Le chaînon manquant de la fabrication additive

Une solution de fabrication numérique de bout en bout, conçue pour le DoD, permettra aux grandes organisations de gérer et de faire évoluer leurs processus de FA.

La fabrication de pointe n’a même pas encore fêlé la surface de ce qui est possible. De la conception générative et de l’allègement à la simulation logicielle et à la production décentralisée, la transition vers la fabrication numérique promet de libérer un énorme potentiel. Pourtant, les grandes entreprises, notamment militaires, aérospatiales et automobiles, ont du mal à tirer pleinement parti de ces avantages, en grande partie à cause de la complexité de l’intégration de ces technologies dans une solution à l’échelle de l’entreprise.

Une plate-forme idéale combinerait les capacités de conception automatisée pour la fabrication additive (DfAM), la préparation de la fabrication additive avec l’apprentissage automatique, l’analyse des données et les systèmes d’exécution de la fabrication (MES) dans une seule interface. Cela permettrait de réduire les temps de cycle de conception de quelques semaines à quelques heures, les coûts du projet diminueraient considérablement, tout en perfectionnant la qualité de chaque pièce. De plus, les complexités de la chaîne d’approvisionnement seraient pratiquement éliminées car les composants pourraient être conçus dans une partie du monde et imprimés n’importe où ailleurs sur la planète, ou même dans l’espace, d’une simple pression sur un bouton.

La marine américaine a essayé de s’attaquer à ce problème. Récemment, dans le cadre d’un projet Small Business Innovative Research (SBIR), il a demandé des offres pour le développement d’un système de fabrication additive (AM) de bout en bout qui pourrait être utilisé dans l’ensemble du ministère de la Défense (DoD).

“La Marine recherchait un processus rationalisé qui aurait également une certification d’auditabilité et de conformité”, explique le Dr Michael Bogomolny, co-fondateur et directeur de la technologie chez ParaMatters Inc., un fournisseur de logiciels de conception générative et de DfAM leader de l’industrie basé en Californie. . “Je pense que les services CAD / CAM étaient suffisamment intuitifs pour savoir que cette solution ne peut tout simplement pas être réalisée par un seul acteur.”

CAD / CAM Services – un maître d’œuvre basé au Texas pour le gouvernement fédéral américain – a été invité à intégrer les technologies commerciales prêtes à l’emploi (COTS) dans une interface unique. Cela permettrait au DoD, ainsi qu’à d’autres grands fabricants, de gérer et de faire évoluer leurs processus AM.

“Comme point de départ, la Marine voulait résoudre les problèmes de plus en plus problématiques des chaînes d’approvisionnement et de logistique pour, disons, un porte-avions au milieu de l’océan Indien qui avait besoin d’une pièce spécifique immédiatement”, explique Scott Shuppert, PDG de CAD. / Services de FAO. “Ils veulent pouvoir appuyer simplement sur un bouton et que cette pièce commence à imprimer directement sur l’imprimante 3D du navire ou sur la plus proche disponible.”

Pour ce faire, Shuppert et son équipe ont dû fournir une solution viable pour chaque étape de la durée de vie d’une pièce, du développement et de la certification au service et au remplacement. Cela nécessitait de faire correspondre chaque solution avec le meilleur fournisseur de technologie possible en cours de route.

Commencer sur le front-end

“En fin de compte, la Marine et le DoD veulent disposer d’un référentiel complet de chaque pièce de son arsenal cataloguée, certifiée et prête à être fabriquée numériquement par une imprimante 3D partout dans le monde”, déclare Shuppert.

La transition vers ce processus de fabrication avancé nécessite que chaque composant entreprenne une évaluation approfondie de sa conception. Par exemple, comme point de départ, la pièce est-elle même capable d’être fabriquée numériquement ?

“Pensez à la pale de rotor d’un hélicoptère. C’est tout simplement trop grand pour être imprimé en 3D, du moins en ce moment. Donc, cette partie est rejetée », ajoute Shuppert. “Peut-être que la pièce doit être fabriquée en utilisant un métal exotique ou une géométrie complexe, ce qui n’est actuellement pas possible pour la FA. Cela serait également abandonné.

