Réseau stratégique du CRSNG pour l’innovation globale dans les procédés de fabrication additive

Défi

La fabrication additive, aussi appelée impression tridimensionnelle (3D), est un ensemble de technologies servant à fabriquer, couche par couche, des structures complexes. Elle offre des avantages tels qu’une liberté de conception quasi infinie, une commercialisation rapide, une réparation rapide des pièces et une fabrication propre.

La fabrication additive est un élément important dans le virage numérique que prend la fabrication de pointe, ou l’« industrie 4.0 ». Les plus grandes retombées de cette transition proviendront de la fabrication additive de pièces de métal. Malgré les progrès importants que connait cette technique depuis 10 ans, il reste des problèmes et des lacunes techniques à régler pour qu’on puisse l’exploiter pleinement :

• l’absence d’intelligence des systèmes actuels, qui comportent des interfaces personne-machine très primitives nécessitant beaucoup d’interventions de la part des utilisateurs;
• manque de bases de données et de schémas de procédés pour les matériaux liés aux concepts et aux paramètres des procédés qui permettent d’obtenir la tolérance dimensionnelle voulue, de supprimer les pores et les contraintes résiduelles et d’améliorer les propriétés mécaniques ou fonctionnelles aux fins d’utilisation;
• cout élevé des pièces issues de la fabrication additive par rapport à celles qui sont issues des techniques de fabrication traditionnelles;
• problèmes de productivité, par exemple la lenteur de la construction, la quantité limitée de matière première (poudre), les contraintes que posent les propriétés de la poudre (p. ex. sphéricité, écoulement, teneur en oxygène, distribution granulométrique) et la petite quantité fabriquée.

Le programme de recherche du Réseau vise à étudier ces problèmes et à faire en sorte que la fabrication additive soit prête pour l’industrie 4.0 et qu’elle intègre l’industrie de la fabrication.

Structure du Réseau

C’est la University of Waterloo qui héberge le Réseau stratégique du CRSNG pour l’innovation globale dans les procédés de fabrication additive. Le Réseau réunit au début 19 grands experts de 7 universités canadiennes, 14 partenaires du secteur privé, 4 organismes gouvernementaux et 5 organisations étrangères. Les chercheurs et leur équipe échangeront des idées et des innovations et auront accès à l’infrastructure et aux appareils de recherche de pointe nécessaires pour réaliser des expériences globales en fabrication additive.

La participation des entreprises partenaires témoigne des retombées importantes que la fabrication additive est susceptible d’avoir et de la nécessité d’adopter une approche de collaboration. Les partenaires sont notamment des entreprises du domaine des ressources naturelles et de l’énergie, des spécialistes de la réparation d’outils et de pièces, des développeurs de logiciels, ainsi que de grands fabricants dans le domaine de l’aérospatiale, de l’automobile, de l’énergie et des appareils biomédicaux. Grâce à ces partenariats de recherche, les résultats qu’obtiendra le Réseau pourront directement être appliqués à la fabrication additive avancée réalisée au Canada et ailleurs dans le monde. Ainsi, les innovations pourront être transférées rapidement aux entreprises aux fins de la mise en œuvre. Les organisations étrangères participantes sont des centres réputés en Allemagne, aux États-Unis, au Royaume-Uni, à Singapour et à Taïwan.

Objectifs et résultats de la recherche

Le but global du Réseau stratégique du CRSNG pour l’innovation globale dans les procédés de fabrication additive du CRSNG est de proposer des solutions réalistes et transférables pour les principaux problèmes qui empêchent l’industrie de délaisser les techniques de fabrication traditionnelles et d’adopter les procédés de fabrication additive pour les pièces métalliques. L’atteinte de ce but grâce aux travaux de recherche du Réseau aura pour avantages de confirmer le rôle de chef de file du Canada dans le domaine de la fabrication additive; de former du personnel hautement qualifié dans ce domaine; et d’élaborer, optimiser et adopter les nouvelles matières premières, les nouveaux modèles et simulations de procédés, des capteurs de surveillance, les systèmes de commande en boucle fermée et les nouveaux procédés et produits en partenariat avec les entreprises et les organismes gouvernementaux du Canada.

Les chercheurs du Réseau et leurs partenaires examineront les problèmes dans le cadre de 14 projets qui s’inscrivent dans les 4 thèmes suivants.

• Thème 1 : mise au point de matériaux à l’aide de paramètres de procédés optimaux. Créer, mettre à l’essai et uniformiser les métaux et les alliages de métaux qui constituent la matière première afin d’élargir l’éventail des pièces métalliques pouvant être adaptées facilement et économiquement aux procédés de fabrication additive métallique (3 grands projets, 10 sous-projets, formation de 4 étudiants inscrits à un programme coopératif, de 6 étudiants à la maitrise, de 15 doctorants et de 4 stagiaires postdoctoraux).
• Thème 2 : modélisation de procédés avancée et conception combinée de composants et de procédés. Élaborer des modèles numériques robustes, efficaces et innovants qui deviendront les nouveaux outils pour simuler divers aspects des procédés sur lit de poudre faisant appel au laser ou au faisceau d’électrons et des procédés de projection de poudre, ainsi que les interactions fusion-matière première et leurs effets sur les pièces finies (3 grands projets et 10 sous-projets, formation de 2 étudiants inscrits à un programme coopératif, de 4 étudiants à la maitrise, de 6 doctorants et de 2 stagiaires postdoctoraux).
• Thème 3 : stratégies de surveillance et de métrologie en ligne et commande intelligente de procédés. Élaborer des protocoles d’assurance de la qualité en ligne et hors ligne pour établir une relation entre les données de rétroaction obtenues pendant le procédé et la caractérisation des pièces après le procédé. Des algorithmes d’apprentissage machine et des appareils de surveillance et de métrologie complexes permettront de surveiller efficacement et en temps réel les défauts et les problèmes de manière à ajuster les paramètres des procédés à l’aide de dispositifs de commande avancés. Cela permettra de tendre vers des plateformes qui assureront simultanément la fabrication et l’homologation des pièces (4 projets et 10 sous-projets, formation de 4 étudiants inscrits à un programme coopératif, de 4 étudiants à la maitrise et de 8 doctorants).
• Thème 4 : innovation dans les procédés de fabrication additive et les pièces qui en sont issues. Utiliser les connaissances fondamentales obtenues au cours des travaux liés aux thèmes 1 à 3 pour accélérer l’élaboration de paramètres novateurs pour les procédés de fabrication additive et de plans de performance pour les pièces finies qui pourront être homologués afin de garantir la qualité et la reproductibilité de celles-ci (4 projets et 9 sous-projets, formation de 6 étudiants inscrits à un programme coopératif, de 1 étudiant à la maitrise, de 9 doctorants et de 2 stagiaires postdoctoraux).

Renseignements

Farzad Liravi
Responsable du Réseau pour le CRSNG
Courriel : fliravi@uwaterloo.ca

Vladimir Paserin
Responsable du Réseau pour la Fondation canadienne pour l’innovation
Courriel : vpaserin@uwaterloo.ca

Site Web :  http://nserc-hi-am.ca (en anglais)