Impression en 3D et fabrication additive : Équipement d’essai mesurant la densité du lit de poudre métallique

Énoncé du problème

Le CNRC contribue au développement et à la qualification des poudres depuis plus de 30 ans. Il appuie un groupe de fabricants de poudre à proximité de Montréal. Disposer d'un outil qui mesurerait la densité du lit de poudre métallique permettrait au CNRC d'approfondir davantage les recherches dans ce domaine et favoriserait l'essor de cette industrie canadienne.

Produire des pièces de qualité uniforme est un défi de taille en impression 3D (c'est-à-dire en fabrication additive). L'industrie et la communauté scientifique consacrent énormément d'efforts à améliorer la qualité et la reproductibilité de la technologie. Les imprimantes 3D utilisant le métal fabriquent les pièces une couche à la fois, de préférence en fusionnant les poudres à l'aide d'un laser. Chaque couche de poudre métallique est appliquée au moyen d'un dispositif mobile ressemblant à un bras articulé. L'une des particularités du procédé est la compacité des couches. Plusieurs facteurs influencent celle-ci, par exemple 1) les propriétés et le comportement de la poudre, 2) la conception du bras articulé, 3) l'opération de recouvrement proprement dite et 4) les conditions ambiantes.

Pour optimiser le recouvrement et garantir la qualité des pièces, on doit absolument quantifier l'impact des facteurs précités sur la compacité de la poudre. Même si différentes normes permettent d'établir la facilité avec laquelle la poudre s'écoule et sa densité, aucun équipement sur le marché ne permet actuellement de tester la poudre dans des conditions qui reproduit l'opération de recouvrement.

Résultats escomptés et considérations

Ce défi vise à obtenir un équipement d'essai, qui doit être capable de reproduire le processus de recouvrement et de mesurer la densité des couches de poudre résultantes. Puisque l'équipement pourrait être utilisé en Recherche et Développement (R-D) ainsi que dans des applications commerciales de plus grande envergure (c'est-à-dire à des fins de contrôle de qualité), la possibilité de varier les facteurs dans un environnement contrôlé est donc primordiale. Ce défi doit aboutir à un équipement d'essai, répondant aux besoins particuliers en R-D du CNRC ainsi qu'à des besoins plus larges de contrôle de la qualité dans l'industrie.

Fonctionnement

L'équipement devrait être doté d'un bras articulé qui étend une certaine quantité de poudre sur l'aire de travail. La densité pourrait être mesurée par gravimétrie. Le poids de la couche, ou d'une partie de celle-ci, serait déterminé à l'aide d'une balance ou de tout autre dispositif de mesure semblable.

Il devrait être ultimement possible de faire une série de couches successives et de continuer à mesurer l'évolution de la densité. Des capteurs optiques pourraient également être considérés pour qualifier les couches de poudre (épaisseur, présence de défauts, variation de densité ou d'uniformité, etc.). Toute suggestion d'autres méthodes de mesure est la bienvenue.

Sensibilité

L'équipement doit être en mesure de détecter au moins 0,2 % de la densité relative du métal à revêtir. La couche de poudre doit être d'une épaisseur constante et des dispositions doivent être prises dans la conception et dans le manuel d'utilisation pour mesurer son épaisseur et ajuster la position du bras de reprise au besoin.

Polyvalence

L'équipement devrait permettre de contrôler les particularités que voici :
Épaisseur de la couche de poudre (20-200 µm);
Mécanisme de dépôt des poudres :

• vitesse de recouvrement/vitesse du bras articulé
• angle d'attaque de la lame
• mouvement de la lame cylindrique employée pour le recouvrement (tournante ou pas, idéalement)
• lame oscillante

Conditions ambiantes de la poudre : air, azote, argon, vide;
Électricité statique (usage possible d'un souffleur à air ionisé);
Autres interventions ou conditions qui reproduisent celles des imprimantes 3D actuellement offertes sur le marché.

Acquisition des données et instrumentation

L'équipement doit être contrôlé par ordinateur et tous les paramètres doivent être enregistrés dans des fichiers de résultats. Un espace supplémentaire au-dessus de la chambre d'expérimentation devrait être disponible au cas où l'on voudrait installer une caméra (ou un autre système optique) pour filmer l'application du revêtement et saisir visuellement l'aspect du lit ou en caractériser la surface.

Santé et sécurité

L'équipement permettra de manipuler les poudres en toute sécurité. Il sera facile à nettoyer de façon à empêcher toute contamination croisée.

Renseignements généraux et contexte

Les technologies de fabrication additive suscitent depuis peu un grand intérêt dans le monde, car elles sont synonymes de souplesse et permettent la production de pièces complexes, difficiles à fabriquer avec les autres méthodes. Ces technologies ont récemment évolué pour engendrer des procédés de fabrication dans divers secteurs industriels, notamment la médecine, l'aérospatiale et l'automobile. Pour que les technologies de fabrication additive s'implantent mieux, plusieurs problèmes techniques doivent toutefois être surmontés. L'un d'eux a trait à la qualité et au coût des poudres métalliques, des facteurs qui ont une incidence sur l'aspect économique du procédé, ainsi que sur la gestion et le contrôle de la qualité, de même que la reproductibilité des pièces usinées. 

