devrait, après mise au point, être plus rapide.

3- LA RECHERCHE

La recherche devrait se poursuivre dans trois domaines:

3.1- LA PHOTOCHIMIE

De nouveaux photopolymères sont à l'étude afin qu'ils soient moins cassants et présentent un plus faible retrait. DU PONT, CIBA-GEIGY, et d'autres, font des recherches dans ce sens.

3.2- LES PROCEDES

La mise au point d'un procédé biphotonique permettrait de gagner en rapidité (pas d'attente du retour au calme du niveau de la résine après chaque plongée d'un pas, comme dans les procédés 2.1) Mais l'idéal serait plutôt d'utiliser un photopolymère solide en film mince, lequel serait soluble dans un solvant, sauf les zones exposées aux rayons UV.

M. MAEDER (DR de RENAULT) envisage de soutenir, avec d'autres, le GRAPP de NANCY pour que M. ANDRE et son équipe poursuivent leurs travaux dans cette voie.

3.3- LES LOGICIELS

Il faudra développer des logiciels répondant aux besoins suivants:

4- LES BESOINS DE L'INDUSTRIE AUTOMOBILE

Les résultats de l'enquête effectuée à la DE et auprès du design font apparaître trois types de besoins:

une aide au design,

une aide aux études,

un autre procédé de modelage.

4.1 UNE AIDE AU DESIGN

Obtenir une hard-copy 3D d'une pièce à partir de sa définition numérique donnera au designer un outil supplémentaire pour le jugement des formes, lui permettant ainsi d'aller plus loin dans sa créativité.

4.2 UNE AIDE AUX ETUDES

Réaliser rapidement le maquettage des éléments d'un ensemble permettra de vérifier les zones d'assemblage et l'implantation des accessoires. Matérialiser le volume intérieur des corps creux (chambres de combustion, conduits, noyaux,...) deviendra plus facile.

4.3 UN AUTRE PROCEDE DE MODELAGE

Réalisation de maquettes ou de pièces modèles très précises pouvant servir de références pour la fabrication des outillages ou le contrôle des pièces. Ce procédé de modelage CFAO ne remplacerait pas, mais complèterait plutôt, l'usinage en commande numérique.

Rappelons que les objets ainsi réalisés pourront, comme n'importe quelles autres maquettes, être dupliqués grâce au procédé de coulée sous vide développé par la section Prototypes du Sce 0854 (rattachée au Sce 0867 à partir du 1/01/90)

Les opérations de finition (ponçage, polissage, peinture,...)et les retouches sont alors possibles sans détruire la pièce de référence. Différents matériaux sont disponibles: souples ou rigides, transparents ou opaques, alvéolés ou compacts, armés ou non.

5- EVALUATION DU PROCEDE SLA DE 3D-SYSTEMS

5.1- ACTIONS ENGAGEES

Compte tenu de l'avance technologique et commerciale prise par 3D-SYSTEMS, 2 modèles de supports moteur (1 pour CITROEN +1 pour RENAULT) ont été commandés par la SOGAMM (filiale modelage de CITROEN) à SPECTRA-PHYSICS (licencié 3D-SYSTEMS en Europe, dont le principal actionnaire est CIBA-GEIGY) Des problèmes d'interfacage et de modélisation spécifiques au procédé ont retardé cette action de près d'un an.

Les supports moteur AX ont finalement été réalisés sur des machines SLA-250:

Le contrôle géométrique a été effectué par la SOGAMM à STAINS (93)

Parallèlement une boule de levier de vitesse commandée par le Sce 0879 a été réalisée à DARMSTADT et contrôlée par le Sce 0867.

