fabrication additive poudre métallique

Fabrication additiveégalement connue sous le nom d'impression 3D, révolutionne la production dans tous les secteurs. L'un des matériaux clés qui rend cela possible est la poudre de métal. La fabrication additive poursuivant sa croissance rapide, il est essentiel de comprendre les poudres métalliques.

Lorsque l'on parle d'impression 3D en métal, il est facile de se concentrer sur les imprimantes époustouflantes. Pourtant, rien de tout cela ne fonctionne sans une poudre métallique de haute qualité ! Cette poudre sert d'"encre" pour l'impression de pièces métalliques complexes, couche par couche.

Mais qu'est-ce qui fait une bonne poudre métallique ? Quels sont les types utilisés aujourd'hui ? Et pourquoi est-ce important ? Ce guide examine en profondeur tout ce que vous devez savoir.

Poudre métallique 101

Tout d'abord, qu'est-ce que la poudre de métal ? En termes simples, il s'agit d'un matériau métallique fin sous forme de poudre utilisé comme matière première de base pour l'impression 3D de composants métalliques.

Je sais ce que vous pensez peut-être... la poudre de métal ressemble plus à une expérience de chimie qu'à un matériau d'ingénierie ! Mais la taille et la consistance des particules ne sont pas le fruit du hasard. Les poudres métalliques destinées à l'AM sont soigneusement conçues pour répondre à des spécifications strictes.

Cela confère aux impressions l'intégrité matérielle nécessaire pour obtenir des pièces robustes dans le monde réel. Décodons maintenant les caractéristiques critiques qui distinguent les poudres d'impression métallique de qualité.

Fabrication additive Types de poudres métalliques

De nombreux métaux et alliages peuvent être convertis en poudres fines et uniformes pour la fabrication additive. Mais jusqu'à présent, seuls certains d'entre eux ont trouvé une utilisation courante.

Voici un aperçu des poudres métalliques les plus courantes dans l'impression 3D aujourd'hui :

Le titane et l'aluminium sont très utilisés dans l'aérospatiale et l'automobile, où les économies de poids sont importantes. L'acier inoxydable couvre une large gamme d'applications nécessitant de bonnes propriétés physiques. Les alliages exotiques tels que le chrome cobalt et les alliages de nickel sont utilisés dans des applications médicales spécialisées ou à haute température. Les aciers à outils sont idéaux pour l'outillage industriel, les moules et les matrices nécessitant une grande résistance à l'usure après traitement thermique.

Voyons maintenant plus en détail les spécificités de la métallurgie des poudres !

Composition des poudres métalliques

Comme nous l'avons vu précédemment, les poudres métalliques contiennent des métaux de base purs ou des alliages métalliques sous forme de très fines particules sphériques. Qu'en est-il de la composition des particules ? En général, les poudres se répartissent en plusieurs catégories :

• Préalliages : Particules homogènes avec une chimie interne uniforme dans chaque grain de poudre
• Alliages mélangés : Mélanges physiques de différentes poudres de métaux purs dans des proportions spécifiques afin d'obtenir une chimie de masse souhaitée après l'impression
• Alliages hybrides : Les particules contiennent des sections d'un métal ou d'un alliage mélangées à des sections d'une autre composition dans chaque grain de poudre.

Les pré-alliages garantissent la cohérence puisque chaque particule a des propriétés identiques. Toutefois, les alliages mélangés offrent une plus grande flexibilité pour créer des matériaux personnalisés. En réalité, la plupart des poudres d'impression métallique utilisées aujourd'hui sont des pré-alliages. Mais les poudres mélangées et hybrides ajoutent des capacités uniques.

Principales caractéristiques des poudres métalliques

Passons maintenant aux choses sérieuses ! Qu'est-ce qui fait qu'une poudre métallique est adaptée à l'impression 3D ? Il s'avère que les caractéristiques de la poudre sont vraiment importantes, que ce soit pour la fusion sur lit de poudre ou l'impression par dépôt d'énergie dirigée. Voici les plus importantes :

Taille des particules : La poudre de métal brut commence autour de 1-100 microns, puis est classée dans des gammes de tailles inférieures à 45 microns pour assurer la compatibilité avec l'AM. Les bandes les plus courantes sont 0-10, 10-45 ou 10-30 microns.

Forme des particules : Les particules sphériques et fluides s'impriment mieux que les paillettes irrégulières. Les poudres doivent présenter un bon débit sans se coller les unes aux autres.

Distribution de la taille des particules : Une distribution étroite avec un minimum de satellites et de fines garantit des impressions homogènes. Les normes prévoient des courbes gaussiennes avec 95% entre les tailles les plus petites et les plus grandes.

