Alors que la fabrication additive par arc électrique (WAAM) continue de se développer dans les applications industrielles, une question revient sans cesse chez les ingénieurs et les concepteurs : « Comment concevoir des pièces spécifiquement pour le WAAM ? »
La conception pour la fabrication additive (DfAM) est déjà une discipline en pleine évolution, mais le WAAM ajoute sa propre couche de complexité et d'opportunités. Contrairement aux systèmes à lit de poudre, MX3D, avec les technologies M1 et MX Systems et la technologie WAAM, est capable de produire de grands composants métalliques structurels présentant d'excellentes propriétés mécaniques et un gaspillage de . Mais cette capacité s'accompagne d'un nouvel ensemble de principes de conception qui doivent être pris en compte dès le départ.
Dans cet article, nous allons explorer les concepts de base du DfAM pour le WAAM, y compris les considérations géométriques, le comportement du dépôt et les conseils tirés d'applications industrielles réelles. Que vous imprimiez une bride de récipient sous pression, un support structurel ou une pièce de réparation unique, ces informations vous aideront à tirer le meilleur parti du WAAM.
Comprendre le processus WAAM : Qu'est-ce qui le différencie ?
Le WAAM est une forme de dépôt d'énergie dirigée (DED) qui utilise un arc électrique pour faire fondre un fil métallique, construisant des pièces couche par couche à l'aide d'un système robotique multi-axes. Cette configuration permet de produire des pièces métalliques de grande taille, solides et complexes , mais le comportement thermique, la résolution des couches et le contrôle des mouvements sont très différents de ceux de la fusion sur lit de poudre (comme le SLM ou l'EBM).
WAAM utilise généralement une largeur de cordon comprise entre 2 mm et 10 mm, en fonction de la buse, du matériau et des paramètres. L'épaisseur des parois, les angles de surplomb et les temps de refroidissement doivent être soigneusement pris en compte afin d'éviter toute déformation, affaissement ou fusion incomplète. Mais lorsqu'il est correctement conçu, le WAAM permet d'imprimer des pièces proches de leur forme finale, nécessitant un soutien minimal et suffisamment solides pour des applications structurelles ou soumises à la pression.
Cela signifie que la DfAM pour le WAAM concerne moins les structures en treillis délicates que les une géométrie robuste et fonctionnelle qui est thermiquement stable et facile à usiner par la suite.
Principaux éléments à prendre en compte pour la réussite du projet WAAM
Concevoir en tenant compte du WAAM signifie comprendre les réalités du mouvement robotique, du comportement du soudage et du flux de chaleur. Voici les facteurs les plus importants à prendre en compte :
1. Épaisseur de la paroi et empilement des cordons
Le WAAM est particulièrement adapté aux profilés pleins et creux dont l'épaisseur de paroi est supérieure à environ 5 mm. Les éléments très fins sont difficiles à maintenir de manière constante en raison de la largeur du cordon de soudure et de la dissipation thermique. En règle générale :
- Pour obtenir les meilleurs résultats, veillez à ce que l'épaisseur des murs soit comprise entre 5 et 40 mm.
- Éviter les surplombs inutiles ou les arêtes de couteau
2. Orientation et stratégie de construction
L'orientation de la pièce a un impact sur l'imprimabilité, l'accumulation de chaleur et les exigences en matière de support. Concevez votre pièce de manière à ce qu'elle puisse être imprimée dans une position qui minimise les caractéristiques non soutenues. Par exemple :
- Les structures verticales à section constante sont plus faciles à imprimer
- Évitez les surplombs horizontaux abrupts dépassant environ 30 à 45° sans support.
- Décomposer les grandes parties en plusieurs segments si nécessaire
Le logiciel MetalXL de MX3D permet une planification intelligente des trajectoires et une optimisation de la stratégie d'impression, mais la conception de base reste importante.
3. Allocation d'usinage
Les pièces WAAM sont généralement post-traitées afin d'obtenir des tolérances serrées ou un fini de surface précis. Assurez-vous que votre conception inclut des tolérances d'usinage dans les zones qui nécessitent :
- Planéité
- Trous ou alésages
- Surfaces d'étanchéité
- Caractéristiques filetées
En fonction du matériau et de la géométrie de la pièce, prévoyez un excédent de matière de 1 à 3 mm dans les zones d'usinage.
