Impression 3D d'alliages d'aluminium
Table des matières
Les alliages d'aluminium pour l'impression 3D présentent plusieurs caractéristiques avantageuses telles qu'un rapport résistance/poids élevé, une excellente conductivité thermique et une résistance à la corrosion qui en font des matériaux appropriés pour les applications d'impression 3D dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, des biens de consommation et d'autres industries.
La fusion sélective par laser (SLM) et le frittage direct par laser (DMLS) sont les principaux procédés d'impression 3D utilisés pour les poudres d'alliage d'aluminium. Les particules de poudres sont fusionnées couche par couche à l'aide d'un laser haute puissance pour construire des géométries de composants complexes et personnalisables.
Types de Impression 3D d'alliages d'aluminium
| Alliage | Composition | Processus d'impression | Propriétés | Applications |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Aluminium (Al) + Silicium (Si) (10%) + Magnésium (Mg) | Fusion laser sur lit de poudre (LPBF) | - Bon équilibre entre résistance, ductilité et ténacité - Excellente soudabilité - Durcissement par vieillissement pour une résistance accrue | - Composants aérospatiaux (structures légères) - Pièces automobiles (supports, composants de moteur) - Emballages électroniques |
| AlSi7Mg (F357) | Aluminium (Al) + Silicium (Si) (7%) + Magnésium (Mg) | LPBF | - Propriétés similaires à celles de l'AlSi10Mg, mais résistance légèrement inférieure - Plus facile à imprimer en raison du point de fusion plus bas | - Applications générales nécessitant un bon rapport résistance/poids - Composants pour la manipulation des fluides - Supports et boîtiers |
| Al2139 | Aluminium (Al) + Cuivre (Cu) (4%) + Magnésium (Mg) | LPBF | - Haute résistance mécanique et résistance à la fatigue - Bonne usinabilité | - Composants aérospatiaux nécessitant une résistance élevée - Pièces automobiles (composants de suspension) |
| 6061 | Aluminium (Al) + Magnésium (Mg) (0,9%) + Silicium (Si) (0,6%) + Cuivre (Cu) (0,3%) | LPBF (limité), Binder Jetting (BJ) | - Excellente résistance à la corrosion - Bonne usinabilité et soudabilité - Résistance modérée | - Prototypes et pièces fonctionnelles nécessitant de bonnes propriétés générales - Composants architecturaux - Dissipateurs thermiques |
| 7075 | Aluminium (Al) + Zinc (Zn) (5,6%) + Magnésium (Mg) (2,5%) + Cuivre (Cu) (1,6%) | LPBF (limité), fusion par faisceau d'électrons (EBM) | - Rapport résistance/poids très élevé - Excellente résistance à l'usure - Non soudable | - Composants aérospatiaux nécessitant une résistance élevée et un faible poids - Articles de sport (cadres de bicyclettes, battes de baseball) |
| Scalmalloy | Aluminium (Al) + Scandium (Sc) (4%) + Magnésium (Mg) (6%) | LPBF | - Rapport résistance/poids exceptionnel, supérieur à 7075 - Excellente résistance à la corrosion - Haute résistance à la fissuration | - Composants aérospatiaux de haute performance - Applications de défense nécessitant un blindage léger |
Composition des Impression 3D d'alliages d'aluminium
| Désignation de l'alliage | Éléments d'alliage primaire | Éléments supplémentaires | Propriétés | Applications |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Silicium (10%) | Magnésium (0,3-0,5%) | * Excellente coulabilité (adaptée aux applications de moulage) * Bonne soudabilité * Haute résistance et ténacité * Bonne résistance à la corrosion | * Applications générales * Composants automobiles * Composants aérospatiaux (non critiques) * Supports et boîtiers * |
| AlSi7Mg (F357) | Silicium (7%) | Magnésium (0,3-0,5%) | * Propriétés similaires à celles de l'AlSi10Mg, mais résistance légèrement inférieure * Excellente coulabilité * Bonne soudabilité * Bonne résistance à la corrosion | * Applications similaires à l'AlSi10Mg, souvent utilisées lorsqu'un poids légèrement inférieur est souhaité * Composants de moteur * Composants de traitement des fluides |
