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Maschinenfabrik Berthold Hermle AG

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La fabrication additive à vitesse supersonique

03.03.2021
Le MPA 42 allie application de matériau additive et enlèvement de copeaux haute précision.

Le nouveau centre d'usinage MPA 42 est performant et précis, mais pas à vendre. Lorsqu'il s'agit de fabrication additive, Hermle se met dans le rôle de prestataire de services. Un prestataire qui sait ce que veulent les constructeurs de moules – soit des temps de cycle courts et des composants de qualité – et comment l'obtenir.

Ce que le nouveau MPA 42 de Hermle est capable de faire semble paradoxal : au lieu de voir leur masse réduite, les pièces brutes quittent l'espace de travail de la machine d'usinage en ayant considérablement augmenté leur masse. La secret de fonctionnement se cache dans l'abréviation "MPA" : elle désigne le procédé d'application de poudre métallique que Hermle a développé et lancé il y a près de sept ans. Grâce à la nouvelle génération de machines, le processus de fabrication additif gagne considérablement en précision et en rapidité.

Le nouveau MPA 42 est installé chez Hermle Maschinenbau GmbH (HMG) à Ottobrunn. Cette filiale à cent pour cent de la société Maschinenfabrik Berthold Hermle AG opère à partir de ce poste avancé bavarois depuis 2009 et est devenue un prestataire de services en fabrication additive au fil des années. Son gérant, Rudolf Derntl, ouvre les portes de l'enceinte insonorisée du MPA 42 derrière lesquelles se cache un centre d'usinage à 5 axes du type C 42 U fortement modifié. À côté de la broche, une tuyère s'avance dans l'espace de travail alors que l'unité de pulvérisation de réfrigérant lubrifiant est absente. "La tuyère de Laval accélère la poudre et la projette de manière ciblée sur la pièce brute métallique serrée", explique Derntl.

La vapeur d'eau surchauffée et l'azote jouent un rôle aussi important que la géométrie de la tuyère pour que la poudre puisse atteindre une vitesse supersonique et être liée par la déformation lors de l'impact. Un générateur de vapeur et cinq convoyeurs de poudre sont logés à l'arrière de l'installation. Tous les matériaux d'application et toutes les pièces brutes ont en commun leur ductilité : "Un très grand nombre de métaux sont possibles étant donné que l'application est basée sur la déformation plastique. Par conséquent, la surface des demi-produits doit également être ductile", ajoute le gérant. En règle générale, on emploie les aciers pour travail à chaud et à froid à haute teneur en carbone couramment utilisés dans la construction d'outils mais également le cuivre et l'Ampcoloy.

Mélange de matériaux pour les moules de moulage par injection

Après le fraisage des poches, le C 42 U applique de la poudre de cuivre par MPA. Ensuite, le matériau excédentaire est à nouveau enlevé.

Le cuivre dissipe la chaleur nettement plus rapidement que les aciers à outils usinés. Pour la conception des moules de moulage par injection, une combinaison de matériaux à partir d'acier et de cuivre offre par conséquent un avantage décisif : "Grâce à la fabrication additive, nous intégrons du cuivre aux endroits de l'outil où il n'y a pas de place pour des canaux de refroidissement. Lors du moulage par injection, le noyau en cuivre dissipe ensuite la chaleur vers le canal de refroidissement le plus proche bien plus rapidement que l'acier. Ainsi, l'exploitant gagne de précieuses secondes sur le temps de refroidissement et la qualité de surface des pièces en plastique est améliorée", explique Derntl.

Les cinq axes du centre d'usinage permettent pratiquement n'importe quelle orientation du jet de poudre par rapport au composant, assurant ainsi une liberté de conception maximale. Les canaux de refroidissement peuvent donc être réalisés directement sur les surfaces courbes d'une pièce brute. De cette façon, même les grands moules de moulage par injection bénéficient d'un refroidissement au plus près des contours sans avoir à réaliser l'ensemble du composant par addition. Les seules limites sont imposées par l'espace de travail du C 42 U. "Selon la géométrie, la taille limite pour le processus additif s'élève respectivement à 600 millimètres pour la longueur et la largeur. En règle générale, les composants sont toutefois plus petits", précise Derntl. Cette machine est aussi particulièrement adaptée à la fabrication de composants cylindriques ou coniques tels que les douilles d'antichambre refroidies. Grâce à l'application de matériau sur le composant en rotation, les poches et les canaux sont remplis efficacement et noyés dans l'acier à outils.

Outre la réalisation de refroidissements efficaces, le procédé MPA offre également d'autres possibilités d'application intéressantes. De nombreux matériaux sont tellement compactés par l'application que les surfaces des composants peuvent aisément être polies miroir. Ainsi, la société HMG satisfait même aux exigences les plus poussées en matière de moules de moulage par injection.

Le procédé MPA permet également de noyer dans l'acier ou le cuivre des éléments fonctionnels tels que les fils de chauffe ou les détecteurs pour la surveillance de température de la cavité et ainsi de les intégrer à l'outil, ce qui est idéal pour une thermorégulation variothermique. Mais les possibilités de la technologie MPA s'avèrent aussi payantes au-delà du moulage par injection. "Dans le cas d'une buse à colle équipée d'éléments chauffants intégrés, les colles conservent par exemple leur température de mise en œuvre idéale sur toute la largeur de la buse. Le détecteur dans l'outil permet une véritable régulation", précise Rudolf Derntl.