Côté gestion de la qualité, l'un des principaux paramètres est la fabrication de pièces sans aucun défaut, par superposition de couches uniformes, à compacité constante durant l'impression. On y parvient en sélectionnant la poudre adéquate, en optimisant le bras articulé qui l'étend et en peaufinant les paramètres du recouvrement. De tels perfectionnements exigent que l'on puisse mesurer l'incidence des conditions de fabrication sur la compacité du lit de poudre. De plus, quand le recyclage est possible, l'utilisateur a besoin d'un moyen pour déterminer la qualité de la poudre réutilisée.

L'une des façons d'améliorer les procédés de fabrication additive consiste à concevoir des modèles numériques qui prévoiront comment la poudre sera déposée. La fiabilité du modèle dépendra de son étalonnage avec les principaux attributs du lit de poudre, établis dans des conditions représentatives de celles observées chez les imprimantes 3D.

Van den Eynde et ses collaborateurs (2015) ont conçu un appareil de laboratoire qui mesure spécifiquement la densité d'un lit de plastique en poudre. Même si le modèle proposé est très prometteur, il n'est pas disponible sur le marché et l'on ne peut s'en servir avec les poudres métalliques. De leur côté, Bidare et ses collaborateurs (2017) suggèrent une imprimante 3D pour métaux à architecture ouverte. Cet équipement permet de caractériser le lit de poudre par radiographie et au moyen d'une caméra haute vitesse, mais l'appareil ne peut mesurer la compacité de la poudre.

Le produit à mettre au point dans le cadre de ce défi sera destiné aux universités et aux installations de R-D. L'équipement aura besoin d'un modèle plus sophistiqué permettant la modification de multiples paramètres et que l'on équipera d'instruments précis. Par ailleurs, on devrait pouvoir modifier aisément l'équipement en vue d'une utilisation plus vaste et d'être adopté par les exploitants d'imprimantes 3D et les fabricants de poudre.

Pour ce défi, s'il vous plait vous vous référer à l'appel d'offres sur Achats et ventes.

Valeur maximale du contrat:

Ce défi pourrait donner lieu à de multiples contrats.

Un financement pouvant aller jusqu'à 150000 $ CAN (plus taxes) pour une durée maximale de six mois pourrait être offert pour tout contrat de la phase 1 découlant de ce défi, incluant, si applicable, les frais de livraison, de déplacement et de subsistance.

Un financement pouvant aller jusqu'à 500000 $ CAN (plus taxes) pour une durée maximale de deux ans pourrait être offert pour tout contrat de la phase 2 découlant de ce défi, incluant, si applicable, les frais de livraison, de déplacement et de subsistance.

Seules les entreprises admissibles ayant terminé la phase 1 pourront être considérées pour la phase 2.

Cette divulgation est faite de bonne foi et n'engage pas le Canada à accorder un contrat correspondant à la valeur totale maximale du financement.

Déplacement :

Pour la phase 1, il est prévu que jusqu'à deux réunions pourraient exiger que le(s) candidat(s) retenu(s) se déplace(nt) au Conseil national de recherches du Canada, au :

Conseil national de recherches du Canada
75, boulevard de Mortagne
Boucherville (Québec)
J4B 6Y4

Les propositions de solutions peuvent uniquement être présentées par une petite entreprise qui satisfait aux critères suivants :

• être à but lucratif
• être constituée au Canada (au fédéral ou au provincial)
• compter au plus 499 employés équivalent temps plein (ETP)^{Note de bas de page *}
• mener des activités de recherche-développement au Canada
• verser présentement au moins 50 % de ses salaires, rémunérations et honoraires annuels à des employés et à des entrepreneurs qui passent la majeure partie de leurs heures de travail au Canada^{Note de bas de page *}
• compter au moins 50 % de ses employés ETP dont le lieu de travail habituel est au Canada^{Note de bas de page *}
• compter au moins 50 % de ses cadres supérieurs (vice-président ou niveaux supérieurs) dont la résidence principale est au Canada^{Note de bas de page *}

Tous les ministères et organismes qui publient des défis dans le cadre du programme SIC, qu'ils offrent ou non une subvention ou un contrat comme instrument financier de soutien à la recherche et au développement (R et D) dans la première et la deuxième phases, évalueront les demandes et les soumissions de toutes les petites entreprises en se basant sur des questions types. Les formulaires de demande en ligne et le système de soumission comprendront ces questions types et des indications sur la longueur des réponses.

Processus d'évaluation

Les demandes ou soumissions complètes présentées seront transmises au ministère ou à l'organisme qui a publié le défi, ainsi qu'au Programme d'aide à la recherche industrielle (PARI) à des fins d'évaluation. Le ministère ou l'organisme qui parraine le défi a la prérogative de décider à quelles entreprises il octroie du financement dans le cadre de la première la phase. Toutes les entreprises qui présentent une demande ou une soumission recevront des commentaires.

