Post-traitement | Les caractéristiques techniques indispensables d’un système d’enlèvement de poudre automatisé

Avec des exemples clés sur l’impression 3D médicale.

La plupart du temps, lorsque nous discutons avec un utilisateur de la fabrication additive, l’un des défis qui revient sans cesse est l’étape du post-traitement – le retrait de la poudre en particulier. Qu’il s’agisse de l’industrie aérospatiale, des biens de consommation ou de l’industrie médicale, les utilisateurs veulent être en mesure d’effectuer le retrait de la poudre facilement et parfaitement. L’ironie de la chose, c’est que lorsque la fabrication additive n’était pas encore assez mature, les utilisateurs se plaignaient de devoir effectuer cette tâche manuellement – ce qui, au final, prenait trop de temps et coûtait cher – mais avec la maturité actuelle de la technologie, les utilisateurs ont compris la nécessité d’une machine qui peut le faire pour eux, mais continuent de se plaindre. Le défi actuel réside-t-il dans le manque de caractéristiques techniques appropriées dans ces machines ? Disons-le ainsi : quelles sont les caractéristiques techniques qui permettront à une machine d’enlèvement de poudre de bien faire son travail ?

L’enlèvement de la poudre est probablement la première étape la plus critique de la chaîne de post-traitement d’une pièce finie, en particulier pour les métaux. En effet, les pièces de FA en métal subissent souvent un traitement thermique et toute poudre résiduelle est frittée à l’extérieur ou, pire encore, à l’intérieur de la pièce elle-même. Une fois que cela se produit, il est pratiquement impossible de réparer la pièce et elle sera mise au rebut. Pour les pièces médicales et autres pièces à usage critique, la dernière chose que l’on souhaite est une poudre résiduelle frittée sur les pièces.

Comme vous pouvez le deviner, cette étape de la fabrication a soulevé un certain nombre de défis que les OEMs ont fait (et font) de leur mieux pour surmonter. Il est intéressant de noter qu’à mesure que ces défis sont relevés, les solutions trouvées contribuent à positionner la FA comme un processus de fabrication sérieux pour l’industrialisation, et les régulateurs, les responsables de l’assurance qualité et les unités juridiques sont plus désireux de prêter attention aux autres risques qui peuvent survenir. 

Ces défis sont surtout mis en évidence dans les machines de fusion laser sur lit de poudre, qui sont aussi les procédés de FA métal les plus utilisés dans les industries. Rappelons que, même s’ils sont souvent mentionnés à d’autres étapes de la production de FA, les problèmes de sécurité et de santé sont les plus préoccupants lors du processus de « dépoudrage« , où les opérateurs peuvent être en contact direct avec les poudres. Les risques d’explosion, les coûts, la récupération de la poudre, la qualité du nettoyage et la répétabilité du processus complètent cette liste et expliquent l’évolution vers la réglementation et la normalisation. Ceci étant dit, nous devons reconnaître que l’exposition humaine aux poudres métalliques est un risque que la plupart des organisations ne peuvent encore gérer. Les normes actuellement disponibles ne répondent pas toujours à tous les problèmes de sécurité. La plupart du temps, il incombe à l’utilisateur de cette norme d’établir des pratiques appropriées en matière de sécurité, de santé et d’environnement et de déterminer l’applicabilité des limitations réglementaires avant l’utilisation d’une machine de poudrage.

Quelles sont donc les caractéristiques techniques qui permettront à une machine de dépoudrage de bien faire son travail ?

La première chose qu’il faut comprendre ici est que l’enlèvement de poudre peut être une tâche très méticuleuse, et lorsqu’il est effectué manuellement, il peut impliquer de multiples étapes pour vérifier et inspecter continuellement la pièce.

L’automatisation du processus peut offrir de nombreux avantages à cet égard. En fait, un processus automatisé est un très bon support vers la possibilité de valider un processus d’enlèvement de poudre. Il assure la cohérence et un meilleur contrôle.