Parmi les points forts de la société HMG, on trouve sa connaissance des combinaisons de matériaux judicieuses, de la meilleure conception des canaux de refroidissement et des éléments fonctionnels ainsi que la possibilité de réaliser des outils de moulage monobloc. "Nous ne vendons pas de machines mais du savoir-faire", explique le gérant. L'équipe d'Ottobrunn conseille les concepteurs d'outils de moulage par injection, utilise des modèles en 3D et optimise les pièces moulées par injection qui seront par la suite fabriquées avec cet outil par le biais d'un canal de refroidissement, d'un élément fonctionnel ou d'une combinaison de multiples matériaux. "Il s'agit de temps de cycle réduits et de qualités supérieures des composants qui ne s'obtiennent que très difficilement avec d'autres technologies", souligne Derntl. 

Les convoyeurs de poudre sont installés à l'arrière de l'installation – ils peuvent être rechargés confortablement depuis l'extérieur.

Un logiciel pour les fabrications additive et soustractive

À l'aide de leur propre logiciel de FAO, les techniciens d'application génèrent le code pour la commande. Cela ne comprend pas seulement les trajectoires mais également les quantités de poudre, certaines températures et le basculement entre addition de matériau et fraisage. "Étant donné qu'aucun fabricant de CAO/FAO n'était en mesure de représenter ce processus particulier alternant fraisage et addition, nous avons nous-mêmes écrit le logiciel. De cette façon, nous pouvons satisfaire aux besoins spécifiques des clients à tout moment", ajoute le gérant. Les spécialistes travaillent pour ainsi dire côte à côte.

Une fois la préparation terminée, le client envoie sa pièce brute à la société HMG. "Dans 95 pour cent des cas, nous partons d'un demi-produit que le client peut préparer lui-même sur sa fraiseuse", explique Oliver Müller, conseiller clientèle. Ainsi, le composant qui arrive à Ottobrunn est déjà doté de canaux de refroidissement ou de poches fraisés pour l'application de cuivre. Ensuite, l'équipe de HMG contrôle le respect des cotes de la pièce brute et vérifie si les consignes de conception ont été observées. "Les poches doivent par exemple être exemptes de chanfreins. Pour l'application de la poudre, nous avons besoin d'arêtes vives", explique Müller.

Afin d'optimiser l'utilisation de la machine, les demi-produits sont amenés à la température de process dans une station de chauffe avant le début de la fabrication.

Ça chauffe !

Avant le début du processus, le composant passe dans la station de chauffe où il est amené à environ 300 degrés Celsius. Car même si le matériau n'est pas rechargé par soudure, il n'est pas possible de se passer entièrement de chaleur : autant le substrat que la poudre métallique doivent être chauffés pour une meilleure ductilité. L'énergie pour l'accélération de la poudre provient de la vapeur d'eau. Lors du passage des deux composants dans la tuyère, la poudre atteint la vitesse supersonique nécessaire. Pour que la température reste aussi constante pendant l'usinage, le MPA 42 chauffe le composant jusqu'au dernier enlèvement de copeaux. "Ainsi, nous empêchons les gradients de température impliquant des contraintes, des fissures ou des déformations", précise Rudolf Derntl.

Le processus de fabrication alterne addition de matériau et enlèvement de copeaux. Après l'application de la poudre, des détails tels que de fines nervures sont fraisés dans le nouveau matériau, les canaux de refroidissement sont remplis d'un matériau métallique hydrosoluble et refermés par une couche d'acier par application MPA. "Nous pouvons rincer le matériau de remplissage dans un bain d'eau par la suite en obtenant ainsi les cavités souhaitées", explique Müller. Le jet de poudre permet d'atteindre des taux d'addition de 200 à 400 centimètres cubes par heure ; pour le cuivre, presque 1000 centimètres cubes sont possibles.

"Avec la nouvelle machine, nous sommes à la pointe du progrès et amenons notre technologie MPA à un niveau de performance inédit. Elle est au cœur de notre offre de services", souligne le gérant. Il est important pour lui que tous les processus soient couverts en interne : des conseils, de l'optimisation et du contrôle de faisabilité jusqu'au contrôle qualité final en passant par la vérification des matériaux. "De cette façon, nous sommes agiles tout en protégeant notre savoir-faire tout comme celui de nos clients."

La société Hermle Maschinenbau GmbH, implantée à Ottobrunn près de Munich, est une filiale de la société Maschinenfabrik Berthold Hermle AG. Son cœur de métier : la recherche fondamentale et le développement de nouvelles technologies dans le domaine de la fabrication additive. Depuis plusieurs années, nous proposons en outre d'importantes capacités de fabrication permettant de réaliser des composants volumineux à l'aide du procédé MPA breveté en exclusivité pour les clients de Hermle.

Après le remplissage des canaux de refroidissement avec une poudre métallique hydrosoluble, l'application de poudre métallique suivante est effectuée.

Hermle Maschinenbau GmbH
Daimlerstraße 6
85521 Ottobrunn
sales.hmg@hermle.de
www.hermle.de

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