Matériaux pour la fabrication additive de métaux : Composition, propriétés, applications

Fabrication additiveL'impression 3D révolutionne la fabrication dans tous les secteurs, de l'aérospatiale aux appareils médicaux. L'un des principaux domaines de progrès est l'impression 3D de métaux, qui permet de créer des pièces métalliques complexes directement à partir de modèles de CAO en 3D, sans avoir recours à un outillage ou à des moules coûteux.

La fabrication additive métallique nécessite des équipements et des matériaux spécialisés pour atteindre les températures extrêmes nécessaires à la fonte et à la fusion des poudres métalliques en objets solides. Les technologies d'impression 3D de métaux les plus couramment utilisées aujourd'hui sont la fusion sur lit de poudre, le dépôt par énergie dirigée, le jet de liant et le laminage de feuilles.

Les propriétés matérielles des pièces produites par impression 3D en métal dépendent fortement de la composition et des caractéristiques des poudres et alliages métalliques utilisés. Cet article donne un aperçu des matériaux de fabrication additive métallique les plus courants, de leurs propriétés, de leurs applications et de leurs fournisseurs.

Types de matériaux pour la fabrication additive de métaux

Il existe une large gamme d'alliages métalliques disponibles pour l'impression 3D à base de poudre. Les plus couramment utilisés sont les suivants :

Ces matériaux de base peuvent être mélangés et alliés dans diverses combinaisons afin d'obtenir les propriétés spécifiques requises pour différentes applications.

Propriétés des matériaux pour la fabrication additive de métaux

Les principales propriétés des poudres métalliques utilisées dans la fabrication additive sont les suivantes :

Distribution de la taille des particules

• La taille des particules de poudre est généralement comprise entre 15 et 45 microns pour la fusion sur lit de poudre.
• Les particules plus petites (<15 microns) améliorent la densité mais réduisent la fluidité.
• Les particules plus grosses, >45 microns, réduisent la précision et l'état de surface.
• La distribution uniforme des tailles permet une densité d'emballage optimale.

Morphologie et forme

• La forme sphérique de la poudre permet un écoulement et un conditionnement en douceur.
• Les formes irrégulières peuvent entraîner une mauvaise densité apparente et une mauvaise uniformité du lit de poudre.

Capacité d'écoulement

• Les poudres doivent se répartir uniformément sur le lit de poudre pour obtenir des couches uniformes.
• La fluidité est déterminée par la forme, la distribution des tailles et la texture de la surface.
• Des agents d'écoulement peuvent être ajoutés pour améliorer l'écoulement de la poudre.

Densité

• Une densité plus élevée de la poudre permet de réduire la porosité des pièces imprimées.
• La densité apparente correspond généralement à 40-60% de la densité solide réelle.
• La densité de prélèvement indique l'efficacité de l'écoulement et du garnissage.

La pureté

• La grande pureté réduit les défauts et la contamination.
• Les niveaux d'oxygène et d'azote sont maintenus en dessous de 100 ppm.
• Des satellites minimes (petites particules attachées à des particules plus grandes).

Teneur en eau

• L'humidité peut provoquer l'agglutination de la poudre et réduire le débit.
• Teneur en humidité inférieure à 0,02% en poids.
• Poudres stockées sous vide ou dans une atmosphère de gaz inerte.

Outre les caractéristiques de la poudre, la composition et la microstructure des alliages métalliques en vrac confèrent d'importantes propriétés de performance aux pièces obtenues par AM :

La force

• Limite d'élasticité de 500 MPa à plus de 1 GPa en fonction de l'alliage.
• Le traitement thermique permet d'augmenter la résistance par durcissement par précipitation.

Dureté

• Dureté Vickers de 150 HV à plus de 400 HV.
• La dureté peut être adaptée localement par traitement thermique.

Densité

• Il est possible d'atteindre une densité presque totale >99%.
• La porosité résiduelle dépend des paramètres du processus.

Finition de la surface

• La surface imprimée est rugueuse (10-25 microns Ra).
• L'usinage, le meulage et le polissage sont nécessaires pour obtenir une finition de précision.

Résistance à la fatigue

• Comparable aux matériaux corroyés mais anisotrope.
• Dépend de l'orientation de la construction, des défauts internes.

Résistance à la corrosion

• Varie considérablement en fonction de la composition de l'alliage, de faible à très élevé.

Propriétés thermiques

• Conductivité et coefficients de dilatation proches des alliages corroyés.
• En fonction de l'orientation de la construction due à la microstructure.

Résistivité électrique

• Dans 10-20% des matériaux ouvrés.
• Une porosité plus élevée augmente la résistivité.

En sélectionnant des poudres et des alliages optimisés, l'AM des métaux permet de fabriquer des pièces denses avec des propriétés mécaniques comparables à celles de la fabrication traditionnelle dans de nombreux cas. Cependant, les propriétés restent anisotropes en fonction de la direction de fabrication.

