Les caméras participent à l'optimisation du processus de fabrication additive
Des caméras industrielles d'IDS permettent d'observer et d'optimiser le processus de fabrication additive mettant en oeuvre la technique de fusion laser de métaux sur un lit de poudre (PBF-LB/M).
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La fusion laser de métaux basés sur un lit de poudre (PBF-LB/M) est une technologie de fabrication additive qui permet de produire des pièces métalliques très complexes présentant des propriétés matérielles et fonctionnelles sur mesure. Cette technologie est utilisée dans de nombreux secteurs - de l'aérospatiale à l'industrie automobile en passant par le médical - et est considérée comme pionnière pour la fabrication du futur. Les progrès en matière de surveillance et de contrôle des processus sont essentiels pour améliorer encore la qualité, la reproductibilité et l'efficacité de ce procédé de fabrication.
L'un des principaux défis consiste à analyser avec précision le processus de fusion laser couche par couche, car celui-ci détermine en grande partie la qualité de la pièce. Dans le cadre de leurs recherches visant à améliorer la stabilité et l'efficacité des processus, les étudiants et les scientifiques du LaserApplikationsZentrum (LAZ) de l'université d'Aalen effectuent une observation globale et dynamique du processus PBF-LB/M. Dans le contexte d'une régulation de processus à grande vitesse avec retour de température, des phénomènes tels que la formation de projections et de poussières, le comportement de solidification ainsi que le mouvement sûr des composants mécaniques pendant la fabrication additive sont étudiés. En complément, une analyse statique à haute résolution des géométries des couches de matérieaux refondus ainsi qu'une détection précise des défauts potentiels dans les couches de poudre sont effectuées afin de pouvoir tirer des conclusions fondées sur la qualité des composants qui en résulte. Le systèmes d'imagerie de ce projet de recherche exploite deux caméras industrielles USB3 d'IDS Imaging Development Systems.
Montage expérimental de fabrication additive avec deux caméras IDS U3
Mise en œuvre de deux caméras industrielles
« Pour l'observation globale et dynamique du processus PBF-LB/M, comme par exemple les projections ou la formation de fumée, nous utilisons un modèle de la gamme de caméras USB 3 uEye CP. Pour l'identification statique haute résolution des anomalies au sein des couches de poudre ainsi que dans les géométries des couches de composants refondus, nous utilisons une caméra USB3 uEye de la série SE », rapporte David Kolb, collaborateur scientifique du LAZ.
Exigences relatives aux caméras
« Le fusionnement au laser de métaux à partir d'un lit de poudre étant un processus de fabrication additive à haute dynamique dans lequel le composant est généré couche par couche, les caractéristiques suivantes étaient particulièrement recherchées pour une observation globale et dynamique. La caméra doit offrir une résolution supérieure à 1000 x 1000 pixels et une fréquence d'images supérieure à 100 ips, couvrir un champ d'image d'au moins 100 mm x 100 mm et disposer d'un port de déclenchement pour les enregistrements », explique David Kolb pour justifier le choix du modèle de caméra. Le modèle U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 choisi garantit une excellente qualité d'image, même en cas de faible luminosité ou de prise de vue d'objets se déplaçant rapidement. Le capteur CMOS obturateur global (global shutter) IMX273 de la série Pregius de Sony était le meilleur candidat de par sa haute sensibilité et à sa grande plage dynamique. Avec une résolution de 1,58 mégapixels (1456 x 1088 px), elle atteint une fréquence d'images de 251 images par seconde. Ce qui convient aux évaluations détaillées de vidéos et d'images de processus dynamiques.
Observation globale du processus de fabricatio additive par le procédé PBF-LB/M pour différents réglages de couleur et d'exposition avec la caméra IDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 et le logiciel IDS peak.
La séquence vidéo/l'illustration montre le processus PBF-LB/M couche par couche avec différents paramètres laser, enregistré avec la caméra de la série U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 d'IDS en utilisant le logiciel IDS peak. « Selon le réglage de la caméra industrielle, différentes caractéristiques du processus peuvent être observées et quantifiées, telles que l'évaporation du matériau ou la quantité et la direction des projections pendant le processus de fabrication additive », explique David Kolb.
