Remplacer les métaux par des polymères haute performance dans les applications industrielles
Dans la fabrication traditionnelle, le métal est prisé pour sa solidité, sa résistance à la corrosion et sa durabilité, entre autres propriétés. Et même si cela ne changera jamais, l’essor de l’utilisation de la fabrication additive avec des polymères haute performance a entraîné une évolution étonnante : la possibilité de remplacer les pièces métalliques par des pièces en plastique, même dans les secteurs où la sécurité est essentielle, comme l’aérospatiale, l’automobile et le ferroviaire.
Mais quels sont les avantages du remplacement des pièces métalliques par des pièces en polymères haute performance ? Et surtout, quels sont les outils nécessaires pour garantir la sécurité de cette opération ? OMNI3D, connu pour ses imprimantes 3D de qualité industrielle, s’est imposé comme l’un des leaders dans ce domaine et travaille activement à montrer comment il est possible de remplacer des métaux par des polymères haute performance dans différents secteurs.
Un support d’engrenage en polymère réalisé grâce à l’impression 3D grand format d’Omni3D
Quels sont les avantages de l’utilisation de polymères haute performance par rapport aux métaux ?
Tout d’abord, il est important de savoir ce que sont exactement les polymères haute performance. Ces thermoplastiques se distinguent par leurs propriétés, telles que la résistance à la corrosion, un rapport poids/résistance supérieur, la durabilité, la stabilité thermique, la résistance au fluage et la résistance chimique, entre autres, selon le matériau adopté. Pour la fabrication additive, certains des matériaux les plus utilisés sont le PEEK, le PEKK et l’ULTEM, qui offrent différents avantages.
L’un des plus importants est la capacité à réduire le poids. Malgré les nombreux avantages des métaux, il est indéniable qu’ils sont lourds. Les polymères haute performance sont plus légers et leurs propriétés leur permettent d’offrir des performances comparables à celles des métaux. Cet allègement est essentiel pour des industries telles que l’aérospatiale, l’automobile et le ferroviaire. En effet, la réduction du poids se traduit directement par une amélioration du rendement énergétique, une augmentation de la capacité de charge et une réduction de l’impact sur l’environnement.
De plus, en combinant des polymères à haute performance avec la fabrication additive, les avantages sont encore plus importants. En effet, la fabrication additive permet de créer des pièces beaucoup plus complexes sur le plan géométrique que la fabrication traditionnelle, ce qui permet de s’affranchir des contraintes héritées du passé. Cela permet notamment d’optimiser la conception de pièces encore plus légères, mais pas seulement.
Clé de regard métallique (en haut) qu’Omni3D a remplacée par une version en polymère haute performance (en bas).
La fabrication additive est également connue pour changer la donne lorsqu’il s’agit d’améliorer les chaînes d’approvisionnement grâce à sa capacité à produire des pièces à la demande. C’est également une alternative viable lorsqu’il s’agit de composants cassés ou obsolètes, en particulier ceux en métal. Grâce aux polymères haute performance et à la fabrication additive, la production sera nettement plus rapide, ce qui réduira les temps d’arrêt.
Besoins en équipement pour les polymères haute performance
Il y a cependant une raison pour laquelle les polymères haute performance ne peuvent pas être utilisés n’importe où. En effet, n’importe quelle solution de fabrication additive n’est pas suffisante. Un équipement de qualité industrielle est nécessaire pour permettre aux utilisateurs de profiter des avantages de ces thermoplastiques et de répondre aux demandes de production à grande échelle.
L’un des aspects les plus importants est bien sûr la compatibilité des matériaux. Si une machine ne dispose pas d’une chambre chauffée ou d’un extrudeur capable d’atteindre certaines températures, il sera impossible d’imprimer avec des polymères haute performance. Un contrôle précis de la température et un chauffage uniforme sont particulièrement importants pour les performances.
Parmi les autres qualités idéales, citons un volume d’impression plus important pour la production de pièces plus grandes et plus complexes, des systèmes de contrôle avancés et des mécanismes de précision et, bien sûr, la capacité d’un fonctionnement continu et d’un temps d’arrêt minimal. Les systèmes de matériaux ouverts sont également préférables car ils permettent aux utilisateurs d’expérimenter une large gamme de filaments et de matériaux, ce qui est essentiel pour optimiser les propriétés des pièces et explorer de nouvelles applications.
Un roulement de roue en métal (à gauche) et la version en polymère haute performance fabriquée par Omni3D pour les véhicules de l’OTAN.
Omni3D est un bon exemple de fabricant d’équipement adapté. Les imprimantes grand format de la société sont équipées de chambres chauffées qui ont été conçues pour un contrôle précis de la température dans le volume d’impression, ainsi que pour une régulation constante de la température afin d’obtenir un chauffage uniforme et d’éviter les points froids. Cela permet d’assurer une cristallisation optimale du matériau et de minimiser le warping et d’autres défauts des pièces.
Ces propriétés signifient qu’elles sont capables de gérer les exigences thermiques de matériaux tels que le PEEK, le PEKK et l’ULTEM. En outre, le contrôle en boucle fermée garantit le maintien de réglages de température précis, même pour les travaux d’impression de longue durée. Ces caractéristiques sont idéales pour l’impression de polymères haute performance. Même s’il reste des problèmes à résoudre.
