Nouvelles normes pour la qualification de la fabrication additive

La fabrication additive entre progressivement dans la production industrielle de série, en particulier dans des secteurs comme le médical, le spatial, l’aéronautique et même récemment l’automobile. L’évolution rapide des technologies a forcé les industriels à développer leurs propres normes et spécifications de production et de qualification.

Des normes encore complexes mais néanmoins utiles

Les technologies ne sont, de manière générale, pas encore très matures alors que pour percer davantage dans la production de masse, une méthodologie de qualification machine rigoureuse est essentielle. Il existe encore peu de normes, directives ou recommandations auxquelles se fier.

Les procédures de qualification et de certification sont donc inutilement compliquées, longues et coûteuses pour chacune des parties. Néanmoins, elles identifient et analysent les risques associés à ces nouvelles technologies, et apportent la preuve que celles-ci sont appropriées à l’usage prévu. Elles jouent ainsi un rôle important dans l’augmentation de fiabilité, d’efficacité et de répétabilité des techniques.

L’évolution rapide de la fabrication additive a forcé les industriels de certains secteurs à développer leurs propres normes et spécifications de production et de qualification. Jusqu’à présent, ces méthodologies comprennent une qualification de l’installation (QI), une qualification opérationnelle (QO) et une qualification des performances (QP) de la machine. Les documents requis incluent les spécifications détaillées des matériaux et procédés utilisés ainsi que les instructions de travail, la sévérité des exigences dépendant de la criticité de la pièce envisagée.

Pour définir ces spécifications, les donneurs d’ordre étudient de manière approfondie les procédés au sein de leur département R&D, notamment pour comprendre leurs risques et limitations et définir les stratégies d’opération, les méthodologies d’échantillonnage, les techniques de test (y compris non-destructives) et les exigences relatives aux opérateurs.

Fabrication additive vs. conventionnelle

Le suivi de la qualité d’un produit fabriqué par addition de matière doit être différent de celui d’un produit fabriqué de manière conventionnelle. Le fait d’ajouter progressivement de la matière pour construire une pièce fait que les propriétés du matériau constituant cette pièce sont très dépendantes du type de machine et des paramètres du procédé. Il n’est pas encore possible de prédire avec précision les propriétés finales du matériau sans les coupler à une machine et son jeu de paramètres de fabrication.

La fabrication en couche induit aussi une anisotropie des propriétés du matériau. L’orientation de la pièce et sa position dans le volume de fabrication a en effet son importance. Chaque étape du procédé global doit donc être clairement définie : le choix du design, l’orientation de la pièce, l’ajout de supports appropriés pourront influencer la répétabilité lors de la production de grandes séries de pièces. Des défauts structuraux peuvent exister au sein de chaque couche ou de manière ponctuelle dans la pièce. Ils peuvent être très difficiles à détecter dans des formes 3D complexes avant d’évoluer vers des défauts plus conséquents lors de l’utilisation : ceci nécessite des techniques de contrôle adaptées.

Les informations impactant la qualité du produit doivent être collectées et analysées à chaque étape du procédé additif. Les entreprises mènent leurs propres campagnes de tests pour assurer l’intégrité de leurs produits et procédés. Mais la certification des pièces sur base du cas-par-cas est diamétralement opposée à une vision de production industrielle utilisant les techniques additives pour fabriquer des pièces à la demande. Ces tests onéreux et longs dans le temps dissuadent malheureusement un élargissement des applications des techniques additives, mettant en lumière le besoin de développer des normes depuis le design de la pièce jusqu’à la fabrication opérationnelle de celle-ci.

Les défis de la qualification en additive manufacturing

Parmi les plus grands défis liés à la qualification des procédés additifs, on peut citer :

  • Le manque d’information relatif aux propriétés du matériau ainsi que le manque d’expérience et de connaissances scientifiques autour des procédés
  • La difficulté d'évaluer les risques spécifiques à ces procédés
  • L’anisotropie et l’hétérogénéité des propriétés des pièces obtenues
  • Le manque de répétabilité des procédés, et la difficulté de mettre en place un contrôle qualité adéquat et fiable.

Les organismes internationaux de normalisation comme l’ISO et l’ASTM travaillent en collaboration sur l’élaboration de normes dédiées au secteur de la fabrication additive au travers des Comités Techniques ISO/TC 261 et ASTM F42. Ils ont très bien identifié ce manque de méthodologie de qualification en fabrication additive et se focalisent depuis plusieurs mois sur le développement de normes opérationnelles sur ce sujet particulier. Le tableau ci-dessous reprend une liste non exhaustive, car en constante évolution, des derniers travaux en cours de discussion concernant la qualification et l’évaluation des performances des procédés additifs.

ISO/ASTM DIS 52924  Fabrication additive - Principes de qualification - Classification des propriétés des pièces pour la fabrication additive de pièces polymères

Ce document établit des classes de propriétés des pièces polymères fabriquées par addition de matière afin d’avoir une perception commune de leur qualité. Ces classes sont basées sur les propriétés mécaniques, la densité et la précision dimensionnelle. Il s’applique principalement aux polymères thermoplastiques mis en forme par frittage laser (PBF-LB/P) ou extrusion de matière (MEX). Une méthodologie de mesure de ces propriétés est également spécifiée pour déterminer la classe à laquelle appartiennent les pièces fabriquées par le procédé et le matériau considéré. Les concepteurs de pièces ainsi que les acheteurs et les prestataires de service peuvent ainsi spécifier, de manière normalisée, le niveau requis des propriétés des pièces désirées et/ou fabriquées.
 
