Une grande liberté de conception pour les outils complexes grâce à la fabrication additive (AM)

Jusqu’à une date récente, il n’était pas encore possible de combiner précision et fabrication additive (« Additive Manufacturing »). Or, certains fabricants d’outils de précision se risquent aujourd’hui à utiliser cette technologie, et obtiennent des résultats positifs dans les domaines des procédés de production, de la précision et de la performance des produits.

Des performances élevées, une durée de vie prolongée ainsi que la rapidité de changement des outils sont aujourd’hui les principales exigences requises pour les concepts modernes d’outillage. Un concept développé par Mapal, le fabricant d’outillage allemand, répond à ces exigences en proposant une mèche de forage permettant une bonne formation et une évacuation fiable des copeaux, et ce grâce à la géométrie. La mèche de forage est maintenue au moyen d’une fixation stable en forme de prisme. La haute précision permet des spécifications techniques très pointues en matière de coupe, ainsi que la qualité élevée de forage qui en découle. Cette combinaison unique a pu être réalisée à l’aide de la fabrication additive de poudre métallique, fondue au moyen d’un laser. L’utilisation de l’« AM » pour la poudre métallique autorise ainsi une conception améliorée et une production plus efficace des outils.

Mèche de forage refroidie de diamètre réduit

Mèche de forage refroidie de diamètre réduitJusqu’à une date récente, cette mèche était disponible dans des diamètres de 13 mm et plus. L’une des raisons en était le mode d’acheminement du liquide de refroidissement à l’intérieur de l’outil. Plus les dimensions du corps de foret sont réduites, plus l’effet inverse sur les performances de l’outil sera important. Un acheminement central du liquide réfrigérant affaiblit le centre de la mèche de forage, et rend celle-ci instable. En outre, les canaux de réfrigération doivent alors être plus étroits, ce qui réduit l’afflux de liquide vers la tête de l’outil. La nouvelle conception du corps en acier de cet outil, qui prévoit des canaux en forme de spirales, n’est généralement pas utilisée pour les petits diamètres. À présent, cette conception autorise même la production de forets pleins d’un diamètre compris entre 8 et 12 mm.

Parmi les caractéristiques essentielles du processus de production figurent la possibilité d’exécuter des travaux sans intervention d’un opérateur, ainsi que la réduction du temps nécessaire pour changer les outils. Le principal avantage réside néanmoins dans une géométrie intégralement nouvelle, qui améliore les performances des outils.

Processus de production

La nouvelle série de mèches de forage se compose de pièces hybrides: le corps de foret, qui est l’élément le plus simple de l’outil, est fabriqué de manière traditionnelle, alors que la tête de forage, qui en constitue la partie la plus complexe, vient s’y ajouter ultérieurement par fusion au laser, à l’aide de techniques de fabrication additive. Grâce à cette approche, la production devient beaucoup plus attrayante d’un point de vue économique. Une production est même possible sans aucune intervention humaine, 24h/24 et 7 jours sur 7.

La production des mèches fait appel à deux systèmes utilisant le concept du LaserCUSING, ainsi qu’à un récipient central pour l’acheminement du matériau. Ce dispositif permet de fabriquer entre 100 et 121 mèches de forage par opération. La rapidité de fabrication des lasers de 400 W se situe entre 6 et 18 cm³/h. Le laser chauffe la poudre jusqu’à une température de 60 à 70 °C afin de pouvoir réaliser la fusion. La quantité de poudre indispensable à la production est calculée en fonction du poids effectif de la construction à produire, auquel on ajoute 10 %. Les déchets sont faciles à recycler.

La tension interne relevée dans les éléments est capitale pour les solutions en termes d’outils rotatifs. Après l’opération, la tension doit être éliminée des pièces fabriquées selon des méthodes traditionnelles, en raison de l’énormité des forces auxquelles celles-ci ont été exposées. Avec la technique du « LaserCUSING » (contraction des termes « Concept Laser » et « fusing »), le prototype de mèche peut être refroidi en permanence tout au long du processus, ce qui permet une production plus stable.

Concept de refroidissement

Une mèche de forage fabriquée à l’aide de la technologie « AM » implique un concept de refroidissement reposant sur des corps conducteurs en forme de spirales, qui ont pour effet d’améliorer les performances de refroidissement. L’efficacité d’acheminement du liquide de réfrigération a également pu être doublée par rapport au concept précédent, la stabilité du centre de la mèche se trouvant elle aussi accrue. Les caractéristiques en termes de refroidissement ont encore été améliorées, et ce grâce aux nouveaux profils des corps conducteurs acheminant le liquide de refroidissement, qui se démarquent de la forme circulaire classique et adoptent une forme légèrement triangulaire. Cette particularité contribue à optimiser le moment d’inertie géométrique, mais aussi la rapidité de l’écoulement. Il ne serait pas possible de produire des systèmes de refroidissement de ce type en se basant sur des méthodes classiques.

Ce nouveau concept de réfrigération permet par ailleurs de procéder à des activités de forage pendant des durées plus longues, à l’aide de mèches mieux refroidies, et de fabriquer des mèches de forage de diamètres plus réduits.

Alésoirs

Grâce à cette technologie, le fabricant a également su adapter la conception d’autres produits, tels que les alésoirs externes. En effet, plus leur poids est léger, plus leur fonctionnement se montre performant (en tout cas, pour ce qui est de travailler avec des alésages de diamètre réduit). Les alésoirs externes de 8,5 mm en acier de fabrication traditionnelle pèsent déjà 400 g. Ce poids, ainsi que l’inertie de la masse qui en résulte, viennent limiter la vitesse maximale. La fabrication additive permet de construire des alésoirs légers, autorisant ainsi un rééquilibrage intégré, d’où une concentricité presque parfaite des pièces rotatives, le poids étant réduit à 172 g. Cette économie de poids entraîne des performances améliorées, la machine étant plus rapide, et la précision accrue.

L’avenir

Le recours à des stratégies utilisant la fabrication additive est donc susceptible d’accroître la compétitivité, les avantages économiques ainsi que la valeur ajoutée du processus de production. Les pièces ainsi produites seront donc, à l’avenir, plus « intelligentes », complexes et performantes. Une grande liberté de conception fera de surcroît son apparition, ce qui débouchera sur de nouvelles géométries, dotées de nouvelles caractéristiques. La fabrication additive rend possibles de nouvelles solutions de production qui ne reposeront pas sur les méthodes traditionnelles.

(images ETMM)