Les principales technologies d’impression 3D avec des métaux

Metal 3d Printing Impression 3d Metal

L’impression 3D métal est considérée comme le summum des technologies additives. Le premier brevet pour la technologie d’impression 3D de métal – le frittage laser direct ou DMLS – a été obtenu par la société allemande EOS GmbH en 1997. Depuis lors, l’impression 3D métal n’a cessé de se développer, et aujourd’hui nous allons nous intéresser aux méthodes les plus courantes.

La fabrication additive de produits métalliques peut être divisée en quatre grands domaines : la synthèse à partir de poudres métalliques sur un substrat (MPBF), le dépôt par jet d’encre d’un liant sur des poudres métalliques (Metal Binder Jetting), l’apport direct d’énergie et de matière (DED) et l’impression 3D par extrusion, bien connu des passionnés (FDM/FFF).

Synthèse sur substrat à l’aide de poudres métalliques (Metal Powder Bed Fusion, MPBF)

Les procédés de cette catégorie comprennent le frittage laser direct de métal (DMLS), la fusion laser sélective (SLM) et la fusion par faisceau d’électrons (EBM).

Synthèse Sur Substrat Impression 3d Metaux

Frittage laser direct de métal (DMLS)

Cette méthode peut être utilisée pour construire des objets à partir de presque n’importe quel alliage métallique. Dans le frittage laser direct, la poudre consommable est déposée en une couche mince, puis le laser traite séquentiellement la couche, frittant les particules sans fusion complète. Le processus est répété encore et encore jusqu’à ce qu’un produit complet soit obtenu. À la fin de l’impression 3D, le produit est lentement refroidi et la poudre restante est retirée de la chambre de travail pour être nettoyée et préparée pour être réutilisée. Le principal avantage du frittage laser direct des métaux est qu’il permet d’obtenir des produits sans contraintes internes ni défauts cachés, ce qui est particulièrement important dans la production de pièces chargées, par exemple pour l’industrie aérospatiale ou automobile. Le principal inconvénient de cette méthode est son coût élevé.

Fusion laser sélective (SLM)

Comme dans la méthode précédente, de fines poudres métalliques sont utilisées ici. Le principe de croissance est similaire, mais au lieu de fritter, les particules de poudre fondent complètement, formant une masse très dense. Actuellement, ce procédé n’est applicable qu’à certains métaux et alliages, tels que les aciers inoxydables et à outils, le titane, le cobalt-chrome et les alliages d’aluminium. Des températures de traitement élevées peuvent entraîner la formation de contraintes résiduelles et la déformation des objets imprimés.

Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

Cette méthode est similaire à la fusion laser sélective mais utilise des canons à électrons au lieu d’émetteurs laser. La gamme de consommables compatibles est limitée : les alliages de titane sont les plus couramment utilisés, bien que la méthode puisse fonctionner avec du cobalt-chrome et certaines autres options. La technologie est principalement utilisée dans la fabrication additive de pièces pour l’industrie aérospatiale.

Les principaux avantages des méthodes ci-dessus sont la possibilité de construire des pièces de presque toutes les formes géométriques et, en général, l’utilisation d’une large gamme de matériaux – de l’aluminium léger aux superalliages de nickel à haute température, dont beaucoup sont difficiles à produire traditionnellement. En termes de propriétés mécaniques, les produits obtenus peuvent être quelque peu inférieurs aux homologues coulés et forgés, mais dans la fabrication de pièces de forme complexe, cela est compensé par la possibilité de produire des produits solides sans joints soudés.

Les inconvénients comprennent le coût élevé des consommables, de l’équipement et du fonctionnement. De plus, une croissance parallèle des structures de support métalliques est nécessaire pour faire face aux déformations, ce qui entraîne une augmentation des déchets et nécessite un travail de post-traitement considérable. Les volumes utiles de tels systèmes sont structurellement limités et le travail avec des poudres fines nécessite le strict respect des règles de sécurité.

Impression 3D avec des poudres métalliques avec application jet d’encre d’un liant (Metal Binder Jetting)

La technologie prévoit le dépôt sélectif d’un liant sur des couches de poudre – sable, céramique ou métal – jusqu’à l’obtention d’une pièce. Étant donné que le processus se déroule à température ambiante, la possibilité de déformation thermique est éliminée et l’équipement lui-même peut être adapté à une production à grande échelle. Les supports ne sont pas nécessaires, car la poudre elle-même sert de support aux flans lignés. Une fois la construction terminée, les matériaux non utilisés peuvent être tamisés et réutilisés. De tels systèmes sont populaires dans la production à petite échelle et la fabrication de pièces individuelles selon les exigences individuelles.