| AlSi12 | Silicium (12%) | * Résistance élevée et résistance à l'usure * Bonne coulabilité * Soudabilité modérée * Résistance à la corrosion inférieure à celle de l'AlSi10Mg et du F357 | * Plaques d'usure * Engrenages * Applications de moulage au sable (souvent utilisées comme point de départ pour les pièces imprimées en 3D en raison de la familiarité avec le matériau) | |
| Scalmalloy | Scandium (4.0-4.4%) | Magnésium (0,3-0,5%) | * Rapport résistance/poids exceptionnel * Excellente résistance à la corrosion * Bonne soudabilité * Nécessite un traitement thermique pour des propriétés optimales | * Composants aérospatiaux (haute performance) * Composants automobiles (poids critique) * Applications de défense |
| EOS Aluminium Al2139 AM | Non divulgué publiquement (probablement Aluminium-Magnésium-Silicium) | * Développé spécifiquement pour la fabrication additive * Bonne résistance à des températures élevées (jusqu'à 200°C) * Processabilité améliorée par rapport aux alliages de fonderie standard * Requiert un traitement thermique pour des propriétés optimales | * Composants aérospatiaux nécessitant des performances à haute température * Composants automobiles * Composants d'échangeurs de chaleur |
Caractéristiques de l'aluminium imprimable en 3D
| Attribut | Détails |
|---|---|
| Finition de la surface | L'adhérence de la poudre peut laisser un profil de surface semi-rugueux et en escalier. |
| Précision | Il est généralement possible d'obtenir une grande précision dimensionnelle jusqu'à ±0,1%. |
| Anisotropie | Propriétés mécaniques directionnellement plus faibles observées |
| Porosité | Porosité <1% obtenue avec des paramètres SLM optimisés |
| Flexibilité de l'alliage | Nombreuses qualités 2xxx, 5xxx, 6xxx et 7xxx imprimables |
Applications de Impression 3D d'alliages d'aluminium
| L'industrie | Applications typiques |
|---|---|
| Aérospatiale | Conduits d'aéronefs, échangeurs de chaleur, supports structurels |
| Automobile | Supports personnalisés, supports, dissipateurs thermiques, outillage |
| Architecture | Panneaux légers, treillis décoratifs, petites sculptures |
| Médical | Firmware comme les instruments chirurgicaux, les implants |
| Électronique | Dispositifs de dissipation de la chaleur tels que les dissipateurs thermiques |
| Défense | Pièces à faible volume avec des délais de livraison réduits |
Spécifications des poudres d'aluminium pour la fabrication additive
| Paramètres | Type/plage |
|---|---|
| Matériaux | AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6, AlSi12, AlSi9Cu3 |
| Taille des particules | 25 à 65 microns |
| Forme des particules | Principalement sphérique, quelques satellites autorisés |
| Densité apparente | Environ 2,67 g/cc |
| Débit | <30 s/50 g selon ASTM B964 |
| Oxygène résiduel | <0,4% pour une résistance élevée à la traction |
Principaux fournisseurs de Impression 3D d'alliages d'aluminium
| Fournisseur | Spécialité | Produits clés | Applications | Services complémentaires |
|---|---|---|---|---|
| Elementum 3D | Poudres innovantes | Poudres d'alliage d'aluminium atomisées au gaz, y compris les variantes traditionnelles et renforcées par dispersion | Aérospatiale, automobile, défense | Développement de matériaux, ingénierie d'application, optimisation des paramètres d'impression |
| APWorks | Alliages haute performance | Alliage aluminium-silicium-magnésium (AlSiMg) modulable pour la fusion par faisceau laser (LBM) | Composants automobiles, robotique, machines industrielles | Conception pour la fabrication additive (DFAM) : conseils, services de post-traitement |
| Solutions SLM | Fabricant établi | Alliages d'aluminium optimisés pour le procédé de fusion sélective par laser (SLM), y compris AlSi10Mg et Scalmalloy | Implants médicaux, composants aérospatiaux, échangeurs de chaleur | Vente et assistance de machines, développement de paramètres pour des alliages spécifiques |
| EOS GmbH | Compatibilité multi-processus | Alliages d'aluminium compatibles avec les technologies de fusion par faisceau laser (LBM) et de fusion par faisceau d'électrons (EBM) | Pièces pour l'aérospatiale, électronique grand public, appareils médicaux | Conseils sur le choix des machines et l'optimisation des processus, programmes de formation |
