Comment amener une pièce à la production en série ?

22 juillet 2021 | Temps de lecture : 6 min

La fabrication additive (FA) présente des avantages évidents par rapport à la fabrication traditionnelle, non seulement en termes de conception et de poids, mais aussi en ce qui concerne l'empreinte écologique de la fabrication et la vigueur des chaînes d'approvisionnement. Pour exploiter tout le potentiel de FA, les fabricants doivent l'intégrer avec succès dans leur système de production.

Qualifications en fabrication additive dans les industries réglementées

Tout au long de ce parcours, Additive Minds soutient continuellement ses clients en identifiant la bonne application avec une analyse de rentabilité appropriée, en concevant et en développant des paramètres de fabrication optimaux et en qualifiant l'application selon des normes spécifiques à l'industrie. Les industries telles que l 'aérospatiale , la santé et la technologie médicale sont en train de devenir des leaders de l'adaptation de FA. L'utilisation de FA dans des applications critiques pour la sécurité permet de fixer des normes élevées pour créer un précédent d'excellente qualité, de sécurité et de fiabilité.

La qualification consiste à démontrer que [...] un processus est capable de satisfaire [...] aux exigences spécifiées.

JEDEC, JEP 148, "Reliability Qualification of Semiconductor Devices Based on Physics of Failure Risk and Opportunity Assessment", avril 2004.

Comment fonctionne la qualification ?

"La qualification est le processus qui consiste à démontrer que [...] un processus est capable de satisfaire [...] aux exigences spécifiées" [1]. Chaque industrie a une approche similaire pour répondre à cette exigence. D'une manière générale, les fabricants doivent gérer les risques potentiels liés à la production et générer des données prouvant que le processus FA peut fournir des résultats reproductibles dans des conditions prédéterminées.

Prenons l'exemple d'une aube de turbine : Un fabricant doit vérifier que le processus est cohérent et que les pales produites vont résister à des forces définies pendant une période donnée (aucun d'entre nous ne veut être assis dans un avion pendant qu'une pale de turbine se brise).   

La qualification se fait généralement en trois étapes. Chez EOS, nous utilisons couramment les termes de qualification d'installation (QI), de qualification opérationnelle (QO) et de qualification de performance (QP). Issus de l'industrie médicale, ces termes sont aujourd'hui communément acceptés dans les industries FA .

Qualification de l'installation (QI)

Le QI fait partie d'une procédure standard proposée par EOS. Les ingénieurs du service extérieur vérifient que les exigences de la machine et de l'équipement sur le site sont respectées et que les principaux composants du système fonctionnent conformément aux spécifications d'EOS. En outre, un test d'assurance qualité est réalisé et évalué avec le client. Tous les résultats, ainsi que les outils calibrés utilisés pour réaliser le QI, sont consignés dans un rapport final.

Qualification opérationnelle (OQ)

L'objectif de l'OQ est de vérifier que le processus de production est contrôlé et donne les mêmes résultats. En outre, le fabricant doit s'assurer que tous les paramètres pertinents sont maintenus dans une fenêtre de tolérance définie.

Un OQ est un processus hautement personnalisé qui dépend des exigences spécifiques de l'industrie. Deux étapes sont nécessaires pour mener à bien un OQ :

Mettre en place le système de gestion des risques et procéder à une évaluation des capacités. Dans le cadre de la gestion des risques, le fabricant doit identifier et évaluer tous les risques liés au processus qui pourraient affecter les performances des pièces. Cela implique que le processus soit minutieusement défini (de la réception des marchandises au post-traitement) et que les risques potentiels soient reconnus, évalués et atténués. Les clients d'EOS bénéficient du soutien d'Additive Minds par le biais de formations et d'ateliers au cours desquels ils sont initiés aux paramètres clés du processus et à leur impact sur les propriétés de la pièce finale (par exemple, formation à la qualité, fourniture d'un organigramme FA et d'une documentation sur le processus).

En outre, les clients demandent souvent à Additive Minds des informations techniques supplémentaires sur les systèmes, les matériaux et les processus, mais aussi sur la manière dont EOS applique les procédures internes pour garantir la qualité (par exemple, comment assurer une validation cohérente du logiciel avant sa mise en circulation).

La méthode la plus importante pour documenter et tracer l'efficacité de l'atténuation des risques est l'analyse des modes de défaillance et des effets du processus (pFMEA) qu'Additive Minds partage et personnalise dans le cadre d'un projet OQ. Les clients des industries réglementées sont tenus de prouver aux autorités réglementaires qu'ils ont mené cette méthodologie de qualité pour s'assurer que toutes les activités de développement ont été exécutées conformément aux procédures les plus récentes.  

L'objectif de la qualification opérationnelle est de réaliser des essais rigoureux pour démontrer l'efficacité et la reproductibilité du procédé. La caractérisation du procédé pour déterminer la fenêtre du procédé pour chacune des variables clés du procédé est une condition préalable.

ASTM F3434-20, Guide for Additive manufacturing - Installation/Operation and Performance Qualification (IQ/OQ/PQ) of Laser-Beam Powder Bed Fusion Equipment for Production Manufacturing (Guide pour la fabrication additive - Installation/Opération et qualification des performances (IQ/OQ/PQ) de l'équipement de fusion de lit de poudre par faisceau laser pour la fabrication en série)

La méthode la plus importante pour documenter et tracer l'efficacité de l'atténuation des risques est l'analyse des modes de défaillance et des effets du processus (pFMEA) qu'Additive Minds partage et personnalise dans le cadre d'un projet OQ. Les clients des industries réglementées sont tenus de prouver aux autorités réglementaires qu'ils ont mené cette méthodologie de qualité pour s'assurer que toutes les activités de développement ont été exécutées conformément aux procédures les plus récentes.  