Impression 3d Poudre Metallique

Les avantages sont une grande liberté géométrique, une utilisation efficace du volume de travail avec la possibilité d’une production à petite échelle et l’absence de besoin de structures de support, ce qui facilite le post-traitement. L’absence de déformations au stade de la construction vous permet de développer des produits de grande taille. La technologie se caractérise par une productivité plus élevée et un coût inférieur aux procédés de synthèse sur substrat.

Le principal inconvénient est la nécessité d’un traitement thermique. Les ébauches imprimées en 3D doivent être recuites et frittées, ce qui nécessite des coûts financiers et temporels supplémentaires. La densité des produits résultants est généralement inférieure à celle des analogues obtenus par des méthodes de synthèse sur un substrat, ce qui peut entraîner une dégradation des propriétés mécaniques. Le choix de consommables métalliques appropriés est relativement limité.

Fourniture directe d’énergie et de matériaux (Directed Energy Deposition, DED)

Cela comprend plusieurs processus utilisant différentes sources d’énergie et soit des poudres, soit des fils. Les deux méthodes les plus courantes sont la fabrication additive par arc filaire (WAAM) et le dépôt de métal par laser (LMD), également appelée croissance laser directe.

Fourniture Directe D'énergie Et De Matériaux (directed Energy Deposition, Ded)

Au cœur de toutes les technologies d’impression 3D DED se trouve l’approvisionnement en matériau consommable directement dans la zone de fusion. Le matériau consommable est soit de la poudre pulvérisée, soit du fil. Le matériau est acheminé à la surface du produit à faire croître et immédiatement fondu à l’aide d’un arc électrique, d’un laser ou d’un canon à électrons. WAAM est une combinaison de fil métallique et de soudage à l’arc, tandis que LMD utilise des poudres et des lasers.

Les technologies DED conviennent non seulement aux produits d’impression 3D à partir de zéro, mais également à la réparation de pièces métalliques, telles que des aubes de turbine ou de compresseur, ainsi qu’à l’application de revêtements métalliques.

L’un des avantages de l’impression 3D DED est le faible coût des matériaux lorsque du fil métallique est utilisé. Les imprimantes 3D DED peuvent également utiliser deux ou plusieurs métaux ou alliages en même temps, construisant des structures avec une composition dégradée. Le positionnement multi-axes (5 ou 6 axes) ajoute la possibilité de construire des pièces géométriquement complexes sans utiliser de structures de support.

Enfin, les imprimantes 3D DED sont hautement évolutives, produisent des pièces à haute densité, sont économiques en termes de consommation de matière et peuvent être très productives, en particulier lorsqu’elles utilisent du fil.

Parmi les inconvénients, on peut noter le coût relativement élevé de l’équipement, la faible résolution, qui réduit les détails, ainsi que la faible qualité des surfaces lorsque l’on travaille avec du fil métallique, qui nécessite un post-traitement intensif.

Impression 3D par extrusion (FDM/FFF)

La technologie d’impression 3D bien connue et abordable par dépôt couche par couche d’une tige de polymère (FDM ou FFF) peut également être appliquée à la production de produits métalliques. Cela nécessite des filaments spéciaux, mais le bon équipement est disponible même pour les petites entreprises. C’est tout l’intérêt de rendre l’impression 3D avec des métaux aussi accessible que possible.

Impression 3d Extrusion Fdm Fff

Les consommables sont des filaments polymère-métal, c’est-à-dire des composites en plastique avec une charge métallique. De tels composites peuvent être imprimés sur la plupart des imprimantes 3D FDM, même les plus amateurs, mais les ébauches résultantes nécessitent un traitement sérieux. Après l’impression 3D, le liant polymère doit être éliminé par gravure ou recuit, après quoi la pièce doit être frittée jusqu’à la forme finie. L’essentiel des coûts incombe donc aux équipements de traitement thermique et aux consommables assez coûteux, mais en général le procédé reste le moins cher de tous répertoriés.

L’impression 3D par extrusion avec des filaments polymère-métal est utilisée à la fois dans la production à l’unité et à petite échelle, ne nécessite pas l’utilisation de poudres fines coûteuses et dangereuses et est disponible pour les petites et moyennes entreprises.

Le principal inconvénient est le traitement thermique fastidieux des flans imprimés en 3D, qui nécessite un équipement supplémentaire. Les pièces aux formes géométriques complexes doivent souvent être imprimées avec des supports, mais les structures de support sont relativement faciles à retirer avant le traitement thermique, tout comme avec les modèles en plastique conventionnels. Les produits obtenus présentent une porosité relativement élevée et sont sujets à un retrait important lors du traitement thermique, qui doit être compensé par un écaillage lors de la préparation des modèles 3D pour l’impression.

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