Des méthodes permettant de réduire l’empreinte carbone à l’aide de technologies additives sont envisagées. Des méthodes d’optimisation du processus de production afin de réduire les émissions de carbone sont présentées. La description du mode d'impression est donnée En mode vase, l'application de la technologie d'impression 5D nationale de Stereotech est envisagée et l'expérience étrangère de Colossus (Belgique) dans le cadre d'une économie en boucle fermée est présentée.

introduction

La fabrication additive regroupe un ensemble de techniques de production d'objets tridimensionnels à partir d'un modèle numérique, généralement par ajout de matière couche par couche. Le plastique est le matériau principal utilisé, mais on emploie également des métaux, de la céramique, du verre et d'autres matériaux. L'impression 3D trouve de nombreuses applications dans divers secteurs, tels que la médecine, l'automobile, l'aéronautique, le design et l'architecture. Elle permet la création rapide et précise de prototypes, de pièces détachées et même d'organes destinés à la transplantation. [1]. Malgré tous ses avantages, le processus d’impression 3D nécessite l’utilisation d’électricité, ce qui peut entraîner la libération de dioxyde de carbone et d’autres substances nocives. Aussi
l'utilisation de matériaux spéciaux tels que les plastiques, les résines photopolymères, les matériaux composites peut entraîner une pollution de l'environnement [2]. Ainsi, les principaux domaines d’intérêt pour réduire les émissions de carbone dans l’impression 3D sont la consommation d’énergie (temps d’impression) et les consommables. Examinons les moyens de réduire l’empreinte carbone de la fabrication additive en optimisant ses processus.

Optimisation du modèle 3D

L'optimisation d'un modèle 3D permet de gagner du temps et d'économiser des matériaux en réduisant les pièces inutiles et en améliorant sa structure. Par exemple, supprimer les pièces superflues ou réduire le nombre de polygones peut diminuer le temps d'impression et la consommation de matériau. Un mode d'impression 3D spécifique, le mode Vase, a été développé à cet effet. Ce mode permet de créer des objets lisses et uniformes, évoquant un vase. Dans ce mode, une seule couche est imprimée sur toute la hauteur du modèle, sans remplissage intérieur ni création de couches supplémentaires. Cela réduit le temps d'impression et la consommation de matériau, puisqu'il n'est pas nécessaire de créer plusieurs couches ni de remplir les cavités internes. L'impression en mode Vase requiert certains paramètres, tels que l'épaisseur des parois et la vitesse d'impression. Il est également important de bien préparer le modèle avant l'impression afin qu'il soit adapté à ce mode.

  • Vérifiez le modèle pour les cavités fermées et les intersections ;
  • Vérifiez le modèle 3D pour l'absence d'éléments en surplomb, dont l'angle par rapport à la verticale est
    pas plus de 35 gr. Dans ce cas, des angles allant jusqu'à 45 degrés sont autorisés dans une petite zone, ne dépassant pas 20 cm de long horizontalement, lors de l'utilisation d'une grande largeur de la ligne d'impression 3D réelle ;
  • Vérifiez le modèle pour détecter les erreurs dans le programme de découpe. En particulier, si la largeur est mal choisie
    Les lignes et les hauteurs de couche peuvent entraîner des trous dans le produit fini, ce qui constitue non seulement un défaut, mais peut également conduire à une erreur lors de la pose des couches supérieures.

Le résultat de l’utilisation du mode Vase peut être observé dans l’exemple de la réalisation d’un grand objet d’art.
entreprise Studia3D.com (Moscou, https://studia3d.com) au marché Cheryomushkinsky (Moscou) – des femmes incarnant divers dons de la nature. La figure 1 montre l'un des éléments fabriqués du modèle global, imprimé sur une imprimante 3D Colossus avec la technologie FGF. Cet élément mesure 1,5 mètre de haut (la structure totale mesure 5 mètres de haut). L'impression 3D de cet élément en mode Vase a duré 30 heures, soit 12 fois moins de temps qu'une impression 3D classique.

Riz. 1. Impression 3D d'un grand objet d'art en mode Vase
mode

Optimisation du programme de contrôle et du plan d'impression (en utilisant FDM2 comme exemple)
technologies)

Toute impression 3D commence par un modèle 3D, qui est développé par un spécialiste pour des exigences d'impression 3D spécifiques, en tenant compte de la technologie de production et du matériau sélectionnés. Cependant, une imprimante XNUMXD n'a pas besoin d'un modèle, mais d'un code spécial (G-code), qui est développé par un ingénieur de processus à partir du modèle original. Ce code comprend des informations complètes sur le mouvement de la tête d'impression, la vitesse, la hauteur de couche et d'autres paramètres. De plus, l'ingénieur de procédé détermine l'orientation optimale du modèle sur la plate-forme d'impression, l'indicateur clé étant l'utilisation minimale de matériau de support et l'utilisation maximale du volume de travail de l'appareil.