Ces pièces d'essai présentent les caractéristiques suivantes:

  Support moteur Boule de levier de vitesse
Longueur
Largeur
Hauteur
Epaisseur moyenne
Volume
Masse sans embase
230 mm
92 mm
94 mm
5 mm
327 cm3
284 g
58 mm
50 mm
54 mm
corps plein
81 cm3
98 g

5.2- TEMPS DE REALISATION

Nous ne reviendrons pas sur les problèmes d'interfaçage rencontrés entre les systèmes CATIA (PSA) ou EUCLID (RENAULT), et ARIES (3D-SYSTEMS) SPECTRA-PHYSICS RFA n'avait pas la capacité ou la volonté, d'activer la réalisation des essais de validation du procédé à partir de nos données. La création de SPECTRA-PHYSICS FRANCE, et L'utilisation des services de DASSAULT, MATRA et IBM, ont facilité l'achèvement de nos essais.

Il faut signaler également que SPECTRA-PHYSICS nous a demandé de numériser les embases nécessaires aux liaisons entre la plate-forme immergée et les modèles à réaliser. Les concepteurs CAO de CITROEN et de RENAULT (MM. KERJEAN et CARRION) ont fait de leur mieux avec peu de renseignements.

Il est apparu plus tard que si les embases avaient été optimisées les temps machines auraient été moins longs.

Modèle réalisé Lieu Temps machine Temps optimisé
Support moteur AX Nø1
Support moteur AX Nø2
Boule levier vitesse
S.P (RFA)
L.V.S (F)
S.P (RFA)
130 h
86 h
16 h
85 h
60 h
12 h

Le laser de la machine SLA-250 de SPECTRA-PHYSICS avait une puissance de 8,2 mW tandis que celui de la SLA-250 de LASER VISION SYSTEMS avait une puissance de 11 mW, ce qui explique les temps de réalisation différents entre les deux supports moteur, bien que le fichier slicé soit le même. Les prochaines machines SLA auront un laser UV d'une puissance de 20 mW.

5.3- PRECISION OBTENUE

Les résultats détaillés des contrôles effectués figurent en annexe 1. Ils peuvent se résumer dans le tableau suivant:

Modèle contrôlé Lieu Nb de points écart maxi Nb de pts à +/- 0,5
Support moteur AX N°1
Support moteur AX N°2
Boule levier vitesse
SOGAMM
SOGAMM
RENAULT
28
25
43
-1,32
-1,59
!-2,54
24
18
12

Les supports moteurs sont reproduits assez fidèlement dans l'ensemble mais la boule de levier de vitesse semble déformée. Il n'y a que de 30 à 50% du volume de la pièce qui durcit sous l'influence du rayon laser, le photopolymère liquide emprisonné dans les alvéoles générées par le système ne polymérise que par passage dans le four UV. Cette réaction physico-chimique entraîne une réaction exothermique (la température peut atteindre 150°C) et un retrait. Ces phénomènes sont d'autant plus prononcés que les épaisseurs sont importantes, ce qui est le cas de la boule de levier de vitesse.

Après enquête auprès de L.V.S qui a réalisé le support moteur N°2 avec les données de SPECTRA-PHYSICS, il apparaît qu'aujourd'hui, en se basant sur l'expérience acquise en cinq mois, cette pièce serait réalisée autrement et les tolérances devraient se situer à +/- 0,2 mm.

Quant à la boule de levier de vitesse il faudrait la traiter en corps creux, ce qui permettrait également de réduire le coût et le délai.

6- RENTABILITE D'UNE MACHINE SLA-250

6.1- INVESTISSEMENT INITIAL

L'offre de prix détaillée de SPECTRA-PHYSICS figure en annexe 2. La récapitulation des différents postes est la suivante:

Référence Désignation Prix HT en FF
SLA-250
PCA-1
INSTALL
TRAIN
MSSO
MWOL
MAT
Système de stéréolithographie
Chambre de post-durcissement
Installation
Formation 2 personnes pdt 1 sem
Licence logiciel SLA-250
Contrat de service (sauf laser)!
Résine (40 kg)
1 457 000
77 500
19 800
N/C
27 900
139 500
40 300
  PRIX TOTAL FF ......................... ! 139 500

Il faut prévoir un local d'au moins 40 m² et 2 opérateurs. Ne pas oublier que les embases servant d'échafaudages à la construction des modèles doivent être incluses dans la numérisation CAO. Si les demandeurs ne sont pas en mesure d'effectuer cette opération, il faudra inclure une station CAO dans l'investissement initial.