4. Contraintes et déformations thermiques
Comme le procédé WAAM dépose le métal fondu en couches, les pièces de grande taille peuvent accumuler une chaleur importante. Les conceptions doivent tenir compte de la déformation thermique , en particulier dans le cas de surfaces longues et plates ou de parois verticales minces. Pour réduire les contraintes résiduelles :
- Ajouter des nervures ou des raidisseurs aux zones minces
- Éviter les changements brusques de section
- Tenir compte de la symétrie dans les grandes structures
Quels types de géométrie conviennent le mieux au WAAM ?
La force du WAAM réside dans sa capacité à produire des géométries de grande taille et résistantes aux charges qui seraient coûteuses ou impossibles à réaliser par moulage, forgeage ou usinage. Les géométries idéales comprennent :
- Cylindres ou cônes à paroi épaisse (herse, buses, brides, colonnes montantes)
- Profilés en caisson et poutres (par exemple, charpentes maritimes, supports)
- Structures courbes ou de forme libre qui épousent des formes organiques
- Pièces de rechange qui doivent reproduire la géométrie existante sans outillage
Qu'est-ce qui n'est pas idéal ? Les détails très fins, les canaux internes ou les sections extrêmement fines conviennent mieux à la fusion sur lit de poudre.
Si la pièce doit être soudée ou assemblée ultérieurement, envisagez d' intégrer des joints, des congés ou des chanfreins directement dans la conception afin de réduire les étapes de fabrication supplémentaires.
Exemples de conceptions de pièces optimisées par WAAM
Chez MX3D, nous avons aidé nos clients à concevoir et à imprimer une grande variété de pièces optimisées pour le WAAM, notamment :
- Rotor avec des pales épaisses et une symétrie de rotation optimisée
- Brides sous-marines avec faces d'étanchéité usinées intégrées
- Supports maritimes avec découpes légères et grandes zones de montage plates
- Les supports offshore sont conçus avec des passages de câbles et une épaisseur de paroi uniforme.
Chacune de ces pièces a bénéficié d'un processus de conception qui a pris en compte dès le départ la portée du robot, le comportement du bain de soudure et les opérations de finition.
Les erreurs de conception à éviter dans le WAAM
Bien que le WAAM soit puissant, ignorer ses principes fondamentaux peut conduire à des impressions ratées ou à des retouches inutiles. Les pièges les plus courants en matière de conception sont les suivants
- Éléments en surplomb qui ne peuvent pas être soutenues pendant le dépôt
- Coins internes pointus qui provoquent une accumulation de chaleur et des fissures
- Géométries complexes avec des zones de post-traitement inaccessibles
- Absence de zones d'usinage , ce qui rend difficile l'obtention des tolérances souhaitées
Ces problèmes peuvent souvent être détectés à un stade précoce grâce à la révision de la conception ou à la simulation, services que MX3D fournit régulièrement pour aider ses clients à passer du concept à des pièces prêtes à imprimer.
Conclusion : La conception est la clé du succès des WAAM
La fabrication additive par arc électrique offre un potentiel incroyable pour la fabrication à grande échelle de pièces métalliques de qualité industrielle, et MX3D propose un service d'impression à la demande 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 associé à des capacités de machines de grande taille. Mais comme tout processus de fabrication, le WAAM fonctionne mieux lorsque la conception tire parti de ses atouts et évite ses limites.
En se concentrant sur des géométries robustes, des orientations faciles à imprimer et des surfaces prêtes à l'usinage, les ingénieurs peuvent exploiter la véritable valeur du WAAM : réduction des délais, diminution des déchets et plus grande liberté dans la manière de produire des composants de grande taille.
Que vous adaptiez une pièce existante pour le WAAM ou que vous conceviez quelque chose de nouveau à partir de zéro, MX3D est là pour vous aider. Depuis les vérifications de faisabilité jusqu'à l'assistance DfAM complète et l'impression, notre équipe peut vous guider à chaque étape du processus.