Ce qui suit vise à donner des indications sur les questions qui pourraient être posées dans le cadre du processus de présentation de demandes ou de soumissions avant l'acceptation de ces dernières reçues d'entreprises admissibles. Les informations ci-dessous peuvent être utilisées pour évaluer les demandes et peuvent être modifiées en tout temps.

Innovation

• Soyez prêt à indiquer le niveau de maturité technologique (NMT) de départ de la solution et le NMT prévu au terme de la première phase. Rappel : la première phase est réservée aux solutions de niveaux 1 à 4 de l'échelle du NMT.
• Soyez prêt à décrire le caractère novateur de votre solution et la façon dont elle fait progresser l'état des connaissances par rapport aux technologies existantes, notamment les solutions concurrentes. Veuillez inclure dans votre description les bases scientifiques et technologiques sur lesquelles repose la solution que vous proposez.
• Soyez prêt à déterminer les principaux risques scientifiques et techniques liés à votre solution et la manière dont ces risques seront gérés dans la première phase.

Avantages pour le Canada

• Soyez prêt à fournir une brève description de la solution que vous proposez et de la façon dont elle résout le problème cerné par le ministère ou l'organisme qui a publié l'énoncé de défi.
• Soyez prêt à décrire les avantages pour le Canada qui pourraient découler d'un développement réussi de votre solution en mettant l'accent sur trois types d'avantages : les avantages économiques, les avantages sur le plan de l'innovation et les avantages pour le public.

Avantages économiques : considérez l'incidence de la solution proposée sur la croissance de votre entreprise et d'autres entreprises au Canada. Il peut s'agir du développement de nouvelles grappes industrielles et chaînes d'approvisionnement. Il faut prendre en compte le nombre d'emplois créés, le nombre d'emplois bien rémunérés, la hausse des recettes liée au projet, etc.

Avantages sur le plan de l'innovation : l'apport escompté de la solution proposée à la création ou à l'amélioration d'innovations industrielles ou technologiques récentes au sein de votre entreprise. Par exemple, les retombées potentielles, la création de propriétés intellectuelles, l'incidence de la nouvelle technologie sur la productivité, etc.

Avantages pour le public : la contribution prévue de la solution proposée pour la population canadienne en général, notamment des pratiques commerciales et d'embauche inclusives (par ex. l'équilibre entre les sexes) et un investissement dans les compétences et la formation, ainsi que dans l'environnement.

Capacité de gestion et technologique

• Soyez prêt à préciser le plan de travail de la première phase, notamment les principales étapes et activités prévues, le délai total prévu pour compléter la première phase (pas plus de six mois), les ressources requises pour achever le projet et les principaux critères de réussite.
• Soyez prêt à préciser les risques potentiels du projet (par ex. risques financiers, gestion du projet, ressources humaines, etc.) qui peuvent menacer la réussite du développement de la solution et leur gestion dans la première phase.
• Soyez prêt à donner une brève description de l'équipe de mise en œuvre du projet, notamment les membres, les partenaires, leurs rôles et responsabilités, ainsi que la pertinence de leur expertise dans le cadre du projet. Les membres de l'équipe doivent comprendre un chef de projet.
• Soyez prêt à expliquer les mesures prises par votre entreprise pour favoriser une plus grande intégration dans ses activités d'innovation. Un des objectifs du programme consiste à favoriser une plus grande participation des groupes sous-représentés (par ex. les femmes, les Autochtones, les jeunes, les personnes handicapées et les membres des minorités visibles) à l'économie de l'innovation.

Capacité financière

• Soyez prêt à fournir une proposition financière pour la recherche et le développement de la première phase. Assurez-vous de vérifier les détails de chaque défi publié relatifs aux coûts admissibles ou non et au maximum de financement disponible pour la première phase.
• Soyez également prêt à fournir de l'information sur le financement reçu d'autres ordres de gouvernement (fédéral, provincial et municipal) pour le travail que vous proposez dans votre demande ou soumission.
• Soyez prêt à préciser la surveillance et les contrôles financiers que votre entreprise a mis en place pour gérer les fonds publics advenant qu'elle soit choisie pour entamer la première phase.

Commercialisation

• Soyez prêt à préciser comment vous envisagez la commercialisation de votre solution et comment vous comptez atténuer les risques ou les obstacles potentiels relatifs à sa commercialisation ultérieure.

Guide d'application

S'il vous plaît visitez Achats et ventes pour toutes les questions et réponses reliées à ce défi.

S'il vous plaît visitez Achats et ventes pour toutes les questions et réponses relatives à l'appel de propositions.

Si vous avez une question à propos d'un défi, veuillez l'envoyer à ISED-ISDE@canada.ca.

Vous pouvez également consulter la Foire aux questions sur le programme Solutions innovatrices Canada.

Un lexique est aussi disponible.