A remarquer qu'en cas d'achat de plusieurs machines SLA tous les postes ne sont pas à multiplier (station CAO, ordinateur slice, chambre UV, finition)

6.2- FRAIS DE FONCTIONNEMENT

La licence logiciel et le contrat de service, inclus dans l'investissement initial, devront être renouvelés les années suivantes, soit 167 400 FF/an.

Puissance installée: environ 2 kW dont 1,2 kW pour la chambre UV qui est peu engagée.

En prenant comme hypothèses une durée d'amortissement de 5 ans et un taux d'intérêt de 6%, l'amortissement annuel sera d'environ 340 000 FF.

Compte tenu des éléments recueillis, nous pouvons estimer qu'une machine SLA peut être engagée au moins 16 heures par jour en moyenne et 220 jours par an, soit 3 500 h/an. En effet, une fois mise en route, la machine SLA peut fonctionner sans surveillance, c'est à dire la nuit et même le week-end dans le cas de modèles relativement volumineux.

Avec des horaires décalés de 1 heure entre les 2 opérateurs les interventions sur la machine sont possibles 10 heures/j. Les autres tâches sont: la préparation (numérisation des embases, balancement, slicing,...), la finition (égouttage, post-cuisson, ébarbage), la gestion (délai, qualité, prix)

Les charges annuelles (fixes et variables) peuvent se récapituler comme suit:

Charges Montant
Amortissement du matériel
Redevances à SPECTRA-PHYSICS
Loyer + fluides + divers
340 000 FF
170 000 FF
110 000 FF
Total / an ....... 620 000 FF

Le coût horaire d'utilisation de l'installation sera voisin de 620 000 / 3500 = 177,14 soit 200 FF/h. Comme nous avons estimé qu'il y avait autant d'heures SLA (16 h/j) que d'heures main d'oeuvre (2 x 8 h/j), et en prenant l'heure d'utilisation d'une SLA-250 comme unité d'oeuvre, son taux de facturation interne se situerait entre 400 et 500 FF/h. Il est difficile d'être plus précis aujourd'hui, le taux comptable dépendra de l'environnement et du mode de calcul. En fonction de la mise au point de nouveaux logiciels et de l'accroissement des performances des machines, ainsi que de la concurrence qui se prépare, le prix de revient de la stéréolithographie devrait baisser. Nous avons retenu un taux horaire SLA de 450 FF/h dans les devis de stéréolithographie interne RENAULT qui vont suivre.

6.3- COMPARAISON AVEC LES AUTRES PROCEDES

La comparaison entre la stéréolithograhie (avec SLA-250 de 3D-SYSTEMS) et les procédés actuellement utilisés pour réaliser une première maquette, apparaît dans le tableau suivant:

  Support moteur Boule levier vit.
Prix HT Délai Prix HT Délai
Maquettage 20 000 F 2 sem. 6 000 F 1 sem
Usinage Cde Numér ! 35 000 F 2 sem 5 000 F 1 sem
Stéréolithographie
- Si moyen interne
- Si sous-traitance

27 000 F
60 000 F

4 j
1 sem

5 400 F
12 000 F

2 j
1 sem

Dans les exemples ci-dessus la stéréolithographie n'est intéressante que sur le plan des délais. Toutefois il existe des pièces très ouvragées avec contredépouilles, difficiles à usiner en CN, dont la stéréolithographie permettra de vérifier en 3 dimensions les données CAO.

7- ACTIONS POSSIBLES

Compte tenu des éléments ci-dessus, résultant de l'enquête effectuée en commun avec PSA, il va falloir prendre rapidement une décision sur la suite à donner.

