Fabrication additive de poudres métalliques : Vue d'ensemble

Fabrication additiveL'impression 3D utilise des poudres métalliques comme matière première pour construire des pièces et des produits métalliques couche par couche. Les propriétés et les caractéristiques de la poudre métallique ont un impact significatif sur la qualité, les propriétés mécaniques, la précision et les performances des composants métalliques imprimés en 3D. Cet article présente une vue d'ensemble des poudres métalliques pour la fabrication additive.

Types de poudres métalliques pour la fabrication additive

Il existe différents types de métaux et d'alliages disponibles sous forme de poudre pour les technologies d'impression 3D. Les poudres métalliques les plus couramment utilisées sont les suivantes

Types de poudres métalliques pour la fabrication additive

La forme des particules, la distribution des tailles, les caractéristiques d'écoulement et la microstructure de la poudre métallique peuvent varier considérablement en fonction de la méthode de production. Cela affecte la densité d'empaquetage, l'étalement et le comportement de frittage pendant l'impression 3D.

Méthodes de production des poudres métalliques

Plusieurs techniques de production sont utilisées pour fabriquer des poudres métalliques destinées à la fabrication additive :

Méthodes de production de poudre métallique

L'atomisation au gaz et l'atomisation à l'eau sont les méthodes les plus courantes pour produire des poudres fines destinées aux procédés d'impression 3D par fusion sur lit de poudre. La technique de production de la poudre influence la composition, la forme des particules, la porosité, les caractéristiques d'écoulement, la microstructure et le coût de la poudre métallique.

Propriétés et caractéristiques des poudres métalliques

Les propriétés des poudres métalliques utilisées dans la fabrication additive jouent un rôle essentiel dans la détermination de la qualité de la pièce finale, des propriétés mécaniques, de la précision, de l'état de surface et des performances. Voici quelques-unes des principales caractéristiques :

Propriétés des poudres métalliques pour la fabrication additive

Le respect des exigences rigoureuses concernant les caractéristiques de ces poudres est essentiel pour obtenir une densité élevée, de bonnes propriétés mécaniques et une bonne qualité pour les composants fabriqués de manière additive.

Spécifications des poudres métalliques

Les poudres métalliques utilisées dans la fabrication additive doivent répondre à certaines spécifications en termes de composition, de distribution granulométrique, de débit, de densité apparente et de microstructure. Les spécifications les plus courantes en matière de poudres métalliques sont les suivantes :

Spécifications typiques des poudres métalliques pour la fabrication additive

La distribution des tailles est critique, avec des tailles de particules D10, D50 et D90 courantes entre 5 et 100 microns. Des distributions plus serrées améliorent la densité et la résolution du lit de poudre. Les normes telles que ASTM F3049, F3301 et ISO/ASTM 52921 spécifient des règles strictes pour les charges d'alimentation en poudre métallique utilisées dans la fabrication additive.

Applications des poudres métalliques dans la fabrication additive

Les poudres métalliques sont utilisées dans diverses technologies de fabrication additive pour imprimer des pièces métalliques fonctionnelles dans divers secteurs :

Applications de la poudre métallique dans la fabrication additive

La fabrication additive avec des poudres métalliques est idéale pour produire des composants complexes et personnalisés avec des propriétés mécaniques améliorées et des formes impossibles à obtenir avec la fabrication conventionnelle. La gamme croissante d'alliages métalliques disponibles continue d'accroître les applications dans toutes les industries.

Analyse des coûts de Poudres métalliques

Le type de poudre métallique et la qualité requise ont un impact significatif sur le coût du matériau dans la fabrication additive. Voici quelques exemples de coûts de poudres métalliques typiques :

Fourchettes de prix des poudres métalliques pour la fabrication additive

Les prix varient en fonction de la composition de l'alliage, des caractéristiques des particules, de la qualité de la poudre et du volume d'achat. La réduction des déchets de matériaux par le recyclage des poudres inutilisées peut améliorer la rentabilité de l'impression avec des alliages coûteux.

Ventilation détaillée des prix pour les poudres métalliques

Les coûts associés aux poudres métalliques peuvent représenter une part importante des dépenses globales de la fabrication additive. Cette section fournit plus de détails sur les fourchettes de prix actuelles pour les différents alliages métalliques :

Prix de la poudre d'alliage de titane

L'alliage Ti-6Al-4V le plus couramment utilisé pour les applications aérospatiales coûte entre $250-500/kg. Les alliages de titane plus avancés peuvent coûter plus de $800/kg.

Prix des poudres d'alliage d'aluminium

Les alliages d'aluminium sont généralement vendus à $80-150/kg, les compositions spécialisées et les poudres nano-renforcées étant vendues au prix fort de $250-500/kg.

Prix des poudres d'alliage de nickel

Les superalliages au nickel varient de $120-800/kg en fonction de la composition de l'alliage, des caractéristiques des particules et des volumes de commandes en vrac.

Les métaux précieux utilisés pour la bijouterie et les dispositifs médicaux atteignent des prix très élevés, de $1500-3000/kg pour l'or, l'argent et les alliages de platine.