 Il s’agit d’un besoin particulier pour les industries réglementées telles que le secteur des dispositifs médicaux. En ayant une étape de la chaîne d’approvisionnement permettant une reproductibilité opérationnelle, vous obtiendrez une bonne base pour évaluer avec précision la performance de votre dépose de poudre.

En fin de compte, une fois qu’un processus a été défini pour une pièce particulière, il peut être répété de manière fiable à l’infini avec un haut niveau de confiance dans le fait que le résultat sera le même.

En ce qui concerne les caractéristiques, il est intéressant d’évaluer la capacité de la machine d’enlèvement de poudre non seulement à éliminer les résidus de manière efficace, mais aussi à appliquer différentes stratégies si nécessaire. Une paramétrisation claire du processus devrait permettre d’obtenir des résultats optimaux sur le long terme.

Nous n’insisterons jamais assez sur ce point : les systèmes d’enlèvement de poudre doivent être en mesure de respecter les directives strictes en matière de santé et de sécurité associées à la manipulation de poudres fines. À cet égard, ils doivent être équipés d’une chambre de travail fermée. L’utilisation de gaz inertes pour le contrôle de l’atmosphère est également une caractéristique importante.

En ce qui concerne l’opération proprement dite, une technique très simple qui a été utilisée avec beaucoup d’efficacité lors de l’enlèvement manuel de la poudre consiste simplement à peser la pièce. La possibilité de contrôler le poids de la pièce en comparant le poids calculé avec celui de l’équipement serait donc une fonction clé.

Cependant, tout équipement automatisé doit avoir une configuration flexible car il devra travailler avec de nombreuses géométries de pièces différentes. La possibilité d’ajouter des outils à la robotique en bout de bras et la capacité de programmer le mouvement de la pièce à l’intérieur de la chambre sont également essentielles.

Avec la possibilité d’une poudre piégée à l’intérieur des pièces, il est très important d’étudier le chemin optimisé dans l’espace de mouvement de l’équipement qui permettra à cette poudre de s’écouler librement et de trouver un point de sortie. Pour cela, les systèmes capables d’interagir avec les modèles de CAO en 3D et d’interpréter la trajectoire optimale constituent d’excellentes solutions. Parfois, un effort supplémentaire est nécessaire et l’utilisation d’outils à pointe fine, d’injecteurs de gaz et d’autres outils qui se fixent sur des bras robotisés serait très souhaitable, en particulier lorsqu’il s’agit de pièces médicales dont la surface peut comporter des structures maillées favorisant la croissance osseuse.

Avec seulement une poignée d’entreprises proposant des machines de dépoudrage automatisées, nous nous sommes rendu compte que certaines fonctions sont de plus en plus demandées par les opérateurs.

Les caractéristiques les plus recherchées dans un système de dépoudrage	Description/remarques
Taille de la table	Varie d’un système à l’autre
Vibration de la plaque de construction	Fréquence de vibration réglable et/ou programmable
Accès aux grandes pièces (facultatif)	Chargement facile par grue depuis le haut de la machine/entrée arrière pour l’intégration d’un système de chargement de robot.
Rotation de la plaque de construction	La liberté de rotation permet d’atteindre et de nettoyer la poudre coincée dans les structures de support ou les canaux internes ;
Capacité de gaz inerte	Prévient les risques d’explosion
Programmabilité et automatisation	Permet d’obtenir des résultats de nettoyage prévisibles et reproductibles.
Système de ventilation par air comprimé ou gaz.	Cela permet d’éviter l’éjection de particules dans l’atmosphère. Empêche les fenêtres de s’empoussiérer
Accès au gant / pistolet à souffler
Unité d’ionisation	Réduit l’électricité statique
Cyclone	Nettoyage des médias par soufflage
Bac à poussière étanche	Collecte la poussière du filtre

Il va sans dire que chaque application est unique et peut donc avoir ses propres exigences ; c’est pourquoi nous vous recommandons d’examiner les tenants et aboutissants de votre projet : l’environnement, l’équipement approprié et même l’objectif final après l’élimination des poudres.

Qu’en est-il des économies ?

