Grade2XL, le futur de la fabrication additive en soudage à l’arc (WAAM)

Outre la possibilité de produire localement des pièces de grande taille grâce à la technologie WAAM, l'impression multi-matériaux est également un argument de vente important et unique. La technologie WAAM ne se limite pas à un seul matériau, mais permet de fabriquer des pièces à partir de plusieurs matériaux. Cela offre la possibilité de construire un produit de grande taille avec une enveloppe dans un matériau plus cher, résistant à la corrosion ou à l'usure et un noyau dans un matériau moins cher. Pour étudier ce que vous pourriez faire avec toutes ces possibilités à un niveau plus large, la WAAM est actuellement développée avec 20 partenaires (dont Valk Welding) de toute l'Europe dans le cadre du projet Grade2XL. Avec le soutien financier de l'UE, la WAAM sera développé au cours des 4 prochaines années comme une alternative économiquement viable et durable aux technologies conventionnelles.

Pour le projet Grade2XL, le conteneur d'impression 3D d'Autodesk est maintenant installé chez Valk Welding. Avec deux robots de soudage dans un système, des pièces multi-matériaux avec de nouvelles applications telles que les canaux de refroidissement y seront imprimés. La solution Cryo Easy d'Air Products sera utilisée, ce qui permettra d'imprimer plus de kilos à l’heure sans risque de surchauffe

Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention n° 862017..

Une collaboration unique entre RAMLAB et Valk Welding

RAMLAB, premier Fieldlab européen, a prouvé qu'il pouvait imprimer avec la technologie WAAM des pièces importantes pour des applications industrielles, comme notamment l'hélice marine certifiée du remorqueur Damen. Les premiers essais effectués par RAMLAB pour le compte de Vallourec ont permis de déboucher sur la commande passée à Valk Welding pour la construction de la cellule d'impression 3D.
Vincent Wegener, directeur général de RAMLAB : "Notre produit, MaxQ, se compose d'une suite de capteurs et d'un module logiciel que nous avons développé pour garantir une qualité maximale et obtenir ainsi une pièce imprimée certifiée. Le logiciel de surveillance et de contrôle avancé surveille les paramètres du processus en temps réel. En outre, le flux de travail des fichiers CAO d'Autodesk PowerMill vers un programme pour le robot de soudage Panasonic est désormais commandé par une simple pression sur un bouton. Le système MaxQ est entièrement intégré dans la cellule de Valk Welding. C'est précisément dans cette coopération que réside notre force et qui nous rend unique en Europe".

Super Activ Wire

Valk Welding a construit une cellule avec deux postes de travail, l'un avec une table Siegmund fixe et l'autre avec un manipulateur à cinq axes. Les deux postes de travail sont équipés pour des pièces jusqu'à 2 m de hauteur, ø 800 mm et 500 kg de capacité.
De plus, le défi pour Valk Welding était de pouvoir augmenter le taux de déposition en soudage sans risquer d'endommager le matériau. Une torche de soudage Panasonic avec un servomoteur intégré a été utilisée à cet effet, elle supporte également le procédé Super Active Wire.
Avec le procédé SAW, le fil de soudure effectue des mouvements d’avance et de recul à haute fréquence, ce qui permet de fondre plus de matière à l’heure avec un apport de chaleur limité.

Validation du concept

"L'avantage de la technologie WAAM est que seul un fil standard est nécessaire comme matériau de base, contrairement au processus d’usinage pour lequel un outil spécifique est requis. Quelle que soit la technologie, impression en 3D ou usinage traditionnel, nos clients de l’industrie pétrolière et gazière attendent un produit certifié, et répondant aux normes de qualité les plus élevées. Notre défi consiste donc à les convaincre que nous pouvons leur fournir des pièces conformes à ces attentes. Pour cela, nous comptons sur des clients précurseurs, désireux de prendre part à cette innovation ».

Figure 1. Evolution du processus, de simples cordons jusqu’à un bloc imprimé en 3D
Figure 2. Résultats d'essais de traction sur la pré-construction WAAM Ti6Al4V comparé à ceux d’un fil 3Dprint AM Ti-5 dans les directions x-y-z

L'optimisation des paramètres du processus WAAM, qui est effectuée avant la fabrication d'une pièce, permet d'adapter les propriétés du matériau. En combinaison avec le procédé Super Active Wire Process (SAWP) de Panasonic, un arc stable et un minimum de projections ont été obtenus. Une enceinte de soudage combiné à plus d'argon (Ar) protecteur ont assuré un environnement inerte avec un faible niveau de contaminants.

Après l'optimisation des paramètres du procédé, l'impression a été physiquement mise à l'échelle en imprimant des maquettes pour une étude stratégique de la forme à obtenir (figure 1). La phase expérimentale s'est terminée par la fabrication d'un bloc solide (ou "pré-construction") pour les essais de traction dans les directions x-y-z. Avant les essais mécaniques, la pré-construction a subi un traitement de mise en solution et un vieillissement.

La figure 2 montre les résultats des essais mécaniques de la pré-construction. Un comportement anisotrope typique est visible dans les résultats des épreuves d'élongation. Cela peut être causé par la direction de la croissance des grains, induite par la source de chaleur et influencé par son mode d’application. Le résultat global montre que le matériau imprimé par WAAM a des propriétés mécaniques comparables à celles de la matière de base du fil 3Dprint AM Ti-5.

Après les essais mécaniques, le modèle CAO quasi-définitif de la structure interne a été généré en redessinant le composant d'origine. Au cours de cette opération, un matériau supplémentaire a été ajouté pour permettre l'usinage du modèle final de la structure interne.

La figure 3 montre le composant résultant. Il est intéressant de noter l'absence de décoloration sur l'ensemble de la pièce, signe d'un environnement exempt de contaminants. Pendant l'impression, les paramètres du processus ont été enregistrés à l'aide de notre système de surveillance et de contrôle MaxQ (figure 4) pour une analyse plus approfondie des données. La pièce a finalement été envoyée pour la dernière finition vers la structure interne définitive. En comparaison avec la réalisation de la même pièce à partir d'un bloc forgé, RAMLAB a économisé 50% de matière et avec des améliorations supplémentaires, il est possible d'atteindre une réduction de 70%.

Avec ce projet, RAMLAB a montré le potentiel du système GMAW-WAAM pour l'impression de pièces métalliques en Ti6Al4V. Nous collaborons avec plusieurs institutions pour approfondir les recherches sur ce sujet. Nous avons fait une petite mais importante percée en GMAW-WAAM de pièces en Ti6Al4V, ce qui permet à nos clients de se rapprocher de l'impression de pièces en Ti6Al4V.

Nous tenons à remercier tout particulièrement nos partenaires : Hittech, AirProducts, Valk Welding, Autodesk, Cavitar, Element, TWI, Voestalpine Böhler Welding et le projet AMable.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la fabrication additive à l’arc de pièces en titane, contactez-nous.

www.ramlab.com

Figure 3. Demi-pièce, après fraisage.