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Enjeux et évolutions
de la fabrication additive
Alain BERNARD
Professeur à l’Ecole Centrale de Nantes, IRCCyN UMR CNRS 659...
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Plan de la présentation
Fabrication Additive
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• Besoin d’un modèle
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• Besoin de technologies
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Fabrication Additive
Points communs à toutes
les technologies
 Description numérique de
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Fabrication Additive
FABRICATION
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Source : ISO 17296-2:2014E
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Source : Phil Reeves, Econolyst
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Plan de la présentation
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Les principaux aspects
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Le matériau « juste nécessaire »
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Optimisation topologique
Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole...
Le matériau « juste nécessaire »
Source: Ian Campbell, AEFA 2015
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Optimisation de formes in...
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Le matériau « juste nécessaire »
Structures lattice
Source : Olivier Jay,
Industry Days, Bologne
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Structures lattice
Source : Multistation, journée formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris
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Fabrication SLM Aluminum
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Lower mass
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Simuler pour valider
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Courtesy: Brent STUCKER, http://3dsim.com
Courtesy: Lucas Dembinski,...
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KARMA
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KBE Tool
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Build ScenarioBuild Scenario
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 Infinite alternative orientations;
 Multi-criteria/attributes decision or Multi- or Many-objective optimization.
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Photopolymérisation
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De plus en plus vite…
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Dépôt de matériau polymère et élastomère
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En couleurs et en mixant les matériaux…
Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016
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Dépôt de liant sur un substrat poudre
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Source : ISO 17296-2:2014E
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Sur du sable ou du métal…
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https://youtu.be/wRj44e8D-xk
https://youtu.be/jO-olDixjcs
Dépôt de fil fondu
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La pratique pour tous… Avec de
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Source: www.stratasys.com
Aussi, comme modèle
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Collage de feuilles/
assemblage de plaques
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La couleur…
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(Source: CIRTES)
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Fusion de poudre par laser
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Source: ARCAM
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Part manufactured with EBM (TA6)
Source: Phili...
Fusion de poudre ou de fil
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Source: IRCCyN MO2P team (Prof. MOGNOL – Prof. HASCOET)
Dépôts, gradients de matériaux…
functionnal surface :
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(finiting with machining)
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Adding shapes and functions
Ø tube : 80mm
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Vers une fabrication hybride…
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LaserTech 65
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Source: http://www.contourcrafting.org/
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Ne pas négliger post-traitements et finition…
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Ne pas non plus négliger la
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Source: Streamlining the additive manufacturing di...
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Différents formats…
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Source :: Exploring model-based engineering concepts for additive man...
Hygiène et sécurité :
un sujet à part entière…
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Source : Lucas Dembinski, IRTES/UTBM, AEFA...
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Mieux connaître les phénomènes,
assurance qualité et traçabilité
Source: André Surel, EOS...
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Contrôle in-process…
Source: André Surel, EOS, AEFA 2015
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Contrôle post-process…
 X-Rays tomography
 Different materials including metals
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On sait déjà faire beaucoup de choses…
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Source : Georges Fadel, AEFA 2015
Avec des moyens industriels…
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Source: Machine manufacturers
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Vers des unités de production intégrées…
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Avec plusieurs technologies
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Source : http://cfg.mit.edu/content/multifab-machine-vision-assisted-...
Source : Personnal picture, TNO, Fritz FEENSTRA
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Avec plusieurs technologies
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Fabrication Additive
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Une chaine de valeur en transformation…
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De nombreux de secteurs de progrès…
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Materials
Upstream/
Downstream
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On peut faire cela aujourd’hui…
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Pas seulement des pièces,
aussi des outillages…
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Inserts in molds
Source: PEP
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 ISO/ASTM agreement: Joint development
Les standards avancent…
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Trophées AFPR 2016
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Association Française du Prototypage Rapide
et fabrication additive
Conclusions
- La Fabrication Additive est un des facteurs clefs de progrès dans le monde du
céveloppement rapide de produi...
72Prof. Alain BERNARD29/09/2016
Questions / Discussion
Alain BERNARD
alain.bernard@ec-nantes.fr
www.afpr.asso.fr
Merci pour votre attention !
73Prof. Alai...
