Poudre d'impression 3D sur métal

Vue d'ensemble

Poudre d'impression métallique 3Dégalement connue sous le nom de fabrication additive ou de frittage direct au laser, est une technique de production révolutionnaire qui permet de créer des pièces métalliques complexes directement à partir de dessins numériques. Un laser fusionne de manière sélective une fine poudre métallique, couche par couche, jusqu'à ce que l'objet 3D fini apparaisse.

Le composant clé de cette technologie transformatrice est la poudre métallique. Les caractéristiques et la qualité de la poudre ont un impact significatif sur les propriétés mécaniques, la précision, l'état de surface et les performances globales des pièces métalliques imprimées.

Cet article présente une vue d'ensemble des poudres métalliques pour l'impression 3D. Nous examinons les types de poudres, les compositions, les propriétés, les spécifications, les applications, les avantages, les limites et plus encore, en nous basant sur les dernières recherches et normes de l'industrie. Lisez la suite pour en savoir plus sur ce matériau fascinant au cœur de la prochaine révolution industrielle.

Types de Poudre d'impression métallique 3D

Plusieurs alliages et matériaux métalliques peuvent être utilisés pour l'impression 3D de poudre. Les options les plus courantes sont les suivantes :

Poudres d'acier inoxydable

L'acier inoxydable est l'un des métaux les plus populaires pour l'impression 3D en raison de sa grande solidité, de sa résistance à la corrosion et de sa capacité à supporter des températures élevées. Les alliages d'acier inoxydable les plus couramment utilisés sont les suivants :

• Acier inoxydable 316L - L'alliage standard présente une excellente résistance à la corrosion et d'excellentes propriétés mécaniques. Le 316L a une faible teneur en carbone afin de minimiser les contraintes résiduelles pendant l'impression.
• Acier inoxydable 17-4PH - Acier inoxydable durci par précipitation qui peut atteindre des limites d'élasticité et de résistance à la traction très élevées grâce à un traitement thermique après l'impression.
• Acier inoxydable 15-5PH - Un autre acier inoxydable à durcissement par précipitation, capable d'une résistance et d'une dureté élevées. Le 15-5PH offre une meilleure résistance à la corrosion que le 17-4PH.
• Aciers inoxydables duplex - Alliages présentant une microstructure mixte ferritique-austénitique. Les aciers duplex offrent une limite d'élasticité et une résistance à la traction supérieures à celles de l'acier austénitique 316L. Les alliages duplex les plus courants sont les 2205 et 2304.

Aciers à outils

Les aciers à outils ont une dureté, une résistance à l'usure et une résistance à la compression très élevées. Les poudres métalliques courantes de ce groupe sont les suivantes

• Acier à outils H13 - Un acier à outils pour travail à chaud Cr-Mo-V extrêmement polyvalent qui conserve une dureté et une stabilité élevées à des températures élevées.
• Acier à outils P20 - Un acier à moule polyvalent faiblement allié avec une bonne usinabilité et une bonne polissabilité. Le P20 est souvent utilisé comme alternative moins chère à l'acier à outils H13.
• Aciers maraging - Le terme "maraging" signifie vieillissement martensitique. Ces aciers atteignent des résistances très élevées grâce à un traitement thermique de vieillissement. Les alliages maraging les plus courants sont le 18Ni(350) et le 18Ni(300).

Alliages d'aluminium

La légèreté de l'aluminium, sa résistance à la corrosion et sa conductivité thermique élevée en font un choix populaire pour l'aérospatiale, l'automobile et les applications à haute température. Les poudres d'aluminium les plus courantes sont les suivantes

• AlSi10Mg - L'alliage d'aluminium le plus utilisé avec une excellente fluidité, stabilité et propriétés mécaniques. Le Si et le Mg agissent comme agents de renforcement.
• AlSi7Mg - Très similaire à AlSi10Mg. Une plus faible teneur en silicium améliore la fluidité de la poudre.
• Scalmalloy - Alliage Al-Mg-Sc à haute résistance qui obtient une limite d'élasticité exceptionnelle grâce à l'ajout de scandium.