| Höganäs | Expertise en matière de poudres métalliques | Poudres d'aluminium atomisées par gaz avec contrôle étroit de la taille et de la morphologie | Échangeurs de chaleur, composants automobiles, boîtiers électroniques | Caractérisation et essais des poudres, collaboration au développement de nouveaux alliages |
| Alliage royal | Portefeuille d'alliages diversifié | Large gamme de poudres d'alliage d'aluminium, y compris des ajouts de scandium et de lithium pour des performances accrues | Composants aérospatiaux, applications de défense, dissipateurs thermiques à haute performance | Conseils pour la sélection des matériaux, essais d'imprimabilité, développement de poudres sur mesure |
| Norsk Hydro | Production durable | Poudres d'alliage d'aluminium produites dans le respect de l'environnement | Pièces automobiles, composants architecturaux, électronique grand public | Données d'analyse du cycle de vie (ACV) des matériaux, soutien aux pratiques de fabrication durables |
| ExOne | Technologie de projection de liant | Alliages d'aluminium spécifiquement formulés pour la fabrication additive par jet de liant (BJAM) | Prototypes automobiles, moules de moulage en sable, outillage industriel | Services de conception pour la fabrication additive (DFAM), expertise de post-traitement pour les pièces BJAM |
| DMG Mori Seiki | Solutions intégrées | Poudres d'alliage d'aluminium pour les imprimantes 3D compatibles avec les métaux | Outillage et moules, implants médicaux, composants aérospatiaux | Vente et service de machines, formation sur les flux de travail de la fabrication additive métallique |
| Fabrication additive Carpenter | Alliages spéciaux | Alliages d'aluminium présentant un rapport résistance/poids élevé et une meilleure résistance à la corrosion | Composants marins, équipements pétroliers et gaziers, applications de traitement chimique | Aide à la sélection des matériaux, services d'ingénierie d'application, assistance au prototypage |
Avantages et inconvénients de l'aluminium imprimé en 3D
| Fonctionnalité | Pour | Cons |
|---|---|---|
| Liberté de conception | Une complexité inégalée : Permet d'obtenir des structures en treillis complexes, des canaux internes et des caractéristiques d'allègement impossibles à réaliser avec les méthodes traditionnelles. Permet aux concepteurs de repousser les limites et de créer des pièces très performantes. Prototypage rapide : Permet une itération et un test rapides des conceptions, réduisant ainsi le temps et le coût de développement. | Structures de soutien : Les géométries complexes nécessitent souvent des structures de support complexes, ce qui augmente le temps de post-traitement et peut créer des textures de surface indésirables. |
| Propriétés des matériaux | Excellent rapport résistance/poids : L'aluminium offre un bon équilibre entre poids et résistance, ce qui le rend idéal pour des applications telles que l'aérospatiale et l'automobile, où la réduction du poids est cruciale. Résistance à la corrosion : De nombreux alliages d'aluminium présentent une excellente résistance à la corrosion, ce qui est particulièrement utile pour les pièces exposées à des environnements difficiles. | Anisotropie : La nature stratifiée de l'impression 3D peut conduire à des propriétés anisotropes, ce qui signifie que la résistance du matériau peut varier en fonction du sens d'impression. Cela peut nécessiter des ajustements de conception pour certaines applications. Porosité : Selon le processus d'impression, de petits vides ou pores peuvent être présents dans le matériau, ce qui peut avoir un impact sur les propriétés mécaniques. Des techniques de post-traitement telles que le pressage isostatique à chaud (HIP) peuvent atténuer ce phénomène. |
