Vipra AM, fondée sur le procédé WAAM, démontre la puissance d’une approche de développement axée sur les applications
Giovanni Avallone, CIO de Caracol, présente Vipra AM, une plateforme de FA métallique grand format offrant une impression à haut débit et des fonctionnalités avancées de maîtrise des procédés
Pour plus de dix ans, l’entreprise italienne Caracol a développé et perfectionné sa technologie de FA robotisée grand format, d’abord axée sur les thermoplastiques et les matériaux composites avec sa plateforme Heron AM, puis plus récemment sur la technologie WAAM métallique. L’entrée officielle de Caracol dans le domaine de la fabrication additive par arc-fil remonte à 2024, avec le lancement de sa plateforme robotisée d’impression 3D métallique Vipra AM.
Vipra AM est une solution clé en main hautement automatisée, conçue pour la fabrication métallique grand format. Développée selon l’approche de Caracol axée sur les applications, cette machine de dépôt direct d’énergie (DED) vise à résoudre les défis auxquels sont confrontés les fabricants des secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de l’énergie, du maritime et de l’architecture. Comme nous le verrons plus en détail, Vipra AM s’impose sur le marché en pleine croissance de la FA métallique grand format (LFAM), alors que les industriels prennent conscience des avantages de la FA en matière de coûts, de délais et d’efficacité, qu’il s’agisse de produire des pièces proches de leur forme finale ou des outillages de grande dimension.
Vipra AM, une solution à part
Vipra AM de Caracol est un système robotisé d’impression 3D fondé sur le procédé WAAM, qui fabrique des structures tridimensionnelles en faisant fondre puis en déposant un fil de soudage à l’aide d’un arc électrique. Dans le secteur de la FA, la technologie WAAM est reconnue pour sa polyvalence en matière de matériaux, sa capacité à produire des pièces de grande dimension et ses taux de dépôt élevés. Si cette approche n’est pas propre à Vipra AM, Caracol y a intégré une combinaison distinctive de fonctionnalités logicielles et matérielles qui démarquent son système de FA métallique grand format.
Parmi ces caractéristiques figure une tête de dépôt conçue pour offrir une « productivité extrême ». Plus précisément, Vipra AM intègre une tête d’impression fondée sur la technologie Cold Metal Transfer (CMT), qui utilise une source de soudage à faible apport thermique pour faire fondre le fil métallique (notamment en aluminium ou en alliages de nickel). Cette approche permet d’obtenir des taux de dépôt élevés tout en limitant les effets thermiques et les déformations du métal, ce qui la rend particulièrement adaptée aux applications de grande dimension exigeant des délais de production très courts.
Une autre caractéristique importante de la technologie WAAM de Caracol réside dans son architecture à neuf axes. À titre de comparaison, la plupart des solutions WAAM concurrentes reposent sur huit axes interpolés. L’ajout d’un neuvième axe, sous la forme d’un rail de positionnement, facilite la manipulation des pièces volumineuses et lourdes. Sans ce dispositif, les opérateurs devraient recourir à des équipements de levage auxiliaires, tels que des chariots élévateurs, pour déplacer les pièces produites. En pratique, ce rail élimine le besoin d’équipements supplémentaires à l’intérieur de la cellule de fabrication, rendant les opérations de chargement et de déchargement plus sûres et plus efficaces.
Caracol a également intégré de nombreuses fonctionnalités avancées afin d’assurer la sécurité des opérateurs de Vipra AM. Comme le souligne l’entreprise, l’impression par procédé WAAM comporte des risques liés à la manipulation robotisée, aux températures élevées, au soudage à l’arc et aux émanations potentielles. Elle a donc développé une infrastructure de sécurité particulièrement complète, notamment une cellule de fabrication fermée munie d’une porte automatique. Cette porte est conçue pour assurer une protection optique intégrale pendant le soudage et est équipée de capteurs intelligents qui, selon Caracol, « en font un élément de sécurité actif plutôt qu’une simple barrière physique ».
À l’intérieur de la cellule de production, le plancher est doté de capteurs qui empêchent l’activation du système si un opérateur s’y trouve encore. Cette fonction réduit les risques d’accident, un aspect particulièrement important dans les secteurs fortement réglementés où des évaluations formelles des risques sont exigées.
Parmi les autres dispositifs de sécurité figurent un système d’extraction des fumées ainsi qu’un système de surveillance, doté d’un éclairage sans zone d’ombre, qui permet aux opérateurs de suivre de près le processus d’impression lorsque la porte est fermée. L’ensemble de ces fonctions est commandé et accessible au moyen d’une interface homme-machine (IHM) centralisée.
« Nous avons conçu chaque couche de sécurité de la cellule Vipra AM pour qu’elles fonctionnent de manière coordonnée », explique Giovanni Avallone, directeur de l’innovation de Caracol. « Le plancher équipé de capteurs provoque l’arrêt immédiat du système lorsqu’un opérateur est détecté dans la cellule, la porte automatique assure une protection optique complète pendant le soudage à l’arc, et l’IHM centralisée regroupe l’ensemble de ces fonctions dans une interface de commande unique. Dans les secteurs fortement réglementés, où une évaluation formelle des risques est obligatoire, un tel niveau d’intégration est indispensable. »
Au-delà de ses capacités d’impression et de ses dispositifs de sécurité, la plateforme Vipra AM est également conçue pour assurer une production industrielle fiable grâce à un ensemble d’outils et de capteurs de surveillance des procédés. Ceux-ci comprennent des capteurs intégrés destinés au suivi de la production et à la caractérisation des procédés, ainsi que plusieurs outils optionnels, présentés ci-dessous.