Applications des matériaux pour la fabrication additive de métaux

Les principales applications qui tirent parti de la fabrication additive métallique sont les suivantes :

Aérospatiale : Composants complexes de moteurs à réaction, de fusées et de véhicules hypersoniques. Réduction du poids, augmentation des performances.

Médical : Implants orthopédiques, prothèses et outils chirurgicaux sur mesure. Métaux biocompatibles adaptés à l'anatomie.

Automobile : Allègement des composants, des pièces de performance et de l'outillage. Augmentation de la résistance et de l'intégration fonctionnelle.

Industriel : Pièces de production à usage final pour pompes, compresseurs, moteurs. Réduction des délais et des stocks.

Consommateur : Bijoux, accessoires de mode, petits gadgets. Géométries uniques de grande valeur.

Défense : Pièces robustes pour utilisation sur le terrain, équipement de protection, armement. Fabrication à la demande.

Fabrication de moules : Les canaux de refroidissement conformes permettent d'augmenter la productivité. Impression directe de l'outillage du moule.

L'énergie : Les composants pour le pétrole et le gaz résistent à la corrosion et fonctionnent dans des environnements extrêmes.

Les excellentes propriétés mécaniques, la précision et la liberté de conception qu'offre l'AM des métaux en font un outil précieux pour les prototypes, les outils et les pièces de production finales dans de nombreuses industries.

Capacités en matière de processus de fabrication additive de métaux

Les différents procédés d'impression 3D de métaux ont des capacités variables en termes de matériaux compatibles, de taille des pièces, de précision, d'état de surface, etc :

Fusion des lits de poudre offre la meilleure précision et le meilleur état de surface, mais des vitesses plus lentes. Dépôt d'énergie dirigée permet de construire rapidement de grandes pièces de forme proche du filet, mais avec une précision moindre. Jets de liant est plus rapide mais nécessite une infiltration pour obtenir une densité maximale. Plastification des feuilles est limité aux sections les plus fines.

Le processus optimal dépend des exigences de l'application - choisissez en fonction de la taille de la pièce, des options de matériaux, de la précision, de la vitesse et des besoins de post-traitement.

Systèmes d'alliages populaires pour la fabrication additive de métaux

Voici quelques-uns des systèmes d'alliages métalliques les plus couramment utilisés dans la fabrication additive, ainsi que leurs principales caractéristiques :

Aciers inoxydables

Alliages d'aluminium

Alliages de titane

Alliages de nickel

Alliages de chrome et de cobalt

En sélectionnant l'alliage optimal pour les exigences de l'application, la fabrication additive permet d'imprimer en 3D des pièces métalliques de haute performance à la demande.

Grades de poudres métalliques populaires pour la fabrication additive

La plupart des grands fournisseurs de poudres métalliques proposent désormais des qualités de poudres optimisées spécifiquement pour la fabrication additive. Voici quelques-unes des qualités les plus couramment utilisées :

Poudres d'acier inoxydable

Poudres d'alliage d'aluminium

Poudres d'alliage de titane

Poudres d'alliages de nickel

Poudres d'alliage cobalt-chrome

Ces poudres optimisées garantissent une qualité élevée et des performances reproductibles pour la fabrication additive de métaux dans les alliages courants de l'aérospatiale, de la médecine et de l'industrie.

Coûts des poudres pour la fabrication additive de métaux

Les coûts des poudres métalliques pour l'AM peuvent varier considérablement en fonction de la composition de l'alliage, de la pureté, de la distribution de la taille des particules, du fournisseur et du volume d'achat :

Le coût des poudres représente une part importante du coût total de la pièce dans le cas de l'AM des métaux. Les industries qui adoptent l'AM sont l'aérospatiale, le médical, l'automobile, le pétrole et le gaz, où les alliages de grande valeur justifient les coûts. L'augmentation des volumes s'accompagne d'une baisse des prix. La réutilisation des déchets de poudre par le biais de systèmes de récupération de la poudre contribue également à réduire le coût global par pièce.

Post-traitement de la fabrication additive métallique

La plupart des processus d'AM des métaux produisent des pièces avec une finition de surface rugueuse et une certaine porosité interne. Un post-traitement supplémentaire est généralement nécessaire :

• Retrait de la plaque de construction - Découpage, meulage ou électroérosion à fil pour enlever les supports et séparer les pièces.
• Finition de surface - Usinage, meulage, polissage, sablage pour améliorer la finition de la surface.
• Soulagement du stress - Traitement thermique pour soulager les contraintes résiduelles de la fabrication par AM.
• Pressage isostatique à chaud - Haute pression pour éliminer les vides internes et augmenter la densité.
• Traitement thermique - Durcissement par précipitation, vieillissement pour améliorer les propriétés mécaniques.
• Revêtements - Appliquer des revêtements fonctionnels pour la résistance à l'usure et à la corrosion si nécessaire.