L'optimisation du programme de contrôle permet :

a) réduire la consommation de matériaux en réduisant l'utilisation de matériaux de support b) réduire le temps d'impression en remplissant efficacement le volume de construction. Ce dernier est dû au fait qu'en moyenne, il faut environ une demi-heure pour préparer la machine au travail (chauffage de la table de travail, calibrage, etc.) et le même temps pour refroidir et traiter la table après l'impression. Un plan d’impression conçu de manière optimale libère à la fois du temps et des ressources matérielles, ce qui affecte directement l’empreinte carbone générée par l’entreprise.

Un exemple d’optimisation efficace du plan d’impression est la solution de l’entreprise Studia3D.com. Pendant la pandémie, l'entreprise a reçu une importante commande pour la fabrication d'écrans de protection pour un établissement médical de Moscou. L'écran de protection se compose d'un obturateur et d'un support, ce dernier a été réalisé grâce à l'impression 3D utilisant la technologie FDM à partir de plastique PET-G3. Au début, chaque support était imprimé séparément, ce qui augmentait considérablement
temps d'impression et les coûts énergétiques globaux, il a donc été décidé d'optimiser le modèle et le contrôle
programme permettant d'imprimer plusieurs supports les uns sur les autres à la fois. Cette optimisation nous a permis de réduire de 6 fois le temps global d'impression par lots (Fig. 2)

Riz. 2. Exemple d'optimisation du programme de contrôle et
plan d'impression

Conception générative (en utilisant l'impression SLM comme exemple).

Conception générative [3] — est une approche de conception qui utilise des algorithmes et des ordinateurs
programmes permettant de générer des formes, des textures et d'autres éléments de conception. Dans cette approche, une personne définit les paramètres (d'un projet, d'un modèle), et un programme basé sur des réseaux neuronaux reçoit, analyse, compare ces données, classe et améliore les résultats. Ensuite, la personne sélectionne la meilleure option parmi celles proposées par le système. Les algorithmes aident les architectes et les designers dans leur travail. Le travail d’un réseau neuronal génératif est de générer quelque chose de nouveau, général (moyen), que la plupart des clients du service apprécient. Pour qu’un tel algorithme fonctionne, le réseau doit d’abord être formé à l’aide de diverses solutions de conception. En d’autres termes, la conception générative vous permet d’automatiser le travail de routine d’un concepteur, d’un architecte, d’un planificateur ou d’un constructeur. La conception générative peut être particulièrement utile dans l’impression 3D, où elle est utilisée pour créer des formes complexes et uniques qui sont difficiles ou impossibles à créer à la main. Les principaux paramètres sélectionnés dans la conception générative lors de l'utilisation de l'impression 3D sont le maintien des caractéristiques de résistance du produit tout en minimisant le poids du produit. Cela est dû au fait que la principale demande d’impression 3D métal provient des industries de l’aérospatiale, des fusées, de l’aéronautique et de la construction navale. Dans ces industries, il est nécessaire d’obtenir non seulement une pièce fonctionnelle et durable, mais aussi une pièce avec le poids le plus bas possible. [4]. La conception générative permet de supprimer le volume non fonctionnel d'une pièce tout en conservant les caractéristiques de résistance du produit, ce qui conduit à une réduction du temps d'impression, de la consommation de matériaux et du coût final du produit (Fig. 3). Il est à noter que l'utilisation de la conception générative permet non seulement d'optimiser le processus d'impression 3D, mais également de satisfaire les besoins du marché de nature fonctionnelle, ce qui n'est pas si courant en matière d'augmentation du respect de l'environnement des produits commerciaux.
les entreprises.