| Fabrication | Réduction des délais d'exécution : L'impression 3D permet une production à la demande, éliminant le besoin d'un outillage complexe et minimisant les délais pour les prototypes ou les pièces de faible volume. Déchets minimaux de matériaux : La nature additive de l'impression 3D réduit considérablement le gaspillage de matériaux par rapport aux méthodes de fabrication soustractives traditionnelles. | Coût élevé : La technologie et l'équipement nécessaires à l'impression 3D de l'aluminium sont encore relativement coûteux, ce qui les rend moins rentables pour la production en grande quantité que les méthodes traditionnelles. Temps de construction : L'impression de pièces métalliques complexes peut prendre du temps et avoir un impact sur la vitesse de production globale. |
| Post-traitement | Finition de la surface : Bien que certaines technologies d'impression 3D offrent de bons états de surface, la rugosité est un problème courant. Des techniques de post-traitement telles que l'usinage, le polissage ou le sablage peuvent s'avérer nécessaires pour certaines applications. Traitement thermique : Des alliages d'aluminium spécifiques peuvent nécessiter un traitement thermique après l'impression pour obtenir des propriétés mécaniques optimales. | Coûts et délais supplémentaires : Le post-traitement augmente le temps de production global et le coût de la pièce. |
| Applications | Aérospatiale : La capacité de créer des composants légers et très résistants avec des géométries complexes rend l'aluminium imprimé en 3D idéal pour les applications aérospatiales telles que les échangeurs de chaleur, les supports et les composants structurels. Automobile : La réduction du poids est une préoccupation majeure dans l'industrie automobile. Les composants en aluminium imprimés en 3D peuvent être utilisés pour des pièces telles que les roues, les composants du moteur et les structures légères du châssis. Médical : Les alliages d'aluminium biocompatibles peuvent être utilisés pour créer des prothèses et des implants sur mesure. | Applications limitées pour les composants soumis à des contraintes élevées : En raison de l'anisotropie et de la porosité potentielles, l'aluminium imprimé en 3D peut ne pas convenir à toutes les applications soumises à des contraintes élevées. Une conception soignée et une sélection rigoureuse des matériaux sont cruciales. |
FAQ
Q : Quel est l'alliage d'aluminium le mieux adapté à la fabrication additive ?
R : AlSi10Mg est l'alliage d'aluminium le plus largement adopté, offrant une bonne combinaison de fluidité, de solidité, de dureté et de résistance à la corrosion, ainsi qu'une compatibilité avec diverses imprimantes.
Q : L'orientation de la construction affecte-t-elle les propriétés des composants en aluminium imprimés en 3D ?
R : Oui, la construction verticale peut présenter des résistances à la traction et à l'élasticité inférieures à celles des pièces construites horizontalement, en raison de la construction couche par couche. Les performances mécaniques varient également en fonction de la charge parallèle ou perpendiculaire aux couches.
Q : Quels traitements thermiques de mise en solution peuvent améliorer les propriétés de l'aluminium ?
R : Le traitement thermique T6 (solubilisation puis durcissement artificiel) de certains alliages fabriqués de manière additive, comme l'AlSi10Mg, peut augmenter de manière significative la résistance à la traction, la dureté et la ductilité par rapport à l'état de construction.
Q : Comment les finitions de surface sont-elles améliorées pour les pièces en aluminium fabriquées de manière additive ?
R : Diverses procédures de finition telles que le sablage, le microbillage, le polissage au laser, l'usinage CNC, le meulage ou le lignage peuvent contribuer à adoucir les contours en escalier généralement observés sur les surfaces d'aluminium telles qu'elles ont été construites à partir d'une impression à base de poudre.
Q : La réutilisation de la poudre d'aluminium affecte-t-elle les propriétés des pièces imprimées en 3D ?
R : Le recyclage de la poudre d'aluminium jusqu'à 10-20 fois n'a généralement pas d'impact sur les performances mécaniques. Mais au-delà d'environ 25 cycles de réutilisation, la diminution de la fluidité de la poudre, la baisse de la densité et l'augmentation des impuretés d'oxygène et de nitrure peuvent commencer à détériorer la qualité et la résistance du matériau.
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