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#SMPS2016 Enjeux et évolutions de la fabrication additive

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Smart Manufacturing Paris Saclay 2016
Présentation d'Alain BERNARD

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#SMPS2016 Enjeux et évolutions de la fabrication additive

  1. 1. Enjeux et évolutions de la fabrication additive Alain BERNARD Professeur à l’Ecole Centrale de Nantes, IRCCyN UMR CNRS 6597 Vice-Président, AFPR (Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive) 1Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive
  2. 2. 29/09/2016 2 Plan de la présentation Fabrication Additive Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive Conclusions Prof. Alain BERNARD
  3. 3. 29/09/2016 3 Plan de la présentation Fabrication Additive Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive Conclusions Prof. Alain BERNARD
  4. 4. 29/09/2016 4 De l’objet à l’objet • Besoin d’un modèle numérique • Besoin de technologies et de leur intégration • Besoin de moyens de mesure et de contrôle • Besoin de formaliser la connaissance Digital scuplturePoints clouds CAD reference Model Scanning strategy CAD modeling STL File Part made with additive manuf Interface Additive manufacturing Tool made with additive manuf Tool Rapid tooling Final part Controlandcomparaison Prof. Alain BERNARD
  5. 5. Fabrication Additive Points communs à toutes les technologies  Description numérique de l’objet  A partir d’un fichier CAO 3D, un fichier STL est généré et est tranché pour créer les différentes couches.  Sur la base de ces couches, l’objet physique est fabriqué couche par couche. 5Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source: http://blog.cafefoundation.org/additive- manufacturing-for-electric-motors/
  6. 6. Fabrication Additive FABRICATION COUCHE PAR COUCHE 6Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  7. 7. 7 familles de technologies 7 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  8. 8. 7 familles de technologies 8 Source : Machine manufacturers Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  9. 9. 7 familles de technologies 9 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  10. 10. Principaux matériaux utilisés 29/09/2016 10 Source : Phil Reeves, Econolyst Prof. Alain BERNARD
  11. 11. Plus que des technologies : une chaîne de valeur complète 11Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Post-treatments Material qualification Geometry and material design Manufacturing Manufacturing preparation
  12. 12. 29/09/2016 12 Plan de la présentation Fabrication Additive Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive Conclusions Prof. Alain BERNARD
  13. 13. Les principaux aspects 29/09/2016 13Prof. Alain BERNARD Design Preparation Fabrication Finishing Digital integration Skills – Human factors - Safety Value chain Market needs Materials Mesure and control
  14. 14. 14 Le matériau « juste nécessaire » 29/09/2016 Optimisation topologique Source : Grégoire Allaire, Laboratoire CMAP, Ecole Polytechnique, AEPR 2015 Prof. Alain BERNARD
  15. 15. Le matériau « juste nécessaire » Source: Ian Campbell, AEFA 2015 15Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Optimisation de formes internes et externes
  16. 16. 16 Le matériau « juste nécessaire » Structures lattice Source : Olivier Jay, Industry Days, Bologne Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Copyright 1991-2015 © CIRTES France – Editions DUNOD 2015
  17. 17. 1729/09/2016 Structures lattice Source : Multistation, journée formation, 11 décembre 2015, ENSAM Paris Prof. Alain BERNARD Meilleur développement de cellules (os par exemple) Echangeurs Amortisseur de choc Amortisseur de vibrations Le matériau « juste nécessaire »
  18. 18. Fabrication SLM Aluminum 7 componants 3 materials 2 componants (easy to assemble) 1 material Lower mass 530g ⇨438g Strenght Re-design for RM technology  Definition of mechanical constraints by Flying Cam Application  Specific re-design of the structure (Topol software) by Sirris (Topology)  Fabrication of the structure in Aluminum by MB Proto/Volum-e (Material/Geometry) Re‐design and STL file  generation 18 Ré-industrialisation Source : MBProto/Volum-e Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  19. 19. 19 Simuler pour valider Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Courtesy: Brent STUCKER, http://3dsim.com Courtesy: Lucas Dembinski, UTBM, IRTES, technical workshop, CNRS, Autrans, october 2015
  20. 20. 20 KARMA System KBE Tool Algorithms FEA Tool MachinesMachines MaterialsMaterials Build ScenarioBuild Scenario TechnologiesTechnologies Part PropertiesPart Properties Knowledge Assisted Rapid MAnufacturing Choix de la bonne stratégie 29/09/2016 Prof. Alain BERNARD
  21. 21.  Infinite alternative orientations;  Multi-criteria/attributes decision or Multi- or Many-objective optimization. (cost, time, surface quality, mechanical properties, etc.) Infinite alternative orientations/orientation combinations for a group of parts. 2129/09/2016 Prof. Alain BERNARD Source: PhD Yicha ZHANG, Ecole centrale de Nantes, August 2014 Choix de la bonne stratégie
