Fabrication additive SLM

La fusion sélective au laser (SLM) est un processus de fabrication additive métallique qui utilise un laser pour fusionner de la poudre métallique en composants entièrement denses. Ce guide examine la technologie, les systèmes, les matériaux, les applications, les avantages et les considérations SLM lors de la mise en œuvre de la fabrication additive avec SLM.

Introduction à la Fabrication additive SLM

La fusion sélective au laser (SLM) est une technique de fabrication additive par fusion sur lit de poudre qui utilise un laser haute puissance pour fondre et fusionner sélectivement des particules de poudre métallique couche par couche afin de créer des pièces 3D entièrement denses directement à partir de données de CAO.

Attributs clés de la technologie SLM :

• Utilise un faisceau laser focalisé pour faire fondre les métaux en poudre
• Ajoute du matériau uniquement là où cela est nécessaire dans chaque couche
• Permet des géométries complexes impossibles à réaliser par moulage ou usinage
• Crée des composants métalliques de forme proche du net avec une haute densité
• Les matériaux comprennent l'aluminium, le titane, l'acier inoxydable et les alliages.
• Volumes de fabrication de pièces petits à moyens
• Idéal pour les pièces complexes et de faible volume
• Élimine le besoin d'outillage dur comme des moules ou des matrices
• Réduit considérablement les déchets par rapport aux méthodes soustractives
• Permet des conceptions légères et la consolidation des pièces
• Permet des améliorations fonctionnelles avec des structures d'ingénierie

Grâce à ses capacités, SLM offre des avantages révolutionnaires en matière de conception de produits innovants et de production allégée. Cependant, cela nécessite une expertise pour maîtriser le processus.

Comment fonctionne la fabrication additive SLM

Le processus de production SLM comprend :

1. Étaler et niveler une fine couche de poudre métallique sur une plaque de construction
2. Balayage sélectif d'un faisceau laser focalisé pour faire fondre la poudre
3. Abaisser la plate-forme de construction et répéter la superposition et la fusion
4. Retrait des pièces terminées du lit de poudre
5. Post-traitement des pièces si nécessaire – nettoyage, traitement thermique, etc.

Le contrôle précis du laser, des modèles de balayage, de l'atmosphère de la chambre et d'autres paramètres est essentiel pour obtenir des pièces métalliques denses et de haute qualité avec SLM.

Les systèmes SLM comprennent un générateur laser, une optique de délivrance de faisceau, un système de distribution de poudre, une chambre de fabrication, une manipulation de gaz inerte et des commandes centrales. Les performances dépendent fortement de l’ingénierie du système et du réglage des paramètres de construction.

Fabricants d’équipements SLM

Les principaux fournisseurs mondiaux de systèmes de fabrication additive SLM comprennent :

La sélection du système dépend des besoins en matière de taille de construction, des matériaux, de la qualité, du coût et du support technique. Un partenariat avec un fournisseur de solutions SLM expérimenté est recommandé pour évaluer correctement les options.

Caractéristiques du processus SLM

La SLM implique des interactions complexes entre divers paramètres de processus. Voici les caractéristiques clés :

Laser – Puissance, longueur d’onde, mode, vitesse de balayage, espacement des trappes, stratégie

Poudre – Matériau, granulométrie, forme, débit d’alimentation, densité, coulabilité, réutilisation

Température – Préchauffage, fusion, refroidissement, contraintes thermiques

Atmosphère – Type de gaz inerte, teneur en oxygène, débits

Plaque de construction – Matériau, température, revêtement

Stratégie d'analyse – Motif de hachures, rotation, contours des bordures

Soutien – Réduction, interface, suppression

Post-traitement – Traitement thermique, HIP, usinage, finition

Comprendre les relations entre ces paramètres est essentiel pour obtenir des pièces sans défauts avec des propriétés mécaniques optimisées.