Avec un post-traitement approprié, les pièces métalliques obtenues par AM peuvent atteindre une densité extrêmement élevée et des finitions de surface de précision comparables à celles des pièces métalliques fabriquées traditionnellement.

Lignes directrices pour la conception de la fabrication additive métallique

Pour tirer pleinement parti de l'AM des métaux et éviter les pièges potentiels, il est recommandé de suivre des lignes directrices en matière de conception :

• Réduire au minimum les structures en surplomb nécessitant des supports
• Orienter les pièces pour réduire les effets de la finition de surface en escalier
• Utiliser des parois minces, des treillis pour réduire le poids et l'utilisation de matériaux
• Consolider les assemblages en pièces uniques complexes
• Incorporer des canaux de refroidissement conformes et des conceptions bioniques
• Concevoir les canaux internes et les vides de manière à ce qu'ils soient autoportants.
• Prévoir des trous d'accès pour les régions non poudrées
• Prise en compte des propriétés anisotropes en fonction de l'orientation de la construction
• Concevoir des congés et des rayons généreux dans les angles

En adoptant un état d'esprit de conception pour l'AM, les ingénieurs peuvent tirer pleinement parti de ces capacités innovantes.

L'avenir de la fabrication additive métallique

La fabrication additive métallique a beaucoup progressé en termes de matériaux, de processus, d'applications et d'adoption. Toutefois, il existe encore d'importantes possibilités d'améliorer la vitesse, le coût, la qualité et les options de matériaux.

Fabricants d'équipements développent des enveloppes plus grandes et des systèmes multi-laser pour augmenter la productivité. La surveillance en boucle fermée et les systèmes avancés de contrôle de la qualité contribueront à renforcer la cohérence et la fiabilité.

Fournisseurs de matériaux se concentrent sur la qualification d'un plus grand nombre d'alliages optimisés pour l'AM, y compris des matériaux à plus haute température comme les superalliages de nickel, les aciers à outils, les métaux réfractaires. Les poudres métalliques fonctionnelles et composites permettront de mieux ajuster les propriétés.

Logiciel Les avancées en matière de conception, de simulation, d'optimisation, d'apprentissage automatique et d'automatisation rendront la GA plus accessible à un public plus large. La connectivité des systèmes et les approches de fabrication numérique permettront une production plus distribuée et plus agile.

Applications continuera à croître rapidement dans l'aérospatiale pour les moteurs et les composants structurels. L'adoption dans les secteurs de l'automobile, du pétrole et du gaz, des appareils médicaux et de l'électronique grand public s'accélérera à mesure que les coûts diminueront. La fabrication rapide et la personnalisation de masse deviendront une réalité.

L'industrie de l'AM des métaux vit une période passionnante, car de nouveaux acteurs et de nouvelles innovations font leur entrée sur ce marché à forte croissance, estimé à plus de $15 milliards d'euros d'ici à 2028.

Fabrication additive métallique - FAQ

Voici les réponses aux questions les plus fréquemment posées sur les matériaux et les procédés de fabrication additive métallique :

Quels types de métaux peuvent être imprimés en 3D ?

La plupart des principaux alliages industriels peuvent être imprimés, notamment les aciers inoxydables, l'aluminium, le titane, le nickel, le chrome cobalt, les aciers à outils, les métaux précieux tels que l'or et l'argent, et les alliages de cuivre. De nouveaux alliages sont constamment qualifiés.

Quel type de précision et de finition peut-on obtenir ?

La précision dimensionnelle est généralement de l'ordre de ±0,1-0,3% avec des tolérances de ±0,1-0,2 mm. La finition de surface telle qu'imprimée est rugueuse à 10-25 μm Ra mais peut être améliorée de manière significative par l'usinage et le polissage.

Comment les propriétés des matériaux se comparent-elles à celles de la fabrication traditionnelle ?

La microstructure et les propriétés de la plupart des pièces additives sont comparables à celles des matériaux moulés ou corroyés. Les propriétés mécaniques répondent aux normes, voire les dépassent, pour des matériaux tels que le titane et les alliages de nickel de qualité aérospatiale.

Comment les pièces sont-elles traitées après l'impression 3D ?

Le post-traitement comprend l'élimination des supports, le détensionnement, les opérations de finition de surface telles que l'usinage CNC, le meulage et le polissage, ainsi que tout traitement thermique nécessaire. Certaines applications critiques peuvent nécessiter un pressage isostatique à chaud (HIP) pour éliminer les vides internes et augmenter la densité.

Quels sont les principes clés de la conception des pièces en AM métal ?

Les directives de conception comprennent la minimisation des surplombs, l'optimisation de l'orientation de la construction, l'incorporation de treillis et de structures internes, l'utilisation de parois minces et la consolidation des assemblages. Les performances peuvent être améliorées grâce à des systèmes de refroidissement bioniques et conformes.