Si la pièce est jugée acceptable, est-elle la mieux adaptée à la fabrication additive ou soustractive ? Pourrait-il être amélioré grâce à la conception générative ou à la science des matériaux ? A-t-il besoin d’une simulation numérique et/ou d’une analyse par éléments finis (FEA) – qui peut prédire mathématiquement comment un composant résistera à des forces réelles telles que les vibrations, la chaleur, l’écoulement de fluide et d’autres effets physiques ?

“Pour l’aspect DfAM et conception générative du système, nous voulions supprimer autant que possible l’élément humain du processus de conception. La plate-forme de ParaMatters fait cela, et les choses qu’ils font avec la simulation additive et la FEA vont bien au-delà de ce que n’importe qui d’autre est capable de faire », déclare Shuppert. “Cela en a fait notre premier choix pour le projet Navy car cela réduit la complexité d’avoir à intégrer plus d’un système sur le front-end.”

Avec la plate-forme de ParaMatters, la Marine peut simplement saisir les caractéristiques dont elle a besoin pour un composant spécifique et le logiciel l’optimisera par des tests, des simulations et des inspections. Le logiciel sélectionne le matériau approprié, détermine la meilleure orientation pour l’impression, où inclure les structures de support, imbrique les pièces sur le plateau de construction et génère toutes les données de découpe pour chaque composant. Il est également indépendant de la technologie et des matériaux, ce qui était une caractéristique essentielle pour la Marine.

Grâce à la conception générative, cette approche améliorera le poids par rapport aux performances, l’intégrité structurelle et une variété de propriétés des matériaux. Il peut également réduire le nombre de pièces nécessaires dans un assemblage en les combinant en une seule pièce imprimée.

“C’est quelque chose que la connaissance humaine ne serait pas capable de faire dans la première étape du processus de conception”, explique Bogomolny. “Donc, vous raccourcissez alors le cycle de conception par ordre de grandeur.”

Ces éléments sont ensuite intégrés dans un système d’apprentissage automatique qui utilise l’intelligence artificielle (IA) pour garantir que les futurs travaux de conception deviennent encore plus intelligents.

“Le moteur d’IA dans la phase de conception a des capacités d’apprentissage et d’heuristique”, explique le Dr Bogomolny. “Cela crée de la répétabilité, de la précision, des normes et la capacité de rationaliser l’opération grâce à des processus systématiques mémorisés qui peuvent être appliqués à plusieurs reprises, permettant ainsi à l’automatisation de commencer à développer le résultat.”

Au-delà de l’exécution de la fabrication

Une fois qu’un composant est passé par les processus DfAM et de simulation, il peut alors passer automatiquement à un système d’exécution de fabrication fourni par AMFG. Basée à Austin, au Texas, AMFG conçoit des logiciels MES et de flux de travail qui permettent aux entreprises de passer plus facilement à la fabrication numérique.

Le logiciel AMFG gère la production du système de fabrication additif ou soustractif. Cela inclut la planification automatique, le routage automatique des pièces et la gestion de toutes les imprimantes 3D – à la fois en interne pour la Marine ou le fabricant, ainsi que toutes les solutions externes qui peuvent être nécessaires.

“Le système guidera certaines décisions comme la logistique où cette pièce doit être produite en fonction de certaines exigences, en fonction des ressources et de toute complexité dans le flux de travail pour exécuter ce projet efficacement”, explique Luke Bierman, responsable des ventes aux États-Unis pour AMFG.

Cependant, cette solution ira bien au-delà de l’exécution et de la gestion de ces systèmes de fabrication. Il est également capable de capturer des informations basées sur les données depuis le début du concept jusqu’à la fin du processus où ce composant a maintenant été validé ou certifié.