Riz. 3. Exemple d'optimisation de la topologie des pièces

Nouvelles technologies de fabrication – Impression 5D

Bien que l’impression 3D soit une nouvelle technologie de fabrication, elle présente son propre lot de défis
technologies avancées, telles que l'impression 5D, développées par Stereotech (Volgograd, https://5dtech.pro/). L'impression 5D fait référence à l'impression à cinq axes, dont la technologie a été brevetée pour la première fois en Russie, et Stereotech a également reçu un certificat de conformité CE pour toute la gamme de produits fabriqués. Avec l'impression 3D à cinq axes, la tête d'impression peut se déplacer de haut en bas, de gauche à droite, d'avant en arrière et tourner autour de deux axes supplémentaires, permettant aux filaments du matériau de se chevaucher, augmentant ainsi la résistance à la traction du produit. Il permet également de créer des objets aux formes et contours plus complexes. Ainsi, lors du salon Metalloobrabotka-2023, l'entreprise a partagé ses réalisations en termes d'économie de consommables et de temps d'impression en prenant l'exemple d'un des modèles fabriqués
produits. La technologie d'impression 5D a permis d'économiser 59 % des consommables et de réduire le temps de production
deux fois (Fig. 4).

Riz. 4. Exemple d'économie de ressources lors de l'utilisation
impression 5D

L'impression 3D dans une économie circulaire

La société Colossus (Belgique, https://www.colossusprinters.com/) a sorti la plus grande imprimante portable
Une imprimante 3D avec une extrudeuse à vis qui permet d'imprimer à partir de matériaux granulaires recyclés, ce qui simplifie grandement le processus de recyclage. De plus, Colossus est membre du consortium européen The one project (https://www.theoneproject.eu), qui s'engage dans la modernisation de la production
sites utilisant des technologies de recyclage des déchets pour diverses industries.

L'entreprise a déjà annoncé un projet de fabrication additive sans déchets dans le cadre d'une économie en boucle fermée. À ce jour, l'entreprise a mis en œuvre : a) le premier fil APET, 100 % recyclé dans le cadre d'une économie en boucle fermée ; b) le premier tri 100% en boucle fermée en temps réel pour le rPET [5];
c) La première imprimante 3D portable à grande échelle FGF Colossus, conçue pour les matériaux recyclés. L'entreprise prévoit de développer une conception modulaire hébergée dans des conteneurs portables pouvant être installés n'importe où. Il permet de traiter sur site tous types de plastiques nervurés ou en film avec une capacité allant jusqu'à 500 kg/h.

Conclusion

Solutions envisagées dans le domaine de la réduction de l'empreinte carbone grâce aux technologies additives
indiquent une réserve importante dans l’industrie. Les principales orientations pour améliorer le respect de l'environnement de l'impression 3D
la consommation directe d’énergie et la réduction de l’utilisation de consommables sont toutes deux en jeu. Ces mesures peuvent être mises en œuvre en optimisant le modèle 3D, le plan d’impression et en utilisant la conception générative. Il convient de noter que les technologies avancées telles que l’impression 5D ouvrent de nouvelles opportunités dans le domaine de la réduction des émissions de carbone dans la fabrication additive.

Références

  1. Zakharov N. A. Technologies additives dans l'industrie // Automatisation dans l'industrie. 2022. N° 4.
  2. Pilz T., Nunes B., Maceno M., Cleto M. et Seleme R. Analyse systématique d'études comparatives entre la fabrication additive et conventionnelle axées sur la performance environnementale des opérations logistiques. Gestion & Production, 2020. 27(3), e5289. DOI : 10.1590/0104-530X5289-20
  3. Pakhtaeva A. Ya. Méthodes de conception générative // ​​NOEMA. 2021. N° 2 (7).
  4. Karpova T. Cas efficaces pour l'industrie aéronautique // Technologies additives. 2023. N° 3.

Anna Nikolaevna Degtyareva – étudiante de troisième cycle à NUST MISIS, Studia3D — Directeur général adjoint du développement, Maxim Eduardovich Sapelkin — doctorant à l'Université nationale des sciences et technologies MISIS, chef de projet à la SA RASU, Oleg Valentinovich Golubev — docteur en ingénierie, professeur associé à l'Université nationale des sciences et technologies MISIS. Courriel : anvishnevskay@mail.ru

  1. La FGF (Fused Granulate Fabrication) est une méthode d'impression 3D basée sur l'extrusion dans laquelle des granulés de plastique (pellets de plastique) sont fondus et forcés à travers une buse.
  2. La FDM (Fused Deposition Modeling) est une méthode d'impression par dépôt couche par couche.
  3. PET-G — polyéthylène téréphtalate glycol (PETG).
  4. SLM (Fusion sélective par laser)
  5. Le rPET (polyéthylène téréphtalate recyclé) est un plastique recyclé fabriqué à partir de PET (polyéthylène téréphtalate).