  22. 22. Photopolymérisation 22 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  23. 23. De plus en plus vite… 23Prof. Alain BERNARD29/09/2016 https://youtu.be/y73z0GgW8nw https://youtu.be/c8uusNU5K6I https://youtu.be/UpH1zhUQY0c https://youtu.be/hgGp59yFc8Q
  24. 24. Dépôt de matériau polymère et élastomère 24 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  25. 25. En couleurs et en mixant les matériaux… Source:Stratasys, Gülay Bozoklu, 21rst AFPR EFAM, Paris, 2016 25Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  26. 26. Dépôt de liant sur un substrat poudre 26 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  27. 27. Sur du sable ou du métal… 27Prof. Alain BERNARD29/09/2016 https://youtu.be/wRj44e8D-xk https://youtu.be/jO-olDixjcs
  28. 28. Dépôt de fil fondu 28 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  29. 29. La pratique pour tous… Avec de nombreuses variantes de matériaux… 29Prof. Alain BERNARD29/09/2016 https://youtu.be/yKHMmKqdI68
  30. 30. Source: www.stratasys.com Aussi, comme modèle pour des fabrications en série ou indirectes Aeronautic parts (ULTEM) 30Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  31. 31. Collage de feuilles/ assemblage de plaques 31 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  32. 32. La couleur… 32Prof. Alain BERNARD29/09/2016 https://youtu.be/LafffSXHNFY
  33. 33. StratoConception… 33Prof. Alain BERNARD29/09/2016 https://youtu.be/hhJIPv5bMYs
  34. 34. Ot’Arts Seat (Scale 1) (Source: CIRTES) Custom made packaging Pack&Strat process (patented by CIRTES) Source: CIRTES StratoConception : pour des objets uniques multi-matériaux ou leur emballage 34Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  35. 35. Fusion de poudre par laser ou faisceau d’électrons 35 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  36. 36. Sources multiples… 29/09/2016 36Prof. Alain BERNARD https://youtu.be/ay_VlIYdAwI
  37. 37. Source: ARCAM Functional part Source:Trumph Pièces industrielles complexes… Part manufactured with EBM (TA6) Source: Philippe Bauer THALES 37Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  38. 38. Fusion de poudre ou de fil dans un flux d’énergie 38 Source : ISO 17296-2:2014E Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  39. 39. Dépôt en 5 axes… 29/09/2016 39Prof. Alain BERNARD Source: IRCCyN MO2P team (Prof. MOGNOL – Prof. HASCOET)
  40. 40. Dépôts, gradients de matériaux… functionnal surface : steel for mold 1.2344 (finiting with machining) Substrat material: Alloy (Ampco 940) 40Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source : Trumpf
  41. 41. Adding shapes and functions Ø tube : 80mm Material : Inox 316 L Deposite :‐Width  for two deposits(≈ 5 mm) ‐ Height 20 mm Manufacturing time for 1 blade : 4min26s Technological possibilities 41 Ajout de fonctions… Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source : http://www.beam-machines.fr/
  42. 42. Vers une fabrication hybride… DMG MORI (Japon) LaserTech 65 Alternance entre dépôt de matière et usinage Source: https://www.youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA 42Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  43. 43. Source: http://www.contourcrafting.org/ Autres modes de dépôts pour d’autres matériaux (construction) 43Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  44. 44. Ne pas négliger post-traitements et finition… Machining and Micro-machining Cela dépend directement du procédé et du matériau… mais aussi du savoir faire (supports, orientation, etc…) 44Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Heat Treatments High Isostatic Pressure (HIP) Polishing Coating Finishing Etc…
  45. 45. 68 hours of fabrication in Aluminum 614 Mo of support structures  438g  (reduction by 20%) Micro Fusion Laser (SLM) AM Machined surfaces 29/09/2016 45 Exemple pratique… Source : Eric BAUSTER, MBProto / Volum-e Prof. Alain BERNARD
  46. 46. Ne pas non plus négliger la qualité initiale du matériau… 46 Source : Romain Vert, Tekna, AEPR 2015 Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  47. 47. 47 Un facteur clef de succès : la chaîne numérique … Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source :: Fabrication additive, Barlier et Bernard éditeurs, Dunod
  48. 48. 48 Sur l’ensemble de la chaîne de valeur… Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source: Streamlining the additive manufacturing digital spectrum: A systems approach http://www.sciencedirect.com/science/journal/aip/22148604
  49. 49. 49 Différents formats… Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source :: Exploring model-based engineering concepts for additive manufacturing, Robert R. Lipman, Jeremy S. McFarlane
  50. 50. Hygiène et sécurité : un sujet à part entière… 29/09/2016 50Prof. Alain BERNARD Source : Lucas Dembinski, IRTES/UTBM, AEFA 2015
  51. 51. 29/09/2016 51Prof. Alain BERNARD Mieux connaître les phénomènes, assurance qualité et traçabilité Source: André Surel, EOS, AEFA 2015
  52. 52. 29/09/2016 52Prof. Alain BERNARD Contrôle in-process… Source: André Surel, EOS, AEFA 2015