Densité apparente : Les densités supérieures à 50% de la densité solide d'un matériau s'impriment mieux en raison de la physique du lit de poudre. Les valeurs varient largement entre 30 et 80% en fonction de la composition.

Densité du robinet : Test mesurant le changement de densité sous l'effet des vibrations. Une densité élevée supérieure à 65% indique un meilleur conditionnement et un meilleur étalement.

Débit : Indicateur clé de l'étalement de la poudre sur une échelle de 1 (très cohésif) à 10 (écoulement libre). La plupart des poudres métalliques AM se situent entre 3 et 6, la valeur la plus élevée étant la meilleure.

Il existe des mesures plus avancées telles que le rapport de Hausner, l'indice de Carr et la densité de Scott, utilisées pour caractériser l'écoulement et les interactions interparticulaires qui influencent la qualité. Mais que faire de toutes ces statistiques cryptiques sur les poudres ? Voyons maintenant comment ces propriétés se traduisent par une meilleure impression des métaux dans le monde réel.

L'importance des propriétés des poudres métalliques

À première vue, l'importance de toutes ces caractéristiques des poudres granuleuses n'est peut-être pas évidente. Après tout, ce ne sont pas les nouvelles imprimantes rutilantes qui font tout le travail ?

En bref, la poudre a plus d'importance que vous ne le pensez ! Voici pourquoi :

• L'étalement de la poudre à l'intérieur des imprimantes dépend de la dynamique de l'écoulement et du comportement de l'emballage. Des particules qui s'étalent bien et se tassent densément permettent d'obtenir des couches d'impression plus fines pour une précision et des finitions de surface plus élevées.
• La taille des particules influe directement sur la résolution minimale des caractéristiques. Les particules plus petites, de l'ordre de 10 microns, gèrent mieux les détails complexes. Les nanopoudres ultrafines, inférieures à 1 micron, peuvent produire des résolutions extrêmement élevées.
• La distribution uniforme de la taille des particules empêche les défauts tels que la porosité ou la fissuration dus à la ségrégation des particules, qui interfèrent avec les impressions denses.
• Les particules sphériques fusionnent mieux entre les couches d'impression, car elles se tassent et fondent uniformément lors de l'exposition au laser ou au faisceau d'électrons pendant l'impression.
• La densité apparente indique la quantité de matière solide contenue dans un certain volume de poudre. Plus la densité est élevée, plus le contenu métallique réel entre en jeu lors de l'impression.

En d'autres termes, une poudre de qualité se traduit par des impressions de qualité ! Voyons maintenant comment sont produites des poudres dont les propriétés sont intentionnellement adaptées à la fabrication additive.

Production de poudres métalliques

Transformer des matières premières en poudres sphériques de précision de moins de 45 microns est un art et une science en soi. Les techniques de production de poudres spécialisées pour l'AM des métaux sont les suivantes :

• Atomisation du gaz : Souffler un flux d'alliage métallique fondu avec un gaz inerte à haute pression pour le briser en fines gouttelettes qui se solidifient en poudre. La méthode la plus courante permet d'obtenir de petites particules sphériques idéales pour l'impression.
• Vaporisation de l'eau : Utilisation d'un jet d'eau pour pulvériser le métal fondu en poudre. Moins coûteux mais limité aux matériaux réactifs comme le titane ou l'aluminium.
• Atomisation par plasma : Utiliser la torche à plasma pour atomiser des alliages dont le point de fusion est extrêmement élevé et qui ne peuvent être atomisés au moyen de gaz.
• Fusion par induction de l'électrode : Fusion et évaporation répétées de l'extrémité d'une tige métallique sous atmosphère inerte, permettant aux gouttelettes de se solidifier en poudre. Source d'alliages de niche à moindre coût.
• Attrition mécanique : Broyer physiquement la matière première métallique sous forme de poudre par broyage à billes ou par d'autres méthodes de pulvérisation. Cette méthode est la moins utilisée en raison de la forme non sphérique des particules.
• Électrolyse : Extraction électrique de métaux réactifs purs tels que le titane à partir de sels fondus sous forme de poudre. Source de poudres d'impression réactives spécialisées.
• Réduction chimique : Produire des poudres métalliques comme le nickel par des réactions chimiques et par précipitation à partir de solutions aqueuses.

Le tableau ci-dessous compare chaque technique moderne de production de poudre en un coup d'œil :

Après avoir passé en revue les méthodes de fabrication des poudres, examinons maintenant le paysage des poudres métalliques commerciales conçues spécifiquement pour la fabrication additive.