La question des coûts revêt de plus en plus une importance capitale dans un contexte de durabilité. Cela soulève plusieurs autres considérations concernant la production, l’achat et la viabilité de la poudre que nous avons abordées dans un précédent dossier.

À l’heure actuelle, il est difficile d’attribuer une valeur réelle au facteur « coûts » car tout dépend si l’on considère la réduction du temps nécessaire pour traiter un nombre donné de pièces, de manière cohérente et fiable, par rapport à une opération manuelle équivalente, ou si l’on veut également prendre en compte la réduction de la probabilité d’avoir des pièces rejetées en aval de la chaîne de traitement. Une seule pièce rejetée en raison de poudres piégées non visibles peut entraîner des coûts associés qui se chiffrent en dizaines de milliers de livres/euros/dollars. En outre, un système automatisé introduirait des coûts dans toutes les opérations en raison de l’investissement en capital, des coûts d’exploitation et des frais généraux, y compris la maintenance, et ceux-ci doivent être pris en compte dans toute analyse de réduction des coûts.

Si l’on considère les pièces médicales imprimées en 3D, par exemple, on peut rapidement observer qu’un dépoudrage performant évitera les problèmes tout au long des étapes suivantes de la chaîne d’approvisionnement, comme le traitement thermique, le post-usinage ou le traitement de surface. Cela diminuera également les risques liés à la contamination de la poudre sur les dispositifs finaux. En outre, il n’est pas facile de quantifier les économies réalisées en cas d’infection d’un patient due à des résidus de poudre sur des implants. Il est cependant clair que nous devons faire tout ce qui est en notre pouvoir pour réduire ce risque.

Conclusions

Les solutions d’élimination des poudres restent relativement nouvelles, d’où le petit nombre d’équipementiers qui proposent actuellement des solutions à cet égard. (Vous pouvez consulter le Catalogue international des solutions de FA 2022 pour découvrir certaines des dernières solutions disponibles sur le marché pour cette tâche). Quoi qu’il en soit, nous sommes tous d’accord sur le fait qu’il n’existe pas encore de lignes directrices définies pour l’utilisation de l’enlèvement de poudre. La raison en est que les expériences holistiques sont souvent la façon dont l’industrie apprend le plus sur cette étape de la fabrication. Cela signifie que chaque projet doit être évalué séparément pour obtenir un résultat optimal.

La considération la plus importante doit être de savoir s’il est judicieux ou non d’employer ces solutions, car l’utilisation de l’automatisation pour certaines pièces peut s’avérer excessive et n’apporter aucun avantage réel à l’entreprise.

En ce qui concerne les spécifications, le monde de la FA est un secteur en pleine évolution et il existe une liste toujours plus longue de projets de spécifications et de spécifications approuvées pour tout régir, de la sélection des poudres en passant par la qualification des équipements jusqu’à la certification des pièces finales. Dans l’industrie médicale en particulier, la norme ASTM F 3335-20 donne de bonnes indications pour l’élimination des résidus. Enfin, tous les aspects de la biocompatibilité doivent être évalués conformément aux normes ISO 10993.Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de Mai/Juin de 3D ADEPT Mag.

Auteurs

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La rédaction de cet article exclusif a été dirigée par Kety Sindze, éditrice en chef chez 3D ADEPT Media.  Deux autres experts aux parcours différents ont participé à la préparation et à la rédaction de cet article.
Nicolas Bouduban, CEO et fondateur de Swiss m4m Center AG, un centre de fabrication additive pour les applications médicales qui promeut le développement et l'utilisation de l'impression 3D en se concentrant sur tout le savoir-faire du processus dans un environnement validé.
Email: nicolas.bouduban@swissm4m.ch / Tel: +41 79 601 32 38
Martin McMahon, consultant en fabrication additive qui apporte plus d'une décennie d'expérience dans presque tous les aspects du secteur de la fabrication additive métal, de la chaîne d'approvisionnement à la fabrication de pièces en pleine production.
Tel: +44 7923 475565 / Email: Martin.McMahon@MAMSolutions.uk