Trois actions successives ou parallèles sont possibles:

7.1- ACTION COMMUNE AVEC PSA

Il sera intéressant pour tous de poursuivre les échanges techniques concernant la morphosynthèse en général et la stéréolithographie en particulier, avec M. ADRIEN de CITROEN (pilote pour PSA) Sur le plan de la Recherche, le contact devra être maintenu avec M. LEBERICHEL de la DRAS.

Dans l'immédiat il nous est proposé de participer à une action commune entre: PEUGEOT, CITROEN, SOGAMM, DASSAULT, et RENAULT, consistant à implanter une machine SLA à la SOGAMM. Rappelons que cette filiale de CITROEN travaille également pour d'autres, dont RENAULT.

Cette action permettrait de partager les frais et la disponibilité de cette unité de stéréolithographie pilote.

Les bases d'un projet de contrat seront établies lors d'une réunion qui se tiendra à la SOGAMM le 22 janvier prochain.

7.2- SOUS-TRAITANCE A LASER VISION SYSTEMS

LASER VISION SYSTEMS (LVS) est une société de service installée à SACLAY qui a été créée il y a six mois, et dont les prestations s'inscrivent dans un ensemble CFAO élargi:

Compte tenu du prix et de la fragilité des pièces réalisées par stéréolithographie, la coulée sous vide (déjà implantée au CTR chez M. MASSIE) apparaît comme une activité complémentaire nécessaire.

LVS est équipée en CAO avec Computer Vision CADDS 4X. L'interfaçage avec tous les autres systèmes n'est pas encore opérationnel. Notamment LVS attend après Matra pour EUCLID.

Nous allons tester LVS dès que possible, bien que leur tarif de départ pour la stéréolithographie nous paraît excessif (environ 1000 FF/h) Actuellement LVS n'a qu'une seule machine SLA-250, mais trois autres sont prévues en 1990:

Jusqu'à présent LVS n'avait pas de concurrent français, mais ce monopole n'aura pas duré longtemps, en effet deux nouvelles sociétés viennent de s'équiper en SLA-250 et vont proposer leurs services:

7.3- IMPLANTATION CHEZ RENAULT

Tôt ou tard il faudra implanter la stéréolithographie à proximité des stations de conception en CAO.

En attendant la mise au point d'une véritable hard copy 3D nous proposons de créer un pool maquettes CAO qui possèderait des machines de stéréolithographie et de coulée sous vide, mais aussi un bureau de lancement établissant des devis comparatifs (prix et délais) entre les différents procédés, et gérant la sous-traitance. En effet, le maquettage traditionnel ou l'usinage en CN peuvent se révéler plus intéressants dans certains cas.

La meilleure structure d'accueil serait le Sce 0867, en associant MM. LE BOURHIS et MASSIE, lesquels ont participé à la présente enquête. En effet les compétences à regrouper concernent: la CAO, l'usinage CN, le modelage, le maquettage, les procédés de moulage à base de produits réactifs, le contrôle, et la gestion des maquettes et pièces prototypes.

Ce projet devrait s'inscrire dans le BAI 1991.

8- CONCLUSION

Le procédé de stéréolithographie le plus répandu aujourd'hui est celui de 3D-SYSTEMS (USA): 100 machines SLA en service + 60 en commande.

L'enquête effectuée avec PSA et les tests réalisés montrent que pour obtenir de bons résultats il est nécessaire, comme dans tous les métiers, d'acquérir un savoir-faire.

Dans ce nouveau métier en pleine expansion, RENAULT se doit d'être présent. Pour cela il parait nécessaire de nous engager dans les trois actions proposées ci-dessus (chap.7 page 8), à savoir:

Parallèlement, les actions de Recherche ne doivent pas être négligées:

P. Roubinet

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imprimante 3D" ajouté en avril 2014

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