Superalliages de cobalt et de nickel

Ces poudres métalliques avancées présentent une résistance à la chaleur et à l'usure extrêmement élevée grâce à leurs compositions complexes. Les alliages typiques sont les suivants :

• Inconel 718 - Superalliage à base de nickel et de chrome offrant une résistance incroyable à haute température grâce à des traitements thermiques de durcissement par solution solide et précipitation.
• Inconel 625 - Excellente résistance à l'oxydation et à la corrosion, même à des températures extrêmes. Largement utilisé dans les applications aérospatiales, chimiques et marines.
• Cobalt-chrome (CoCr) - Le cobalt renforcé par des carbures de chrome permet de fabriquer des implants biocompatibles tels que des prothèses et des couronnes/ponts dentaires.
• Hastelloy - Alliages de nickel résistants à la corrosion avec des ajouts tels que le molybdène, le chrome et le tungstène.

Titane et alliages de titane

Le titane pur offre la combinaison ultime d'une grande résistance et d'une faible densité. Les éléments d'alliage comme l'aluminium, le vanadium et le fer apportent des avantages supplémentaires :

• Ti6Al4V - L'alliage de titane le plus répandu, l'aluminium stabilisant la phase alpha et le vanadium renforçant la phase bêta.
• TiAl6V4 - Une teneur plus élevée en aluminium améliore encore les propriétés mécaniques et la résistance à l'oxydation.
• Ti6Al4V ELI - ELI" signifie "extra low interstitial" (interstitiel très bas) avec moins d'oxygène, d'azote et de carbone. Il présente une meilleure résistance à la rupture que le Ti64 normal.

Alliages réfractaires et intermétalliques

Ces poudres avancées peuvent résister à des températures extrêmes ou présenter une résistance/dureté exceptionnelle :

• Carbure de tungstène (WC/Co) - Les carbures de tungstène durs maintenus ensemble par la phase liante du cobalt rendent cet alliage plus rigide que l'acier tout en conservant sa ténacité.
• Molybdène (Mo) - La poudre de molybdène pur permet de créer des pièces très résistantes à la chaleur, capables de supporter des températures supérieures à 750°C.
• Inconel 625 - La poudre de superalliage à base de nickel et de chrome permet de créer des objets qui conservent une grande résistance dans des environnements oxydants jusqu'à 980°C.

Métaux précieux

Les propriétés uniques des métaux précieux tels que l'or, l'argent et le platine les rendent également adaptés à l'impression 3D :

• Argent (Ag) - La poudre d'argent pur conserve d'excellentes propriétés de conductivité électrique et thermique, même dans des géométries imprimées complexes.
• Or (Au) - La plupart de l'or imprimé est en fait de l'or allié à de petites quantités de métaux tels que l'argent, le cuivre et le palladium afin d'améliorer la dureté et d'optimiser les propriétés.
• Platine (Pt) - La poudre de platine est biocompatible et résistante à la corrosion et aux attaques chimiques. Elle est utilisée pour la fabrication d'implants médicaux et d'équipements de laboratoire.

Ce tableau résume les caractéristiques des poudres d'impression métallique les plus courantes :

Méthodes de production de poudre métallique

Pour obtenir les propriétés nécessaires à une impression 3D de haute qualité, les poudres métalliques doivent présenter certaines caractéristiques physiques et répartitions granulométriques spécifiques. Plusieurs techniques de production de poudres sont utilisées :

Atomisation des gaz

• Le flux de métal en fusion est désintégré par des jets de gaz inertes à haute pression.
• Produit une poudre sphérique idéale pour l'impression - grande fluidité, densité d'emballage
• Méthode la plus courante pour les poudres plus fines d'acier inoxydable, d'acier à outils, de superalliage et de titane.