“C’est là que cela devient vraiment à la pointe, car vous pouvez prendre ces données de l’ensemble du processus et améliorer continuellement cette partie”, explique Shuppert. “Non seulement vous allez les rendre plus rapides et plus efficaces, mais chaque composant peut désormais être facilement révisé à mesure que la technologie progresse pour créer une version encore plus supérieure.”

Le système peut également capturer des informations sur ce qui arrive réellement au composant tout au long de son cycle de vie, connu sous le nom de gestion du cycle de vie du produit (PLM). Ces données seraient utilisées pour créer un jumeau numérique qui fournirait des informations supplémentaires sur les exigences de conception et de maintenance de la pièce.

« Disons que vous avez un composant qui doit être remplacé tous les quatre ans », explique Bierman. « Le logiciel peut alors planifier l’impression et la livraison d’un composant de remplacement juste avant que la maintenance ne soit programmée. Ainsi, vous pouvez voir où cela commence à créer une industrie intelligente à la fois proactive et intuitive.

Ce type de données pourrait également réduire considérablement le lourd fardeau actuellement imposé au DoD et à la Defense Logistics Agency (DLA) en minimisant, voire en éliminant, les problèmes de chaîne d’approvisionnement et le besoin de zones d’inventaire massives.

« Si vous êtes en mesure d’exécuter des composants n’importe où dans le monde en moins de 24 heures, vous ne produisez et ne stockez peut-être pas tous ces composants afin de satisfaire une sorte d’inventaire critique », explique Bierman. “Vous pouvez désormais simplement les créer à la demande à l’aide d’un inventaire virtuel.”

Contrôle et certification

La qualité, la sécurité et la traçabilité étaient également des facteurs clés pour ce nouveau système intégré. Pour le DoD, les pièces doivent être certifiées avant de pouvoir être déployées pour le service.

“Chaque pièce doit répondre à certaines exigences, qu’il s’agisse de l’AS9100 pour l’aérospatiale, de l’IATF 16949 pour l’automobile ou d’une pièce certifiée pour la marine”, explique Bierman. “Grâce à cette plateforme, nous pouvons vérifier que le composant est 100% capable d’être utilisé pour son application.”

Ce processus commence dès que la pièce est fabriquée, puis inspectée avec un scanner industriel ou un scanner laser. Le logiciel prend le fichier CAO d’origine et peut trouver les écarts géométriques et faire avancer ou éliminer automatiquement le composant. Ces capacités peuvent être encore étendues si nécessaire pour intégrer l’acoustique non linéaire ou la stimulation des ondes – comme MASER – comme méthode d’inspection.

Toutes les données d’inspection sont à nouveau traitées dans l’IA où elle peut apprendre à réduire le nombre de pièces disqualifiées à l’avenir.

“Une fois que cela est certifié, nous pouvons prendre toutes ces métadonnées et les télécharger dans un référentiel de composants certifiés qui, à l’avenir, peuvent être exécutés de manière cohérente dans le monde entier sur n’importe quel site qui répond à ces exigences pour l’exécuter avec le même processus exact”, déclare Shuppert.

Ce référentiel d’analyse de données pourrait ensuite être appliqué à de futurs projets non seulement pour la marine, mais pour l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement militaire.

L’objectif final de cette stratégie était d’optimiser les protections de cybersécurité tout au long du processus. Cela nécessite que l’interface de fabrication numérique respecte tout niveau de certification CMMC (Cybersecurity Maturity Model Certification) demandé par la Marine, qui peut aller jusqu’au niveau V. Le DoD cherche également à accroître la sécurité de ses données numériques et de ses connexions réseau. Dans ce cadre, la technologie de jumeau numérique sera utilisée pour valider et empêcher la falsification de la chaîne d’approvisionnement numérique du DoD.

Pour plus d’informations, contactez CAD/CAM Services, Inc. au 1529 Brook Lane, Celina, TX 75009 ; 800-938-SCAN (7226); 972-978-4288 ; scott@cadcam.org ou https://www.cadcam.org/