La compréhension des niveaux de prix actuels des alliages les plus courants permet de sélectionner en connaissance de cause des matériaux rentables pour des applications spécifiques.

Prix de la poudre d'acier inoxydable

Les poudres d'acier inoxydable varient de $30-200/kg en fonction de la qualité. Les alliages plus spécialisés et les compositions répondant à des spécifications plus strictes coûtent plus cher.

Prix des poudres d'acier à outils

Les prix des poudres d'acier à outils varient de $80-250/kg en fonction de la dureté, de la composition de l'alliage et des caractéristiques des particules.

Prix de la poudre d'alliage de cuivre

Les poudres de cuivre et d'alliage de cuivre utilisées pour leurs propriétés thermiques et électriques sont $50-150/kg.

Prix des poudres d'alliage cobalt-chrome

Les alliages de cobalt-chrome de qualité médicale varient de $170 à 300/kg en fonction de la composition et des caractéristiques des particules.

Dans l'ensemble, les prix des poudres métalliques varient considérablement en fonction de l'alliage, de la méthode de production, de la qualité et du volume de commande. Mais la compréhension des prix actuels du marché fournit des indications utiles lors de la conception des produits et de la sélection des matériaux pour la fabrication additive.

Dans la fabrication additive, il existe deux approches principales qui utilisent des poudres métalliques : les procédés de fusion sur lit de poudre et les procédés de dépôt par énergie dirigée. Cette section compare les différentes exigences et caractéristiques des poudres entre les approches par lit de poudre et par poudre soufflée.

Procédés de fusion sur lit de poudre

Dans les procédés de fusion sur lit de poudre tels que le frittage sélectif par laser (SLS) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM), la poudre métallique est étalée en fines couches sur une plaque de fabrication et fondue sélectivement par une source de chaleur, couche par couche, pour fabriquer une pièce. Les principales différences entre les propriétés des poudres sont les suivantes

Exigences en matière de poudre pour la fusion en lit de poudre

Les poudres sphériques atomisées au gaz avec une distribution de taille contrôlée et une bonne fluidité sont idéales pour les processus d'AM par fusion sur lit de poudre.

Dépôt d'énergie dirigée par poudre soufflée

Dans les techniques DED telles que le laser engineered net shaping (LENS) et la fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM), la poudre métallique est directement injectée dans un bain de fusion créé par une source de chaleur au laser ou au faisceau d'électrons. Principales différences entre la poudre et le lit de poudre :

Exigences en matière de poudre pour la poudre soufflée DED

Dans le cas de la poudre soufflée DED, les exigences relatives aux matières premières sont plus souples que dans le cas des procédés de fusion sur lit de poudre. L'un des principaux avantages du procédé DED est la possibilité d'utiliser des méthodes de production de poudre moins coûteuses.

Considérations sur les poudres pour la qualité et le coût

En résumé, la fusion sur lit de poudre impose des exigences plus strictes sur les caractéristiques de la poudre afin d'éviter les défauts et d'obtenir des pièces de haute densité. Cela nécessite généralement l'utilisation de poudres atomisées au gaz plus coûteuses. Le procédé DED à poudre soufflée offre une plus grande souplesse pour l'utilisation de poudres moins coûteuses, mais cela peut avoir un impact sur les propriétés mécaniques et la précision. La taille des pièces, les exigences en matière de finition de surface, les performances mécaniques et le budget sont des facteurs clés dans la sélection d'un processus de fabrication additive et d'une charge de poudre appropriés.

Fabrication additive de composites à matrice métallique

Les composites à matrice métallique (MMC) avec des renforts céramiques sont un domaine émergent de la fabrication additive à base de poudre. Cette section présente une vue d'ensemble de l'impression des MMC à l'aide de la fusion sur lit de poudre et du dépôt d'énergie dirigée par poudre soufflée.

Fabrication additive MMC par fusion en lit de poudre

Des renforts tels que des carbures, des borures et des oxydes peuvent être mélangés à des poudres d'alliages métalliques pour imprimer des composites à matrice métallique renforcés par des particules et dotés de propriétés améliorées :

Poudres MMC pour la fusion sur lit de poudre AM

Cependant, des facteurs tels que les différences de points de fusion, une mauvaise mouillabilité et l'agglomération des renforts peuvent entraîner des défauts et des difficultés dans l'impression de pièces MMC de haute qualité. Des renforts à l'échelle nanométrique et des paramètres de mélange et d'étalement des poudres adaptés sont nécessaires pour imprimer avec succès des MMC denses et isotropes à l'aide de l'AM par fusion sur lit de poudre.

Fabrication additive MMC à l'aide de poudre soufflée DED

Les approches de poudre soufflée DED offrent des avantages pour l'impression des MMC :

• Les renforts peuvent être directement injectés dans le bain de fusion, ce qui évite les problèmes d'agglomération.
• La fusion et la solidification rapides améliorent la distribution de la céramique
• Il est possible d'utiliser des particules de plus grande taille et des fractions de renforcement plus élevées.