Atomisation de l'eau

• Utilise des jets d'eau pour briser le métal en fusion en fines gouttelettes.
• La forme irrégulière de la poudre affecte l'écoulement, mais elle est moins chère que l'atomisation au gaz.
• Généralement utilisé pour des options plus abordables comme l'aluminium et le magnésium

Atomisation par plasma

• L'arc plasma à très haute énergie fait fondre et disperse le métal en fines particules.
• Génère des poudres hautement sphériques à partir d'alliages réactifs tels que les aluminiures de titane.
• Les poudres sont plus pures et permettent d'imprimer des détails complexes avec plus de précision.

Atomisation des gaz de fusion par induction des électrodes (EIGA)

• Combine la fusion par induction et l'atomisation au gaz
• Contrôle exceptionnel de la composition chimique et de la propreté
• Utilisé pour les alliages spéciaux tels que les superalliages de nickel et les métaux précieux

Alliage mécanique

• Poudre produite par un procédé de broyage à haute énergie
• Utilisé pour les alliages de cuivre CMD, les composites d'aluminium et les intermétalliques
• Génère de fines compositions homogènes à partir de poudres élémentaires mélangées

Une bonne technique de production de poudre est essentielle pour obtenir la chimie des alliages, la forme des particules, la distribution des tailles, les niveaux de pureté et les caractéristiques d'écoulement indispensables à une impression 3D métallique de haute qualité.

Caractéristiques des poudres métalliques

Les poudres d'impression 3D doivent répondre à des spécifications strictes en termes de chimie, de distribution granulométrique, de morphologie, de microstructure et d'autres paramètres. Les principales caractéristiques sont les suivantes :

Distribution de la taille des particules

La gamme typique est comprise entre 15 et 45 microns. Les facteurs critiques sont les suivants :

• D10 - Taille en dessous de laquelle 10% de particules tombent
• D50 - Taille médiane des particules avec 50% au-dessus et au-dessous de ce diamètre
• D90 - Taille où 90% de poudre est inférieure à ce diamètre

Valeurs idéales : D10 : 20-25 μm ; D50 : 30-35 μm ; D90 : 40-45 μm

Forme des particules et morphologie de la surface

• Les particules hautement sphériques à surface lisse facilitent l'épandage de la poudre et permettent une meilleure densification.

Débit et densité apparente

• Le débit détermine la facilité d'étalement de la poudre pendant l'impression
• La densité apparente indique la densité de la poudre dans un volume fixe.
• Les valeurs dépendent de facteurs tels que la forme des particules, la distribution des tailles, la structure de la surface.
• Les poudres atomisées au gaz ont la plus grande fluidité et la plus grande densité d'empaquetage.

Densité du robinet

• Densité maximale obtenue après taraudage/agitation mécanique
• Une densité de taraudage plus élevée améliore la densité de la pièce finale

Rapport de Hausner

• Le rapport entre la densité de prise et la densité apparente
• Des rapports inférieurs à 1,1 indiquent une bonne fluidité.
• Des ratios plus élevés (~1,4) suggèrent une cohésion et un faible flux.

Oxydes résiduels et impuretés

• La pureté est essentielle, l'oxygène et l'azote peuvent provoquer des défauts de porosité.
• Les produits chimiques doivent être conformes aux spécifications de l'alliage
• L'atomisation par gaz, plasma et EIGA permet d'obtenir les poudres les plus propres

Microstructure interne

• Dépend de la composition, des taux de solidification pendant la production de la poudre
• Grains monophasés et équiaxes souhaités pour une fusion optimale des couches.
• Certains alliages créent intentionnellement des phases doubles pour obtenir des propriétés uniques.