« Les connaissances ainsi acquises nous fournissent des informations importantes pour mieux comprendre les interactions entre le laser et les matériaux dans le processus de fabrication additive et pour pouvoir adapter individuellement les paramètres de fabrication en fonction du matériau ou, par exemple, de la géométrie des composants. »
Pour la détermination des paramètres de processus, des composants cubiques ont été fabriqués de manière additive et le processus de fabrication global a été analysé avec la caméra USB 3 uEye CP. Cela a permis d'identifier des paramètres laser optimaux pour fabriquer de nouveaux composants magnétiques doux pour que les futurs moteurs électriques gagnent en efficacité à partir de l'alliage fer-silicium difficile à traiter et contenant 6,5 % en poids de silicium (FeSi6,5). La demi-coquille de stator en FeSi6,5 fabriquée sur cette base permet, grâce à son guidage optimisé et tridimensionnel du flux magnétique, une adaptation idéale aux exigences particulières des machines à flux transversal. La haute résistance électrique du matériau et la liberté de conception du procédé PBF-LB/M permettent de réduire les pertes par courants de Foucault, d'augmenter la densité de puissance et d'intégrer des fonctions supplémentaires telles que des structures de refroidissement. La géométrie complexe, la fragilité du matériau fragile et les caractéristiques magnétiques du FeSi6,5 ne permettent pas la mise en œuvre de procédés de fabrication conventionnels et nécessitent donc le recours aux techniques de fabrication additive.
Demi-coquille de stator magnétique douce fabriquée en FeSi6,5 par fabrication additive avec d'une machine à flux transversal sur une plate-forme de construction.
En revanche, pour l'observation statique à haute résolution des couches de poudre ou des géométries de couches de composants, outre un port de déclenchement pour les prises de vue individuelles, le capteur doit pouvoir détecter des caractéristiques géométriques inférieures à 40 µm afin d'identifier les défauts dans les couches, tout en offrant un champ de vision d'au moins 100 mm × 100 mm et un rapport d'image aussi carré que possible (1:1). C'est exactement ce que permet de réaliser la caméra industrielle U3-3990SE Rev.1.2 de 20,36 mégapixels (4512 x 4512 px). Avec l'IMX541, elle dispose d'un capteur CMOS 1,1" de grande taille, extrêmement performant et à haute résolution, issu de la série Pregius S de Sony. La technologie BSI ("Back Side Illuminated") utilisée permet d'une part d’obtenir des pixels plus petits (2,74 µm) et une résolution plus élevée, et d'autre part améliorer l’efficacité quantique et la sensibilité.
« Grâce aux caméras IDS particulièrement faciles à intégrer, les ajustements nécessaires au montage expérimental ont pu être réalisés rapidement et facilement, de sorte que la caméra USB 3 uEye SE puisse être positionnée de manière ciblée selon un angle défini », explique David Kolb. L'observation presque verticale des différentes couches de géométrie des composants en poudre permettra, une fois les ajustements finaux terminés, d'obtenir des informations précieuses sur la qualité des composants ainsi que sur les défauts de fabrication potentiels.
De cette manière, il est possible d'obtenir des informations décisives sur les propriétés des pièces fabriquées par fabrication additive et de les utiliser de manière ciblée pour optimiser les processus de fabrication.
Adaptations du montage expérimental pour le positionnement de la caméra IDS U3-3990SE-M-GL Rev.1.2 pour l'observation statique des couches géométriques des composants en poudre.
Perspectives
La recherche dans le domaine de la fabrication additive par le procédé PBF-LB/M est essentielle pour le développement et le traitement de nouveaux alliages de matériaux ainsi que pour la fabrication de géométries de pièces plus performantes, en partie multimatériaux. Une compréhension approfondie des processus contribue à minimiser les défauts et à réaliser des designs innovants qui ne seraient pas réalisables avec des méthodes de fabrication conventionnelles.
À l'avenir, l'intelligence artificielle sera utilisée pour analyser automatiquement l'observation dynamique et statique du procédé PBF-LB/M. L'objectif est de mieux comprendre l'interaction à haute dynamique entre le laser et le matériau - par exemple le nombre et la trajectoire des projections ainsi que l'apparition d'erreurs de processus - et d'améliorer encore le procédé de fabrication additive en termes d'efficacité des ressources et de durabilité.
Modèle utilisés : U3-3040CP Rev.2.2
Famille de caméras: uEye CP
Modèle utilises : U3-3990SE-M-GL Rev.1.2
Famille de caméras : uEye SE
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