Fournisseurs de poudres métalliques

Un grand nombre de fournisseurs professionnels proposent aujourd'hui une gamme croissante de poudres métalliques AM spécialisées. La qualité peut toutefois varier considérablement d'un fournisseur à l'autre.

Lors de l'évaluation des sources de poudre métallique, les avantages à prendre en compte vont au-delà des spécifications de base :

• Production de poudres intégrée verticalement en interne pour le contrôle de la qualité
• Gamme de matériaux disponibles, y compris des alliages sur mesure
• Recherche et développement de nouveaux alliages non disponibles ailleurs
• Production de lots personnalisés à l'échelle ou mélange à la demande
• Services d'essais de poudres et capacités d'échantillonnage
• Options de stockage et de transport sécurisés
• Programmes de rachat ou de recyclage

En gardant ces conseils à l'esprit, vous trouverez ci-dessous les principaux fournisseurs mondiaux de poudres métalliques de qualité professionnelle pour l'AM :

Si les principaux fournisseurs mondiaux sont couverts, de petites entreprises spécialisées dans la fabrication de poudres se développent également. Elles se concentrent souvent sur des alliages très spécialisés utilisant des techniques de fabrication spéciales qui ne sont pas disponibles auprès des grands fournisseurs.

De grandes entreprises de matériaux comme Aubert & Duval, GKN Powder Metallurgy, Rio Tinto Metal Powders et d'autres soutiennent également l'AM. Renseignez-vous également au niveau local, car les magasins régionaux se développent. La chaîne d'approvisionnement en poudres métalliques a de quoi satisfaire tout le monde !

Coûts des poudres métalliques

Nous avons passé en revue une série de poudres métalliques avancées conçues pour l'impression. Mais quel est le coût réel d'une poudre de qualité AM ? Voici quelques chiffres approximatifs :

• Acier inoxydable 316L : $50-120 par kg
• Aluminium AlSi10Mg : $70-150 par kg
• Titane Ti64 : $200-500 par kg
• Inconel 718 : $80-220 par kg
• Chrome cobalt : $130-350 par kg
• Acier à outils H13 : $50-150 par kg

Bien entendu, les prix du marché fluctuent en fonction de l'offre et de la demande. Mais attendez-vous à payer un supplément pour la consistance de l'impression par rapport aux poudres métalliques brutes utilisées dans la métallurgie des poudres traditionnelle par pressage et frittage. Vous en avez pour votre argent !

Normes relatives aux poudres métalliques

Les normes jouent un rôle important dans la mesure où les propriétés des poudres sont essentielles pour la fabrication additive. Des groupes comme ASTM International, ISO et ASME publient une liste croissante de spécifications pour les poudres métalliques :

• ASTM F3049 : Guide standard pour la caractérisation des poudres métalliques utilisées pour l'AM
• ASTM F3056 : Spécification pour les poudres d'alliage de nickel pour la fabrication additive
• ASTM F3301 : Spécification pour les poudres d'acier inoxydable pour la fabrication additive
• ISO/ASTM 52921 : Terminologie standard pour la fusion sur lit de poudre AM
• ISO/ASTM TS 52900 : Fabrication additive - Principes généraux - Exigences pour les pièces AM achetées
• ASME MSFC-Spec-3717 : Spécification pour la poudre d'alliage de titane atomisée au gaz

Ces documents fournissent des méthodes d'essai et des critères d'acceptation cohérents pour les propriétés critiques des poudres. Les normes continuent d'évoluer et d'autres matériaux et processus sont à l'horizon. Mais elles établissent déjà les bases de la qualité et de la cohérence.

Stockage et manipulation des poudres métalliques

Les poudres métalliques peuvent être réactives, c'est pourquoi un stockage et une manipulation appropriés permettent d'éviter toute dégradation avant l'impression. Voici quelques mesures clés :

• Stocker dans des conteneurs scellés sous atmosphère inerte d'argon ou d'azote.
• Utiliser des récipients non réactifs comme l'acier inoxydable plutôt que le plastique.
• Limiter les températures extrêmes pendant le transport et le stockage
• S'assurer que les conteneurs sont dotés de mécanismes de mise à la terre
• Éviter l'humiditéVISIBLE qui provoque la formation de grumeaux et l'oxydation.
• Manipuler à l'intérieur d'atmosphères non oxygénées, comme les boîtes à gants.
• Utiliser des mesures de contrôle des risques car les poudres peuvent s'enflammer avec l'air.