  53. 53. 29/09/2016 53Prof. Alain BERNARD Contrôle post-process…  X-Rays tomography  Different materials including metals  Images of internal shapes of lattice or complex geometries XT H 450 BladeRunner Nikon 750kV microfocus X-ray source Source : Multistation, seminar on teaching, 11 december 2015, ENSAM Paris
  54. 54. On sait déjà faire beaucoup de choses… 29/09/2016 54Prof. Alain BERNARD Source : Georges Fadel, AEFA 2015
  55. 55. Avec des moyens industriels… et des unités de production… units Source: Machine manufacturers 55Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  56. 56. 56Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Vers des unités de production intégrées… Source: http://www.conceptlaserinc.com/am-factory-of-tomorrow-2/
  57. 57. Avec plusieurs technologies dans les mêmes machines… Source : http://cfg.mit.edu/content/multifab-machine-vision-assisted-platform-multi-material-3d-printing MultiFab: A Machine Vision Assisted Platform for Multi-material 3D Printing Pitchaya Sitthi-Amorn, Javier E. Ramos, Yuwang Wang, Joyce Kwan, Justin Lan, Wenshou Wang, and Wojciech Matusik ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH 2015) 57Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  58. 58. Source : Personnal picture, TNO, Fritz FEENSTRA 58Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Avec plusieurs technologies dans les mêmes machines…
  59. 59. 29/09/2016 59 Plan de la présentation Fabrication Additive Enjeux et évolutions : vers une réelle approche systémique de la fabrication additive Conclusions Prof. Alain BERNARD
  60. 60. 60Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Un large impact… des connaissances « multi-échelle »… Source: https://engineering.purdue.edu/cdesign/wp/the-status-challenges-and-future-of-additive-manufacturing-in-engineering/
  61. 61. Une chaine de valeur en transformation… 29/09/2016 61Prof. Alain BERNARD Source: Olaf Diegel, AEFA 2015 • Hier, avant la révolution industrielle…  Aujourd’hui…  Demain…
  62. 62. Evolution de la demande… 62Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  63. 63. 63 Customized jewels Customisation… Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Source: Ian Campbell, AEFA 2015, images de Future Factories, Design-Milk et Freedom of Creation
  64. 64. Personnalisation… Fabrication of customized sugars http://www.fubiz.net/2014/10/11/3d-printed-sugar/ 64Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  65. 65. Complexity for Free… Source: Olaf DIEGEL, 21rst AFPR EFAM, Paris 2016 Deluxe Tapware by American Standard 65Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  66. 66. De nombreux de secteurs de progrès… 66 System/process Materials Upstream/ Downstream Applications Application oriented Automatisation Manipul. part and material Continuous production Adaptative control Closed loop Productivitéy Repeatability Polymeres Metals Ceramics Composites Biomaterials Appliances Aeronautics Space Energy Transports Luxury/jewels Medical materials Implants Prostheses Organs Functional design Topology/geometry Material design Finishing operations/ THT Coatings Repairing Sustainability Environnement Quality/control Research Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  67. 67. On peut faire cela aujourd’hui… 67Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  68. 68. Pas seulement des pièces, aussi des outillages… 68Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Inserts in molds Source: PEP Injection molding toolings - PS Application PMP R&D contract PSA / CIRTES (Aluminium) Blowing tools Source: CIRTES Inserts in molds Source: Realizer
  69. 69.  ISO/ASTM agreement: Joint development Les standards avancent… 69Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  70. 70. Trophées AFPR 2016 70Prof. Alain BERNARD29/09/2016 Association Française du Prototypage Rapide et fabrication additive
  71. 71. Conclusions - La Fabrication Additive est un des facteurs clefs de progrès dans le monde du céveloppement rapide de produit. - La Fabrication Additive est un ensemble de procédés supplémentaires et complémentaires aux technologies plus « traditionnelles ». - La Fabrication Additive permet la complexité et la diversité des produits et des processus sans coût additionnel significatif. - La Fabrication Additive a besoin de modèles numériques de qualité, de nouveauc formats sont en phase de création pour représenter tout le potentiel de représentation de la géométrie et de la structure des matériaux. - La Fabrication Additive permet de repenser la conception des pièces par une approche fonctionnelle et une validation produit-process intégrée et robuste, dans une approche favorisant la différentiation et la personnalisation des produits. - La Fabrication Additive mobilise des compétences spécifiques. - La Fabrication Additive permet de mettre « la juste matière au juste en droit, avec moins de consommation d’énergie, moins de temps de fabrication, moins d’impact environnemental ». 71Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  72. 72. 72Prof. Alain BERNARD29/09/2016
  73. 73. Questions / Discussion Alain BERNARD alain.bernard@ec-nantes.fr www.afpr.asso.fr Merci pour votre attention ! 73Prof. Alain BERNARD29/09/2016

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