Lorsque ces éléments sont réunis, des pièces de très bonne qualité peuvent être fabriquées à partir de polymères haute performance. Si l’on prend l’exemple d’Omni3D dans le secteur de la défense, l’impression 3D grand format avec des polymères haute performance a aidé l’OTAN à entretenir une flotte de véhicules BMP-1. Ces chars sont des atouts essentiels pour les forces militaires de l’OTAN, mais ils peuvent représenter un défi logistique important, car l’approvisionnement en pièces de rechange est à la fois long et coûteux. Les longs délais d’approvisionnement peuvent notamment compromettre la disponibilité opérationnelle.
Omni3D a pu démontrer que l’OTAN pouvait produire des pièces fonctionnelles à haute résistance pour les chars directement sur site. En combinant cela avec une bibliothèque numérique de composants BMP-1, les forces militaires de l’OTAN ont pu contourner les retards de la chaîne d’approvisionnement et assurer le fonctionnement continu des véhicules avec un minimum de temps d’arrêt. Dans l’ensemble, en se tournant vers la fabrication additive, l’OTAN a constaté une amélioration significative de la maintenance de sa flotte.
Un autre exemple de remplacement de pièces métalliques est celui de Luk-Plast. Dans cette entreprise, les rotors en laiton des pompes à vide s’usaient en raison de leur exposition à des conditions difficiles telles que des produits chimiques agressifs, de l’eau et du gaz. Cette situation, combinée à un fonctionnement à grande vitesse et à un service continu qui ajoutaient des contraintes mécaniques, entraînait des remplacements fréquents et une augmentation des temps d’arrêt. Il en résultait des inefficacités dans les systèmes ferroviaires.
Rotors de pompe à vide en laiton (à droite) et en polymère haute performance (à gauche)
Là encore, Omni3D a pu résoudre le problème avec des pièces en polymère. Plus précisément, l’imprimante 3D Omni Pro et le CF PA-12 ont été utilisés pour créer des pièces durables, capables de résister à ces conditions extrêmes. L’entreprise a noté que le contrôle précis de la température dans la chambre chauffée a permis au composant imprimé en 3D de conserver sa résistance et sa stabilité, même face à des produits chimiques agressifs et à des contraintes mécaniques élevées. Au final, la durée de vie du rotor imprimé en 3D a été considérablement améliorée, ce qui a permis de réduire les intervalles de maintenance et de minimiser les temps d’arrêt.
De même, dans le secteur automobile, Omni3D a pu remplacer un collecteur d’admission en métal, un support d’engrenage et un couvercle de joint pour l’équipe de course PRz en utilisant l’impression 3D, le CF PA-12 et le TPU-93A. Plus précisément, les nouvelles pièces en polymère étaient légères, durables et résistantes à la chaleur. Le recours à la fabrication additive a permis une flexibilité de conception et une production rapide et rentable, ainsi que des pièces plus légères. Le poids du collecteur d’admission a été réduit de 1,5 kg par rapport à l’équivalent en aluminium.
Quels sont les besoins en matière de progrès futurs ?
Lorsqu’il s’agit de travailler avec des polymères haute performance, l’humain est capital. À l’heure actuelle, les ingénieurs et les techniciens ne disposent pas toujours des connaissances nécessaires pour utiliser la fabrication additive dans des applications industrielles, en particulier lorsqu’il s’agit de remplacer des pièces métalliques par des pièces en polymère haute performance. C’est un autre domaine où les leaders de l’industrie tels qu’Omni3D ont un rôle important à jouer.
Les ingénieurs qui travaillent avec des polymères haute performance doivent être compétents dans un grand nombre de domaines. Ils doivent notamment être en mesure d’évaluer l’imprimabilité des pièces, de savoir comment utiliser la numérisation 3D et la rétro-ingénierie, de créer des conceptions CAO optimisées pour la fabrication, de sélectionner les matériaux les plus appropriés en fonction des exigences de la pièce et du processus d’impression 3D utilisé, d’optimiser les paramètres d’impression et de comprendre les techniques de post-traitement nécessaires. Tous ces éléments sont importants pour être en mesure d’utiliser véritablement les technologies et d’en tirer profit.
Un collecteur d’admission réalisé pour PRz Racing à l’aide des solutions Omni3D et du CF PA-12
Mais comment cela est-il possible ? L’une des solutions consiste à s’assurer que les systèmes sont ouverts. Omni3D, par exemple, a toujours souligné qu’il était important de les garder ainsi afin de protéger l’équipement utilisé pour remplacer les pièces métalliques par des substituts imprimés en 3D. Les plates-formes et les logiciels open-source contribueront à accroître l’adoption, car les équipes techniques peuvent utiliser et tester les technologies d’impression 3D à leur propre rythme.
Un autre aspect consiste à accorder une plus grande priorité à la formation et à l’assistance. Omni3D s’est engagé dans ces deux domaines au cours des dernières années. Grâce à des ateliers pratiques, des ressources en ligne pour l’apprentissage à son propre rythme, une assistance technique en cas de problème et même des programmes de formation personnalisables, l’entreprise espère permettre aux organisations d’exploiter le potentiel de la fabrication additive dans l’industrie.
L’accent mis sur la formation et l’assistance est l’un des facteurs les plus importants qui contribueront à favoriser le passage des métaux aux polymères haute performance, même pour les pièces critiques pour la sécurité. Avec les matériaux eux-mêmes et l’équipement approprié, il devient possible de maximiser l’utilisation de la fabrication additive et de stimuler l’innovation. Pour en savoir plus sur la façon dont Omni3D procède, cliquez ICI.
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*Crédits de toutes les photos : Omni3D