Des équipements de protection spécifiques à la tâche, tels que des gants, des vêtements et des masques dissipateurs d'électricité statique, assurent la sécurité des manipulateurs. Des salles ou des conteneurs conformes aux normes relatives aux matières de production dangereuses (HPM) offrent des zones sécurisées de stockage des poudres sur site avant le chargement des imprimantes.

Traiter les poudres métalliques avec soin permet d'obtenir des taux de réutilisation élevés et de réduire les déchets !

Recyclage des poudres métalliques

La réutilisation de la poudre usagée après l'impression présente d'énormes avantages économiques et environnementaux. Les systèmes de collecte filtrent et mélangent la poudre usagée avec les stocks frais pour qu'elle entre à nouveau dans la production.

Étant donné que la poudre métallique représente jusqu'à 30-50% du coût des pièces dans le domaine de l'AM, le recyclage permet de réaliser d'importantes économies. Voici quelques bonnes pratiques :

• Utiliser des systèmes d'aspiration intégrés sur les imprimantes pour collecter l'overspray
• Tamiser la poudre utilisée pour éliminer les grosses impuretés telles que les éclaboussures.
• Mélanger des poudres recyclées dans des proportions contrôlées avec des stocks vierges
• Effectuer des contrôles de qualité sur les mélanges recyclés en vue de la viabilité de la réutilisation
• Rechercher des rendements décroissants après plusieurs cycles de réutilisation
• Raffiner chimiquement ou réatomiser la poudre dégradée si nécessaire

En tant que fabrication additive Si le secteur de l'impression 3D continue de connaître une expansion explosive, le recyclage des poudres métalliques est crucial pour la croissance. Il s'agit d'un pilier essentiel de la durabilité de l'industrie de l'impression 3D pour l'avenir.

L'avenir du développement des poudres métalliques

Les poudres métalliques ont permis la révolution de l'impression 3D. Et les progrès continus en matière de poudres soutiendront également les applications de nouvelle génération. Les domaines qui font l'objet d'une R&D active aujourd'hui sont les suivants

• Nouveaux alliages : De nouvelles chimies étendent les propriétés des matériaux au-delà de la métallurgie conventionnelle
• Poudres nanométriques : Particules ultrafines de l'ordre du micron pour une résolution extrême
• Poudres hybrides : Mélanges composites métal/céramique/polymère aux qualités améliorées
• Modification de la poudre : Revêtements et traitements pour améliorer l'écoulement ou la réactivité
• Caractérisation : Amélioration de la métrologie et des essais pour le contrôle de la qualité
• Recyclage : Augmentation des capacités de réutilisation et de récupération

Qu'il s'agisse de minuscules start-ups ou des plus grandes entreprises de matériaux, des investissements massifs continuent d'améliorer les poudres AM. Cela signifie que des applications d'impression plus performantes exploitant ces poudres se profilent à l'horizon !

FAQ

Quel est le principal avantage des poudres métalliques AM par rapport aux poudres métalliques conventionnelles ?

Les poudres AM se concentrent sur des caractéristiques telles que la forme des particules, la distribution des tailles et les propriétés d'écoulement pour permettre l'impression plutôt que la simple composition pour une utilisation en presse et frittage.

Comment les poudres métalliques AM sont-elles rendues sphériques avec des distributions de taille serrées ?

L'atomisation par gaz et plasma d'alliages fondus dans des conditions soigneusement contrôlées permet d'obtenir une consistance précise des particules.

Les pièces métalliques fabriquées additivement doivent-elles toujours subir un post-traitement avant d'être utilisées ? Qu'est-ce que cela implique ?

Les post-traitements tels que le pressage isostatique à chaud (HIP) et le traitement thermique densifient les impressions et améliorent les propriétés mécaniques en modifiant les microstructures. La finition de la surface est également souvent nécessaire.

Quelles sont les poudres d'alliages métalliques couramment utilisées dans les applications d'impression biomédicale et pourquoi ?

Les poudres de titane et de chrome cobalt sont très répandues en raison de leur excellente biocompatibilité. L'acier inoxydable est également utilisé lorsque le coût est important, par exemple pour les instruments chirurgicaux.

Combien pèse un conteneur de poudre d'impression métallique courante comme l'AlSi10Mg ou l'acier inoxydable 316L ? Et comment est-il expédié ?

Les conteneurs sont généralement expédiés par charges de 10 à 30 kg sur des palettes sous une atmosphère protectrice telle que l'argon. Les petits échantillons peuvent être expédiés dans des sacs scellés sous vide. Respectez toujours les mesures de sécurité !

en savoir plus sur les procédés d'impression 3D