Dureté des particules

• Influence la performance des pièces finies
• Le nombre pyramidal de Vicker (HV) utilisé pour quantifier
• Les particules dures résistent à la déformation lors de l'étalement de la poudre

Formation des satellites

• Les petites particules peuvent se lier à des particules plus grandes lors de la production de poudre.
• Les satellites peuvent influencer la formation d'un bassin de fusion pendant l'impression
• Les poudres atomisées au gaz ont peu de satellites

Chimie des surfaces

• Les groupes fonctionnels de surface influencent l'étalement et la fusion des poudres
• L'atmosphère et la température pendant la production ont un effet
• Le traitement inerte génère une chimie des poudres propre et exempte d'oxyde

Le maintien d'un contrôle de qualité rigoureux sur les caractéristiques de ces poudres est essentiel à la réussite d'une impression 3D de haute qualité.

Spécifications des poudres métalliques

Les fabricants d'imprimantes 3D et des organisations telles que ISO et ASTM ont normalisé les spécifications de la plupart des poudres d'impression métallique. Les paramètres typiques sont les suivants

Répartition par taille

• Valeurs D10, D50, D90 suivant les plages recommandées
• Contenu maximal du satellite < 1%

Conformité de la chimie

• Composition élémentaire conforme aux fourchettes de composition des alliages publiées
• Faibles niveaux d'oxygène et d'azote (<1000 ppm)
• Quantités résiduelles de carbone et de soufre en fonction de l'alliage

Densité apparente et densité à la prise

• Densité apparente 2,5-4,5 g/cm3
• Densité de prise jusqu'à 65% supérieure à la densité apparente

Débit

• Essai de débitmètre à effet Hall > 15 s/50 g

Teneur en eau

• L'humidité élevée provoque l'agglomération des poudres
• Teneur maximale en humidité < 0,02%

Oxydes de surface

• Les oxydes et les contaminants peuvent provoquer des défauts de porosité
• Imagerie SEM pour vérifier les surfaces des particules

Les fabricants de poudres réputés testent chaque lot et fournissent des données d'analyse complètes ainsi que des rapports MLS, des rapports de Hausner, des indices de Carr et des résultats de pycnomètre et de débitmètre de Hall afin de qualifier la poudre selon les normes établies.

Applications de la poudre d'impression sur métal

L'impression 3D de métaux transforme la production dans diverses industries. Les applications typiques sont les suivantes

Aérospatiale

• Composants de moteurs d'avions et de fusées - turbines, tuyères, systèmes de carburant
• Pièces structurelles de la cellule et du train d'atterrissage en titane, aluminium, Inconel
• Réduction significative du poids, consolidation des pièces, amélioration des performances

Médical et dentaire

• Implants de reconstruction articulaire (genoux, hanches, épaules)
• Implants dentaires, couronnes et bridges
• Plaques crâniennes, instruments chirurgicaux, guides et outils adaptés au patient
• Chrome cobalt, titane, acier inoxydable et alliages précieux biocompatibles

Automobile

• Pièces légères pour prototypes et voitures de série - châssis, groupe motopropulseur
• Outillage de refroidissement conforme pour le moulage par injection
• Gabarits et montages sur mesure pour les lignes d'assemblage
• Certification en cours pour les composants structurels en acier inoxydable

Fabrication industrielle

• Outillage métallique - moulage par injection, thermoformage, formage de tôles
• Matrices de presse et d'emboutissage en acier à outils trempé
• Les canaux de refroidissement conformes minimisent les temps de cycle des outils
• Exécution rapide de l'outillage de production à court terme

Pétrole et gaz

• Vannes, pompes et tuyaux en acier inoxydable et en Hastelloy pour la production
• Composants en Inconel résistants à la corrosion pour l'offshore
• Les canaux conformes minimisent les pertes de charge

Électronique grand public

• Boîtiers, boucliers, cadres en acier inoxydable ou en aluminium personnalisés
• Dispositifs de gestion thermique pour la dissipation de la chaleur
• Composants de blindage électromagnétique
• Bijoux de créateurs haut de gamme - or, argent, platine

Les techniques de fabrication rapide telles que l'impression 3D offrent des fonctionnalités, des performances et une liberté de conception qui changent la donne. Les propriétés uniques des poudres d'impression métallique permettent de produire des pièces prêtes à l'emploi dans presque toutes les industries.