Au cœur du système modulaire de surveillance des procédés de Vipra AM se trouve un pyromètre qui mesure la température de chaque couche imprimée, ou de points précis définis par le logiciel de tranchage. Ce capteur est intégré à un système d’automatisation en boucle fermée, développé en collaboration avec le Fraunhofer IAPT, qui veille activement au maintien d’une plage thermique optimale tout au long du processus d’impression. Plus précisément, les données thermiques recueillies par le pyromètre sont transmises au système d’automatisation, qui ajuste automatiquement le temps d’attente entre les couches afin de maintenir une température d’impression optimale. D’autres capteurs intégrés surveillent également la géométrie des couches, l’évolution thermique et le débit des gaz.
Les utilisateurs de Vipra AM peuvent également ajouter des capteurs afin d’étendre les capacités du système et de renforcer la surveillance des procédés. Par exemple, la plateforme peut être équipée d’un système de protection par gaz inerte qui se fixe sur la torche en moins de 30 secondes. Selon Caracol, cet accessoire « permet d’inertiser localement le matériau pendant l’impression lorsque cela est nécessaire, sans avoir à installer un système fixe d’inertage. Lorsqu’il n’est pas utilisé, l’effecteur terminal demeure plus compact et plus maniable. »
Parmi les autres outils optionnels figurent une caméra thermique de soudage capable de produire des cartographies thermiques de l’ensemble de la zone de travail afin de reconstituer la répartition des températures, un profilomètre utilisant une numérisation 2D pour relever le profil des cordons de soudure dans le but de caractériser le matériau et de définir de nouveaux paramètres de procédé, ainsi qu’un scanner 3D qui capture des instantanés tridimensionnels de la pièce tout au long de sa fabrication afin de vérifier sa précision dimensionnelle par rapport au modèle CAO.
« Lorsqu’on associe une architecture à neuf axes, un procédé de dépôt fondé sur la technologie CMT et un contrôle thermique en boucle fermée, on ne parle plus simplement de fonctionnalités individuelles, mais d’une capacité de fabrication fondamentalement différente », souligne Giovanni Avallone. « Nos clients voient leurs délais de production passer de plusieurs semaines à quelques heures, réduisent le gaspillage de matière à la source et fabriquent des pièces qui seraient impossibles à produire autrement. Voilà ce que Vipra AM apporte à l’industrie. »
Une impression 3D axée sur les applications
Bien que les caractéristiques et les capacités du système WAAM de Caracol mériteraient d’être détaillées davantage, il est important de rappeler que cette technologie n’a pas été développée en vase clos. L’ensemble du développement des solutions de FA métallique de Caracol est guidé par les besoins des utilisateurs finaux et les exigences propres à des applications précises. Celles-ci comprennent notamment des composants d’outillage de grande dimension nécessitant des géométries complexes impossibles à obtenir par fabrication soustractive, tout en réduisant considérablement les délais de production, ainsi que des pièces finales qui éliminent complètement le recours à des outillages coûteux et longs à fabriquer.
Dans un cas d’utilisation marquant, la technologie Vipra AM de Caracol a servi à fabriquer par impression 3D un corps de vanne d’échantillonnage en acier inoxydable pour le spécialiste de la réparation navale JOME Engineering. En recourant à la FA métallique plutôt qu’à la fonderie traditionnelle, JOME Engineering a réduit le délai de fabrication de cette pièce de 60 jours à seulement 48 heures. En outre, l’abandon du procédé de fonderie a permis à l’entreprise de diminuer sa consommation d’énergie ainsi que le gaspillage de matière grâce à une fabrication proche de la forme finale.
La technologie a également trouvé sa place dans le secteur exigeant de l’aérospatiale. L’entreprise italienne Eligio Re Fraschini S.p.A. a récemment fabriqué par impression 3D un composant d’outillage pour longeron dans le cadre d’un projet pilote collaboratif. Ce projet visait à évaluer la capacité de Vipra AM à réduire les délais de production et les coûts de fabrication d’un outillage destiné au drapage de fibres de carbone. Les résultats ont été concluants à tous les niveaux. La pièce imprimée en 3D a généré beaucoup moins de déchets que les méthodes conventionnelles et a été produite plus rapidement grâce aux taux de dépôt élevés de Vipra AM. L’outillage obtenu était également 50 % plus léger que son équivalent fabriqué de manière traditionnelle, démontrant que la technologie WAAM peut améliorer non seulement l’efficacité de la production, mais aussi les performances des pièces.
Dans le secteur de la défense, NP Aerospace a récemment utilisé la solution WAAM métallique de Caracol pour fabriquer un support de suspension et de différentiel de 110 kg sdestiné au véhicule blindé de patrouille Mastiff. Cette pièce, produite en seulement 60 heures, est un composant essentiel qui doit résister à des charges dynamiques, à des chocs et à des environnements difficiles. Grâce à l’impression 3D, NP Aerospace a non seulement satisfait à ces exigences de performance, mais a également réduit le délai de fabrication de 50 %.
Ces exemples ne représentent qu’une partie des capacités de Vipra AM. La technologie a également été employée pour fabriquer de grandes hélices marines, des réservoirs pressurisés pour satellites porteurs, des composants de machines industrielles sur mesure, des éléments de suspension automobile, des supports de différentiel et bien d’autres applications.
Une solution industrielle
En définitive, ces cas d’utilisation démontrent que l’adoption d’une nouvelle solution de fabrication peut procurer de nombreux avantages : une plus grande liberté de conception, la production de grandes pièces monoblocs, une réduction spectaculaire des délais de fabrication, une chaîne d’approvisionnement plus agile et des coûts de production plus faibles. Grâce à sa combinaison d’impression à haut débit, d’automatisation industrielle et d’outils de surveillance des procédés, Vipra AM montre aux industriels tout le potentiel de la technologie WAAM.