Mais le contrôle de la teneur en renforts sur toute la hauteur de construction et l'obtention d'une distribution uniforme restent un défi. Les systèmes hybrides d'AM combinant la fusion sur lit de poudre et le DED permettent d'imprimer des métaux de haute densité comme le cuivre sous forme de matrice continue en utilisant la fusion sur lit de poudre, tandis que des renforts céramiques sont simultanément injectés pour renforcer ou durcir localement certaines zones.

Globalement, la fabrication additive permet de fabriquer des composants MMC complexes de forme nette avec des compositions et des propriétés localement adaptées, ce qui n'est pas possible avec la fabrication conventionnelle de composites. Mais le développement de poudres de base et de paramètres d'impression adaptés à des systèmes métallo-céramiques spécifiques est essentiel pour réaliser le plein potentiel de l'impression de MMC renforcés par des particules à l'aide de l'AM.

FAQ sur les poudres métalliques pour la fabrication additive

Voici les réponses à quelques questions courantes sur les poudres métalliques utilisées dans les procédés de fabrication additive :

FAQ sur les poudres métalliques pour l'AM

Q : Quelle est la poudre métallique la plus couramment utilisée pour l'impression 3D ?

R : Les alliages d'aluminium, en particulier AlSi10Mg, sont l'un des métaux les plus populaires pour l'AM à base de poudre dans les applications aérospatiales, automobiles et industrielles en raison de leur légèreté, de leur résistance à la corrosion et de leurs avantages en termes de coûts par rapport aux alliages de titane et de nickel.

Q : Quelle est la poudre métallique la plus chère ?

R : Les métaux précieux tels que l'or, l'argent et le platine sont les matériaux les plus coûteux ($1500-3000 par kilogramme). Les alliages de titane sont également relativement chers, à plus de $200/kg. Les superalliages de nickel varient de $100-300/kg en fonction de la composition.

Q : Quelle est la différence entre la poudre de métal vierge et la poudre de métal recyclé ?

R : La poudre vierge est une poudre fraîchement produite qui n'a pas été utilisée pour l'impression auparavant. La poudre recyclée est une poudre récupérée après une impression et réutilisée. La poudre recyclée peut être 20-30% moins chère, mais elle présente un risque de contamination et de modification des propriétés après plusieurs cycles de réutilisation.

Q : Quel est l'élément essentiel pour déterminer la distribution de la taille des poudres métalliques ?

R : Une distribution granulométrique serrée est essentielle pour la fusion AM sur lit de poudre afin de permettre une épaisseur de couche uniforme, une densité d'emballage élevée, un bon écoulement et une bonne résolution. Les distributions typiques sont D10 : 20-40 microns, D50 : 20-45 microns, D90 en dessous de 100 microns.

Q : Quel est l'impact de l'humidité dans les poudres métalliques sur les processus d'AM ?

R : L'humidité absorbée par les particules de poudre peut provoquer un agglutinement des poudres et nuire à l'écoulement. L'excès d'humidité entraîne également la porosité des pièces imprimées. La plupart des procédés exigent une teneur en humidité inférieure à 0,2 wt% par séchage.

Q : Quel est le rôle de la recyclabilité des poudres dans l'AM ?

R : Le recyclage des poudres inutilisées après l'impression permet de réduire les déchets de matériaux et les coûts, en particulier pour les alliages coûteux. Mais une contamination peut se produire après la réutilisation. Les procédés utilisant des atmosphères inertes ou le vide minimisent l'oxydation et améliorent la recyclabilité.

Q : Comment les poudres métalliques à distribution bimodale sont-elles utilisées dans l'AM ?

R : Les poudres bimodales avec deux fractions distinctes de poudre grossière et de poudre fine peuvent améliorer la densité de tassement et la résolution d'impression. La poudre la plus fine s'insère entre les particules les plus grosses. Mais ces poudres requièrent une expertise pour garantir un mélange et une manipulation corrects.

Q : L'AM permet-il d'utiliser des poudres de moindre qualité et moins chères que d'autres procédés ?

R : L'AMD par poudre soufflée peut utiliser des poudres moins coûteuses provenant d'autres méthodes de production qui peuvent ne pas répondre aux spécifications strictes de la fusion sur lit de poudre. Mais cela peut compromettre les propriétés mécaniques et la précision par rapport aux poudres atomisées au gaz.

Conclusion

En résumé, les poudres métalliques servent de matière première fondamentale pour la fabrication de composants métalliques imprimés en 3D à l'aide des technologies de fabrication additive par fusion sur lit de poudre et par dépôt d'énergie dirigée. Les caractéristiques et la qualité de la matière première des poudres métalliques exercent une forte influence sur les propriétés, la précision, l'état de surface et les performances de la pièce finale dans les applications aérospatiales, médicales, automobiles et industrielles. L'atomisation au gaz et l'atomisation à l'eau sont les principales méthodes de production. Les attributs clés des poudres, tels que la distribution de la taille des particules, la morphologie, la densité apparente, les caractéristiques d'écoulement et la micro-propreté, doivent répondre à des spécifications rigoureuses pour les processus d'AM et les exigences des pièces finales. Les progrès continus dans l'ingénierie, la modélisation et la caractérisation des poudres métalliques sur mesure seront essentiels pour libérer tout le potentiel de la fabrication additive avec des métaux.