ISO/ASTM DIS 52925  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des matériaux polymères pour la fusion sur lit de poudre utilisant un laser

Ce document définit les paramètres spécifiques et les recommandations pour la qualification des matériaux polymères dédiés au frittage laser, et plus particulièrement les polyamides 11 et 12. Il propose une série de tests normalisés pour la caractérisation de la poudre neuve, usagée, ainsi que des mélanges de poudre neuve et recyclée.

ISO/ASTM NP 52926-1  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des opérateurs machines pour la production de pièces métalliques

Ce projet de norme spécifie les exigences relatives à la qualification du personnel des centres de fabrication dans lesquels sont utilisés des procédés additifs dédiés au métal. Indépendamment du procédé considéré, il définit des critères généraux pour la qualification des opérateurs machines : test de la vue, évaluation théorique et pratique. Un exemple de certificat de qualification est proposé.

ISO/ASTM NP 52926-2  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des opérateurs machines pour la production de pièces métalliques par LBM

Ce projet de norme spécifie les exigences particulières relatives à la qualification des opérateurs de machines et équipements de fusion laser de lit de poudre métallique (PBF-LB/M), excepté pour les applications aérospatiales qui font l’objet d’une norme spécifique (ISO/ASTM 52942 Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des opérateurs des machines et équipements de fusion laser de lit de poudre métallique utilisées pour des applications aérospatiales). Il propose des critères d’évaluation théoriques et pratiques divisés en 5 différents thèmes concernant la production d’une pièce par cette technologie : généralités, contrôle du matériau, contrôle de l’équipement, procédures internes et inspection.

ISO/ASTM NP 52926-3  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des opérateurs machines pour la production de pièces métalliques par EBM

Ce projet de norme spécifie les exigences particulières relatives à la qualification des opérateurs de machines et équipements de fusion par faisceau d’électron de lit de poudre métallique (PBF-EB/M). Il propose des critères d’évaluation théoriques et pratiques divisés en 5 différents thèmes concernant la production d’une pièce par cette technologie : généralités, contrôle du matériau, contrôle de l’équipement, procédures internes et inspection.

ISO/ASTM NP 52926-4  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des opérateurs machines pour la production de pièces métalliques par DED-LB

Ce projet de norme spécifie les exigences particulières relatives à la qualification des opérateurs de machines et équipements de dépôt direct d’énergie par faisceau laser (DED-LB). Il propose des critères d’évaluation théoriques et pratiques divisés en 5 différents thèmes concernant la production d’une pièce par cette technologie : généralités, contrôle du matériau, contrôle de l’équipement, procédures internes et inspection.

ISO/ASTM NP 52926-5  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification des opérateurs machines pour la production de pièces métalliques par DED-Arc

Ce projet de norme spécifie les exigences particulières relatives à la qualification des opérateurs de machines et équipements de dépôt direct d’énergie par arc (DED-Arc). Il propose des critères d’évaluation théoriques et pratiques divisés en 5 différents thèmes concernant la production d’une pièce par cette technologie : généralités, contrôle du matériau, contrôle de l’équipement, procédures internes et inspection.

ISO/ASTM NP 52930  Fabrication additive - Guidelines pour la qualification de l'installation, opérationnelle et des performances (QI, QO, QP) des équipements de production par fusion laser sur lit de poudre

Ce document dresse la marche à suivre pour la qualification de l’installation (QI), la qualification opérationnelle (QP) et la qualification des performances (QP) d’une machine additive et de ses équipements annexes. Les principes de base de l’assurance qualité y sont détaillés ainsi que les différents éléments du processus de validation et revalidation.

ISO/ASTM NP 52935  Fabrication additive - Principes de qualification - Qualification du coordinateur de production de pièces métalliques par fabrication additive

Ce document spécifie les exigences pour la qualification du personnel occupant la fonction de coordinateur de la production par addition de matière dans les centres industriels de fabrication. Le coordinateur AM est responsable de la transposition des exigences produits en exigences de fabrication enévaluant, au-delà du fichier 3D reçu, si les informations sur la pièce sont complètes.

  • en évaluant si la pièce peut être fabriquée comme spécifié et en sélectionnant le procédé de fabrication le plus approprié.
  • en assurant le suivi qualité de la fabrication.

Les critères d’évaluation théoriques et pratiques proposés sont divisés en 9 différents thèmes concernant la production d’une pièce par fabrication additive plus spécifiquement en métal : généralités, procédés AM métal, sélection du procédé, exigences de fabrication, intégration de la production, contrôle du matériau, post-finition, inspection et activités de coordination.

ISO/ASTM NP 52936-1  Fabrication additive - Principes de qualification - Fusion laser de lit de poudre polymère - Partie 1: Principes généraux, préparation des échantillons de tests

Ce document spécifie les principes généraux à suivre lors de la fabrication par fusion laser de lit de poudre (PBF-LB/P) d’éprouvettes de test en matières thermoplastiques. Il fournit une base pour l’établissement de conditions de frittage reproductibles et a pour but de promouvoir une certaine uniformité dans la description des paramètres du procédé, de l’orientation des pièces et de la stratégie de frittage ainsi que dans le rapportage des conditions de frittage.

Les conditions particulières requises pour la fabrication reproductible des éprouvettes varieront suivant le matériau utilisé. Ces conditions seront définies de commun accord entre les parties intéressées.

Plus d'infos peuvent être obtenues auprès de l'antenne normes 'Additive Manufacturing' de Sirris.

Personnes de contact : Bruno.Verlee@sirris.be - Laurent.Voets@sirris.beDirkDeMoor@agoria.be