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Rapidité d'exécution. Pièces sur mesure en faible volume. Des composants et des géométries complexes qu'une machine ne pourrait pas réaliser. Grâce à la technologie et aux compétences de Stratasys, vous pouvez relever ces défis de fabrication et bien plus encore.

Noyaux solubles FDM pour réaliser des pièces composites

Présentation

Les pièces composites sont fabriquées en enroulant, pliant, moulant et superposant diverses combinaisons de matériaux et de résines sur des moules, des motifs, des noyaux et des mandrins. Produire des pièces creuses en composites enfermant le modèle peut représenter un défi de fabrication. Une façon de relever ce challenge consiste à utiliser des outils à deux sections pour assembler deux moitiés (et les coller) ou d’utiliser une pièce unique et travailler depuis l'intérieur de la cavité de l'outil.

Présentation de l'application

Dans le passé, la majorité des sociétés qui utilisaient ce type d'outils pour produire des pièces composites creuses avaient recours à des machines à commande numérique pilotées par ordinateur (CNC) pour réaliser des modèles à partir de panneaux en polyuréthane, ensuite utilisés pour produire les moules. Le coût de cette méthode est élevé et les délais de fabrications très longs, surtout si le modèle est usiné par un sous-traitant. C'est la raison pour laquelle, de nombreuses entreprises sont passées à la production de modèles FDM (modélisation par dépôt de fils en fusion). La technologie FDM est un processus de fabrication additive qui réalise des pièces en plastique couche après couche, selon des données de fichiers CAO. La FDM offre des économies substantielles en termes de temps et d'argent, car elle permet de produire les modèles en peu de temps et pour un faible coût.

Cependant, même si la réalisation de modèles est améliorée, les entreprises qui réalisent des moules composites creux doivent affronter un processus de superposition–qui prend beaucoup de temps. Après la réalisation du modèle, il faut habituellement près de trois jours pour construire les moules et superposer les pièces à l'aide de cette méthode. En général, cela prend entre 12 et 15 heures de travail, et le reste du temps est destiné au séchage.

Une nouvelle approche offre des améliorations importantes pour la production à faible volume. Il s'agit de remplacer le moule par un noyau soluble FDM. Les noyaux solubles réduisent sensiblement les délais de livraison et les coûts de main-d'œuvre, car ils éliminent le besoin de réaliser un moule et réduisent le temps passé à mettre la pièce en place. Au lieu du processus laborieux de mise en place des deux moitiés du moule, puis d'emboîter la pièce dans chaque moitié, puis de coller les deux parties, le tissu composite peut être enroulé autour du noyau soluble. Après le séchage de la pièce, le noyau est tout simplement dissout.

La nature de la fabrication additive permet à la FDM de produire des géométries beaucoup plus complexes qu'avec d'autres noyaux. Pour de nombreuses applications, une liberté de création plus importante entraîne des améliorations au niveau de l'exécution et des coûts. Les noyaux solubles FDM sont assez résistants pour supporter les charges des processus de fabrication composites. De plus, il n'y a aucun risque d'endommager la pièce pendant l'extraction du noyau, car il est tout simplement dissout en le plongeant dans un bain liquide.

Aperçu du processus

La fabrication de noyaux solubles FDM présente deux changements par rapport au processus FDM standard. Premièrement, le noyau est conçu de façon à ce que sa structure interne soit creuse en grande partie. Deuxièmement, le thermoplastique résistant d'une pièce FDM standard est remplacé par un matériau soluble qui est habituellement utilisé pour la fabrication des structures de support d’une pièce. Le noyau est conçu de deux façons différentes. Soit en créant, dans Insight — le logiciel de préparation de fabrication Fortus — un modèle 3D solide et en recourant à l'option de remplissage peu dense, pour créer automatiquement une structure interne qui réduit le volume intérieur du noyau. Soit en créant (en CAO) une structure interne qui maintient le noyau stable à des températures et des pressions de moulage composite, tout en favorisant l'écoulement de la solution pour accélérer le retrait du noyau. Ces deux approches réduisent la consommation de matériau, le temps de fabrication et de lavage.

L’intégration de noyaux solubles FDM à un processus de fabrication est relativement simple. Aucune modification au processus n'est nécessaire avant le séchage du composite et le retrait du noyau. Le cycle de séchage reste inchangé, mais les températures doivent être limitées pour éviter les distorsions. En général, les pièces composites avec des noyaux FDM doivent être séchées à des températures inférieures à 250 °F (121 °C) et des pressions inférieures à 50 psi (345 kPa). Le seul changement apporté au processus, après le séchage de la pièce composite, est que le noyau est retiré par dissolution dans une solution liquide. Pour ce faire, la pièce est placée dans le système de dissolution WaterWorks de Stratasys.

Témoignage de client

Après chaque course, les ingénieurs de Joe Gibbs Racing (JGR) disposent de seulement trois jours pour diagnostiquer un problème, trouver une solution et la résoudre avant le départ de la voiture pour la prochaine course. La capacité de JGR’ à passer de la conception de la pièce à la production lui a permis de dominer trois championnats et de s'imposer comme l'une des équipes les plus compétitives du circuit NASCAR.

Un dimanche, un pneu a explosé sur une voiture JGR et les ingénieurs ont identifié un problème avec le conduit qui fournit de l'air pour refroidir le pneu. Avant, il aurait fallu plus d'une semaine pour élaborer un nouveau concept de conduit, le fabriquer et évaluer un prototype FDM, construire un moule à l'aide d'un modèle FDM et mettre en place une pièce composite. Ce processus n'aurait pas été achevé à temps pour produire une nouvelle pièce avant la course suivante.

JGR a utilisé un noyau soluble FDM pour réduire considérablement le temps requis pour revoir la conception du conduit et construire une pièce de production. Le lundi, un ingénieur JGR a conçu un nouveau conduit de sortie pour fournir de l'air au flanc du pneu et le maintenir refroidi. Il a ensuite suffi de quatre heures à l'ingénieur pour fabriquer un modèle à l'aide du système Fortus de Stratasys. Après avoir apporté plusieurs itérations au concept et s’être assuré que la pièce pourra se monter correctement sur la voiture, l’ingénieur a fabriqué un noyau soluble FDM. La pièce finale en fibre de carbone a été posée sur le noyau composite. Après le séchage de la pièce, le noyau soluble a été tout simplement dissout. La nouvelle pièce était prête le mercredi, à temps pour être vissée sur la voiture avant son départ pour la course suivante.

Quels avantages a tirés JGR de l'utilisation de noyaux solubles FDM par rapport aux outils à deux sections.


Méthode

Coût

Durée

Main-d'œuvre

Modèle FDM et moule à deux sections

USD $350

3 jours

15 heures

Noyaux solubles FDM

USD $90

1 jour

2 heures

ÉCONOMIE

USD $260 (74%)

2 jours 66 %)

13 heures (87 %)

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