Directives de conception de pièces SLM

Une conception appropriée des pièces est essentielle au succès de la fabrication additive SLM :

• Concevoir en gardant à l'esprit les principes de la fabrication additive par rapport aux méthodes conventionnelles
• Optimiser les géométries pour réduire le poids, l'utilisation de matériaux et améliorer les performances
• Minimisez le besoin de supports en utilisant des angles autoportants
• Autoriser la prise en charge des régions d'interface dans la conception
• Orienter les pièces pour réduire les contraintes et éviter les défauts
• Tenir compte des effets de retrait thermique dans les entités
• Concevoir des canaux intérieurs pour l'élimination de la poudre non fondue
• Gérer les déformations potentielles dans les surplombs ou les sections minces
• Finitions de surface conçues en tenant compte de la rugosité telle que construite
• Considérer les effets des lignes de couches sur les performances en fatigue
• Interface de montage conçue pour retirer les pièces du lit de poudre
• Minimiser les volumes piégés de poudre non frittée

Un logiciel de simulation permet d'évaluer les contraintes et les déformations dans les pièces SLM complexes avant l'impression.

Options de matériaux SLM

Une gamme d'alliages peut être traitée avec la technologie SLM, les propriétés finales des matériaux dépendant de paramètres :

Le choix d'alliages compatibles et la définition de paramètres de construction qualifiés sont essentiels pour obtenir les performances matérielles requises.

Applications clés de la GDT

SLM permet des capacités de transformation dans tous les secteurs :

Les avantages par rapport à la fabrication conventionnelle comprennent :

• Capacité de personnalisation de masse
• Temps de développement plus court
• Liberté de conception pour des gains de performances
• Consolidation et allégement des pièces
• Éliminer l’utilisation excessive de matériaux
• Consolidation de la chaîne d'approvisionnement

Une validation minutieuse des performances mécaniques est nécessaire lors de l'application de pièces SLM dans des applications critiques.

Avantages et inconvénients de Fabrication additive SLM

Avantages :

• Liberté de conception rendue possible grâce au processus additif
• Complexité obtenue sans augmentation des coûts
• Élimine le besoin d'outillage dur comme des moules ou des matrices
• Consolide les sous-ensembles en composants uniques
• Allègement à partir de structures organiques à topologie optimisée
• Personnalisation et production en faible volume
• Temps de développement réduit par rapport au moulage/usinage
• Rapport résistance/poids élevé grâce à des microstructures fines
• Minimise considérablement le gaspillage de matériaux par rapport aux processus soustractifs
• Production juste à temps et décentralisée
• Délais de livraison et stocks de pièces réduits

Limites :

• Des volumes de fabrication plus petits que les autres processus de fabrication additive métallique
• Précision et finition de surface inférieures à celles de l'usinage CNC
• Choix limité d’alliages qualifiés par rapport à la fonderie
• Essais et erreurs importants pour optimiser les paramètres de construction
• Propriétés des matériaux anisotropes issues de l'accumulation couche par couche
• Potentiel de contraintes résiduelles et de défauts de fissuration
• Difficultés d'élimination de la poudre provenant de géométries internes complexes
• Nécessite souvent un post-traitement pour obtenir les propriétés finales
• Coût d’équipement plus élevé que l’impression 3D polymère
• Installations spéciales et manipulation de gaz inerte nécessaires

Lorsqu'il est appliqué de manière appropriée, le SLM permet des performances révolutionnaires impossibles par d'autres moyens.

Mise en œuvre de la fabrication additive SLM

Les étapes clés lors de l’adoption de la technologie SLM comprennent :

• Identifier les applications adaptées en fonction des besoins
• Confirmation de la faisabilité SLM pour les conceptions choisies
• Développer des protocoles rigoureux de qualification des processus
• Investir dans des équipements SLM adaptés
• Sécuriser l’expertise dans les procédés sur lit de poudre métallique
• Établir des procédures strictes de qualité des matériaux
• Maîtriser le développement et l'optimisation des paramètres
• Implémenter des méthodes de post-traitement robustes
• Propriétés mécaniques qualifiantes des composants finis

Un plan d'introduction méthodique axé sur les applications à faible risque minimise les pièges lors de l'ajout de fonctionnalités additives SLM. Le partenariat avec des bureaux de services SLM ou des OEM de systèmes expérimentés donne accès à une expertise.