Poudre d'impression métallique 3D Fournisseurs

La plupart des grands conglomérats de fabrication de métaux produisent désormais des poudres spécialisées pour la fabrication additive. Parmi les principaux fournisseurs mondiaux, on peut citer

Les fournisseurs réputés fournissent des données complètes sur la composition et les propriétés de leurs poudres, en s'appuyant sur une R&D intensive et un contrôle de qualité rigoureux. Nombre d'entre eux proposent également des services de développement d'alliages sur mesure. La logistique de la chaîne d'approvisionnement mondiale garantit une disponibilité fiable sur les principaux marchés.

Poudre d'impression métallique 3D Prix

Acier inoxydable 316L - $50-100 USD par kg

Acier maraging (qualité 300) - $100-200 USD par kg

Aluminium AlSi10Mg - $30-60 USD par kg

Titane Ti6Al4V (grade 5) - $200-400 USD par kg

Inconel 718 - $100-200 USD par kg

Chrome cobalt F75 - $100-250 USD par kg

Les prix varient en fonction de :

• Niveaux de pureté
• Répartition par taille
• Quantités minimales de commande
• Frais de développement d'alliages personnalisés
• Droits/taxes à l'importation

Avantages et inconvénients de l'impression 3D de métaux

Avantages

• Liberté de conception pour les géométries complexes
• Consolidation des pièces en composants uniques
• Réduction du poids grâce à l'optimisation de la topologie
• Assemblage réduit à partir de moins de composants
• Options d'alliage à haute résistance
• Intégration fonctionnelle - par exemple, canaux de refroidissement conformes
• Délai d'exécution rapide pour les itérations et la personnalisation
• Production à la demande de pièces de rechange obsolètes ou obsolètes
• Réduction des déchets de matériaux par rapport aux techniques soustractives

Limites

• Coûts des pièces plus élevés par rapport à la fabrication conventionnelle en grande série
• Capacité de dimensionnement limitée en fonction du volume de construction de l'équipement
• Une variété limitée d'options d'alliage actuellement certifiées et qualifiées
• Une précision dimensionnelle moindre et des finitions de surface plus fines nécessitent un usinage secondaire.
• Anisotropie mécanique : les propriétés varient en fonction de l'orientation du matériau.
• Le post-traitement, tel que le pressage isostatique à chaud, est nécessaire pour une consolidation complète de la densité.
• Absence de normes industrielles pour certaines applications

La gamme des métaux imprimables s'élargit de manière exponentielle, de même que la qualité et la répétabilité, à mesure que la technologie et la science des matériaux continuent de progresser rapidement.

FAQ

Quelle est la gamme de tailles de particules requise pour les poudres métalliques destinées à l'impression 3D ?

• La taille typique est comprise entre 15 et 45 microns
• Les courbes de distribution précisent les diamètres de particules D10, D50 et D90
• Les valeurs dépendent de la résolution de la couche souhaitée, mais elles sont généralement comprises entre 20 et 45 microns.

Quelle est la différence entre les poudres d'acier inoxydable 316L et 17-4PH ?

• Il s'agit d'alliages de fer, de chrome et de nickel. Le 316L présente une meilleure résistance à la corrosion.
• Le 17-4PH présente une résistance et une dureté plus élevées après le traitement thermique de durcissement par précipitation.
• Le 316L est de plus en plus utilisé dans les secteurs maritime, chimique et biomédical pour sa résistance à la corrosion.
• Le 17-4PH convient aux applications d'outillage nécessitant une résistance élevée à l'usure.

Pourquoi la forme est-elle importante pour les poudres d'impression métallique ?

• Les particules hautement sphériques ont un meilleur écoulement et une densité de tassement élevée.
• La morphologie lisse de la surface, sans satellites, garantit une fusion optimale.
• Les poudres atomisées au gaz permettent d'obtenir des impressions de qualité supérieure.

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