Revenons à notre pale de turbine : que doit couvrir une AMDEp ?

L'absence de fusion est un défaut qui affecte gravement les propriétés mécaniques et doit être évité dans les applications critiques pour la sécurité. L'une des raisons possibles est la baisse de la puissance du laser due à une fenêtre laser mal nettoyée.

Pour minimiser ce risque, plusieurs mesures d'atténuation peuvent être mises en œuvre du côté du client. Il peut s'agir d'une instruction de travail préventive pour nettoyer correctement la fenêtre du laser lors de la configuration de la machine, ou même d'un CT-Scan de la lame finale afin de détecter et de prévenir toute déviation.

L'étape finale d'un OQ est l'étude de capacité. L'étude de capabilité suit un plan de test strictement prédéfini (fourni et personnalisé par Additive Minds). Ici, tous les paramètres d'essai pertinents pour toutes les étapes du processus sont définis. Cela inclut une fenêtre de processus pour chaque paramètre et des critères d'acceptation par rapport auxquels les exigences de conception initiales sont testées. Pour réussir l'étude de capacité, tous les critères d'acceptation doivent être respectés, par exemple les propriétés des matériaux telles qu'elles sont indiquées dans les fiches techniques ou reconnues comme faisant partie des normes de matériaux (les clients les utilisent comme point de référence).

De nombreux organismes de réglementation (FAA/EASA, FDA/EMA) exigent que les clients réalisent également des plans d'expériences (DoE) pour valider les performances du processus dans les conditions les plus défavorables ou extrêmes.

Voyons notre exemple pratique !

La norme ASTM F3434 exige qu'un fabricant teste toutes les conditions qui seront rencontrées au cours de la production réelle, y compris les conditions les plus défavorables. Cette exigence peut susciter plusieurs questions de la part des clients. Étant donné que le fabricant est entièrement responsable de l'introduction sur le marché de composants de sécurité critiques, il est nécessaire de répondre à ces questions.

• À quelle vitesse la puissance du laser d'une machine FA se dégénère-t-elle ?
• Quels sont les principaux facteurs qui peuvent entraîner une perte de puissance du laser ?
• Quelle perte de puissance laser est acceptable jusqu'à ce que l'application ne soit plus conforme aux exigences de conception ?
• Dans quelle mesure la puissance du laser est-elle répartie de manière égale sur la plaque construite et la lentille f-theta, par exemple, a-t-elle un effet sur cette répartition ?

Une fois la QO achevée, le processus de fabrication doit être qualifié pour une application spécifique, c'est-à-dire la qualification des performances.

La qualification des performances (QP)

La qualification des performances est la dernière étape du processus de qualification. "Cette analyse permet de déterminer si l'équipement et les contrôles du processus sont adéquats pour garantir que la spécification du produit est respectée" [2]. Elle permet de vérifier que toutes les étapes du processus, reliées entre elles, fournissent les spécifications requises pour la pièce finale.

La QP peut être une phase assez courte au sein d'une qualification, étant donné qu'une grande partie du travail approfondi a déjà été réalisée dans le cadre de la QO. Enfin, la QP adopte et complète le processus générique pour une application spécifique, par exemple l'aube de turbine d'un certain type de moteur d'avion.

Comme l'OQ, le PQ suit à nouveau un plan d'essai strict - cette fois-ci axé sur la pièce elle-même. La QP définit les paramètres de fonctionnement, les limites de l'équipement et les composants utilisés. Dans la production en série, cela signifie par exemple que la procédure de manipulation, de remise à neuf et de réutilisation de la poudre doit être clairement définie et mise en œuvre.

Dans le cas de la production d'aubes de turbine, cela a plusieurs implications : Le fabricant doit définir des spécifications pour la poudre recyclée ainsi que des instructions sur la manière d'effectuer la remise à neuf. Des limites doivent être établies lorsque la poudre est mise au rebut, car il faut s'assurer que la poudre reste dans un état stable et que son statut et son historique sont correctement documentés.

Comment maintenir la qualification du processus ?

Une fois la qualification achevée, toute modification du procédé doit être évaluée par le fabricant en fonction de sa gravité et de ses effets potentiels sur la pièce finale. Sur la base de cette évaluation, différentes approches de requalification peuvent être appliquées pour maintenir la qualification du procédé.

En tant qu'équipementier, EOS n'est pas en mesure d'effectuer cette évaluation. C'est la responsabilité du fabricant de le faire. Mais en fournissant des informations pertinentes pour cette évaluation, EOS peut contribuer à réduire les efforts des clients et à renforcer la confiance dans la qualité industrielle des produits, des processus et de l'organisation. Si les clients peuvent évaluer plus facilement les risques potentiels liés aux nouvelles fonctionnalités, cela permet à EOS de leur fournir rapidement des fonctionnalités et des solutions avancées et actualisées.

Résumé

La qualification est une pratique courante dans la production en série. Les procédures et les exigences relatives à FA sont les mêmes que pour toute autre technologie de production. Les produits qualifiés permettent à l'aérospatiale d'être l'un des moyens de transport les plus sûrs. Cela permet aux clients de qualifier FA pour la production en série et de se développer avec EOS, en poussant le déploiement de la technologie FA dans l'avenir.