Analyse des coûts de production SLM

L’économie de la production SLM implique :

• Coût élevé de l'équipement de la machine
• Main-d'œuvre pour la configuration de la construction, le post-traitement et le contrôle qualité
• Coûts des matériaux pour une matière première en poudre métallique appropriée
• Finition des pièces – usinage, perçage, ébavurage, etc.
• Frais généraux – installations, gaz inerte, maintenance
• Développement initial du processus d’essais et d’erreurs
• Les coûts diminuent avec l'expérience et le volume de production
• Devient économique à des volumes d’environ 1 à 500 unités
• Offre le plus grand avantage en termes de coût pour les géométries complexes

Il est recommandé de choisir des alliages qualifiés auprès de fournisseurs réputés pour éviter les défauts. Le partenariat avec un fournisseur de services offre une voie d’adoption plus rapide et moins risquée.

SLM comparé à d'autres processus

Chaque processus offre des avantages spécifiques en fonction des exigences de l'application, de la taille du lot, des matériaux et des besoins en performances.

Perspectives d'avenir pour la fabrication additive SLM

SLM est sur le point de connaître une croissance significative dans les années à venir, portée par :

• Expansion continue des matériaux avec une plus grande disponibilité des alliages
• Des volumes de construction plus importants permettant une production à l’échelle industrielle
• Finitions de surface améliorées et tolérances plus strictes
• Fiabilité et productivité accrues du système
• Nouveaux systèmes hybrides intégrant l'usinage CNC
• Baisse des coûts améliorant la viabilité du business case
• Autres algorithmes d'optimisation et simulation
• Suppression et post-traitement automatisés du support
• Croissance des pièces qualifiées pour les industries réglementées
• Avancement continu des conceptions de haute complexité

SLM deviendra courant pour une gamme croissante d'applications où ses capacités offrent un avantage concurrentiel distinct.

FAQ

Quels matériaux pouvez-vous traiter avec la technologie SLM ?

Le titane, l'aluminium, les aciers inoxydables, les aciers à outils, les alliages de nickel et le chrome-cobalt sont couramment traités.

Quelle est la précision du SLM ?

Une précision d'environ ±0,1-0,2% est typique, avec une résolution minimale d'environ 100 microns.

Quel est le coût des systèmes SLM ?

L'équipement SLM va de $300 000 à $1 000 000+ en fonction de la taille, des capacités et des options.

Quels types de post-traitement sont nécessaires ?

Un traitement thermique, un HIP, une finition de surface et/ou un usinage peuvent être utilisés. La suppression du support est également nécessaire.

Quelles industries utilisent la fabrication additive SLM ?

Les secteurs de l’aérospatiale, de la médecine, de l’automobile, de l’industrie et de la défense sont les premiers à adopter la SLM.

Pour quels matériaux le SLM ne fonctionne-t-il pas bien ?

Les métaux hautement réfléchissants comme le cuivre ou l’or restent un défi. Les propriétés matérielles de certains alliages sont encore en train d’émerger.

Quelles finitions de surface peuvent être obtenues ?

La rugosité de la surface SLM telle que construite varie de 5 à 15 microns Ra. La finition peut encore améliorer cela.

Quelle taille de pièces pouvez-vous fabriquer avec SLM ?

Les volumes de construction standard vont jusqu'à 500 mm x 500 mm x 500 mm. Les machines plus grandes peuvent accueillir des composants plus gros.

Le SLM convient-il aux pièces de production finales ?

Oui, le SLM est de plus en plus utilisé pour les composants de production finaux, avec des exemples dans les industries aérospatiale et médicale.

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